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生物质与煤混烧过程中细微颗粒排放特性研究

王泉斌  
【摘要】: 生物质与煤混烧可以利用生物质碳循环的优点,并适用于现有燃煤锅炉改造,有效地降低成本,提高燃烧效率,但是由于生物质相比于煤含有更高含量的碱金属,而这些碱金属矿物在燃烧过程中又极易发生气化从而造成燃烧后的设备安全及环境问题,如灰沉积及其腐蚀的加剧、飞灰颗粒物排放的环境危害等。因此,合理全面的分析探讨生物质与煤混烧后细微颗粒物的形成与排放具有重要的科学与实际意义。 本论文主要通过在高温沉降炉和立式热天平炉上开展生物质与煤的混烧试验,分析不同试验条件下生物质与煤混烧时细微颗粒(PM_(10))形成与排放的主要影响因素,研究不同生物质中生物化学组分的含量以及对PM_(10)排放的影响趋势,并深入探讨生物质中不同存在形式碱金属的迁移特性及其对混烧后细微颗粒生成与排放的作用规律。本文研究的主要内容如下: 试验工况对混烧PM_(10)排放特性的影响。试验结果表明:不同种类的煤样与生物质混烧后生成的PM_(10)在其质量粒径分布上并无太大差异,且与单一原料燃烧时较为相似,均呈双峰分布。生物质与煤混烧过程中,碱金属和元素S,Cl大部分富集在亚微米颗粒当中,并且主要以碱金属的氯酸盐和硫酸盐的形式存在。随着氧气浓度的增加,亚微米颗粒(PM_1)与超微米颗粒物(PM_(1-10))的排放浓度随之递增,但PM_1在PM_(10)中所占的比例却出现较大幅度的降低。随着燃烧温度的升高,PM_1和PM_(1-10)排放上升,且PM_1的增长幅度较大。当生物质掺烧比例较小时,其与煤混烧后的PM_1和PM_(1-10)排放均要低于单一燃料燃烧时的拟合结果,也即混烧后的PM_1和PM_(1-10)均有所降低。然而,随着生物质的进一步添加,不同混合燃料产生的PM_(10)排放表现出一定的差异,但其整体的PM_1和PM_(1-10)排放仍呈上升趋势。在对PM_(10)的元素组成分析后发现,随着混合燃料中生物质添加比例的增加,PM_(10)中的主要成灰元素均呈现上升趋势,尤其是PM_1中碱金属含量,并且碱金属与硫元素的变化趋势较为相近;不同生物质燃料与煤混烧时,燃料配比对PM_(10)中元素组成的影响也不尽相同。 生物质中生物组分的含量差异及其对生物质热解燃烧特性和混烧PM_(10)排放的影响。试验结果表明:生物质样品中的纤维素含量均要高于木质素,且纤维素含量的范围为55~78%,木质素含量为19~34%。在生物质的热解和燃烧过程中,随着燃料中纤维素含量的增加,样品失重明显加剧,并且在300~400C的试验温度区间内,主要为纤维素的分解反应阶段,此时大量挥发分的快速析出导致其样品的失重最为剧烈;木质素由于含有苯环而热分解相对较缓且主要失重温度区间较高较宽。在生物组分对混烧PM_(10)排放特性影响的实验研究中发现,不同生物组分的燃料样品的PM_(10)质量粒径分布同样呈双峰趋势;随着生物组分中木质素含量的增加,样品的PM_1峰值位置呈现向大粒径方向偏移的趋势,且模拟样品(纤维素与木质素不同配比混合的模拟燃料)的PM_(10)排放呈现较好的线性递增趋势。然而,在生物组分对混烧PM_(10)排放特性的影响方面,实际生物质燃料与模拟混合燃料仍存在一定的差异,且具体表现为燃烧特性、焦的结构以及无机成分等因素的不同所造成。 生物质中不同存在形式碱金属的成灰迁移特性及其对混烧PM_(10)形成的贡献。通过对生物质原料样品进行水洗与酸洗的化学预处理,试验结果表明:生物质样品中的离子态碱金属在燃烧过程中易于挥发,随着燃烧温度的升高,其气化量也随之增加,并且在有Cl,S等非金属离子态元素存在的条件下,使得大部分气态碱金属在成灰过程中更多的以氯酸盐或硫酸盐等细小的飞灰颗粒存在。而当样品在经水洗分离和酸洗分离的化学处理后,燃料中易气化部分的碱金属元素含量大幅减少,大量水溶态或酸溶态的S,Cl等非金属“催化性”元素同时也被分离脱除,从而导致燃料样品燃烧时的碱金属气化量下降,且在成灰过程中向细微颗粒转化的途径也受到较大的抑制。与此同时,化学处理后样品中有机可燃成分的比例增加,更加促进了燃烧反应的进行。随着燃烧温度的不断升高,硅铝酸盐等无机矿物含量的进一步增多,熔融聚合程度的进一步加大,均使得Si,Al等元素对气态碱金属的结合与捕集效应增强。而这些与硅酸盐结合或被硅铝酸盐所捕集的碱金属在成灰过程中又更多会以较粗的颗粒存在于底灰或飞灰当中。通过对燃烧过程的热力学平衡计算分析发现,生物质样品在化学处理后,燃料中碱金属的气化量和气化率不仅受到了较大抑制,而且其中碱金属的气化温度也随之明显升高。水洗生物质与煤混烧的PM_(10)排放特性试验中,PM_(10)排放分布均呈现大幅下降趋势,尤其是PM_1的峰值明显减小。水洗化学分离能够很大程度上减排PM_(10)以及其中的碱金属含量,LPI各级细微颗粒中碱金属元素的富集浓度在水洗处理后平均下降了95%以上。虽然生物质样品的水洗化学处理过程中,K元素离子态的脱除率要远大于Na,但是每分离去除单位浓度的Na元素对其在燃烧后各级细微颗粒中的含量富集的减排效果却要明显高于K。也即表明离子态Na元素的存在对燃烧后PM_(10)形成与排放的影响相比于K更为显著。


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