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生物质流化床燃烧粘结特性及控制研究

尚琳琳  
【摘要】:生物质含有高含量的碱金属元素和营养元素。在流化床中的燃烧过程中,大部分的碱金属元素会固留在生物质灰中。生物质灰中的碱金属元素容易与床料中富含的SiO2发生反应生成低熔点的物质,低熔点物质的生成使流化床床层发生粘结现象。粘结发生时,床内流态化会被破坏,随着粘结块的进一步形成与增加,可能引起整个流化床的流态化停滞,导致锅炉被迫停炉,从而造成严重的经济损失。本论文围绕生物质流态化燃烧粘结现象展开深入的研究,期望发现解决这一瓶颈的科学依据,研究生物质灰与典型床料(石英、河砂)发生粘结的反应机理,建立流化床颗粒粘结数学模型,寻求预测生物质流化床粘结发生的方法,探索抑制生物质流化床内燃烧粘结的新技术,为流化床燃烧技术在生物质燃料直接燃烧领域的应用奠定理论基础。 探索利用热重差示扫描量热分析法(TG/DSC)研究麦秆灰以及麦秆灰与石英混合物的高温熔融特性。通过引入模型化合物分析得出:麦秆灰以及麦秆灰与石英混合物在620~700℃的温度范围内存在KCl和CaCl2混合物的共熔反应,熔融的KC;和CaCl2在800℃~900℃的温度区间开始转移到气相中。在空气气氛中,麦秆灰中的K2CO3与SiO2发生化学反应,生成硅酸钾,在901℃~1039℃的温度区间麦秆灰中的硅酸钾发生熔融。麦秆灰与石英混合物相对于单独的麦秆灰,KCl和CaCl2的熔融峰的温度区间无明显区别,而硅酸盐的初始熔融温度明显降低。硅酸钾发生了熔融是麦秆灰与石英混合物出现粘结现象的主要原因。 利用热重差示扫描量热分析法、偏光显微镜、扫描电镜-能谱分析技术和多相平衡计算等多种分析手段研究麦秆灰和河砂混合物的高温粘结机理得出:麦秆灰与河砂的混合物在850℃出现轻微的粘结,900℃时粘结明显,粘结物主要成分为硅酸盐,其主要成份为K20-SiO2-Na2O-Al2O3-CaOo粘结物中钾元素和钙元素的聚集是造成粘结的重要原因。麦秆灰与河砂混合物的粘结现象,不能归结为麦秆灰的熔融使得河砂颗粒粘结在一起,而是化学反应和熔融行为综合作用的结果。高温下麦秆灰与河砂发生反应产生低熔点的硅酸盐是造成麦杆灰与河砂混合物粘结的直接原因。 以生物质流化床内燃烧粘结发生的力平衡模型为基础,建立了描述生物质流化床内燃烧流化失败过程的数学模型,并利用FactS age多相平衡模型计算床层温度下生物质灰和床料混合物中液态相的比例和成分,结合Urbain的硅酸盐粘度计算模型,得到生物质流化床燃烧粘结失流过程的数学模型。从粘结力和破坏力的物理意义出发,得到粘结力和破坏力随着运行时间、床层温度、床料粒径、生物质灰以及床料成分的变化规律。利用力学平衡模型最终得到失流时间关于床层温度、床料粒径、生物质灰以及床料成分的函数表达式。结果表明:模型计算结果与实验结果具有较好的一致性。 应用FactSage软件中Equilib模块计算在一定温度范围内生物质灰和不同床料多相平衡时物相变化、液态相质量分数和液态相成分,并应用偏光显微镜-能谱分析实验对计算结果进行验证,建立以多相平衡计算模型为基础,偏光显微镜-能谱分析实验为验证的系统预测方法,预测不同床料下生物质流化床燃烧粘结趋势。多相平衡计算模型计算结果表明:相对于河砂,粘土、高岭土、石煤灰都能够有效的抑制生物质流化床燃烧粘结现象。应用多相平衡计算模型计算得到了麦秆灰和不同床料多相平衡时液态相成分和比例,计算结果与偏光显微镜-能谱分析结果基本一致。 在5kW鼓泡床实验装置上进行了不同床料下麦秆燃烧粘结特性实验。结果表明:相对于石英,高岭土、流化床燃煤炉渣、煤矸石灰渣、高炉渣都能有效的抑制生物质流化床燃烧粘结现象的发生。流化床燃煤炉渣和煤矸石灰渣作为床料,能够明显抑制生物质流化床内的燃烧粘结现象。高含量的铝元素、较高含量的硫元素、高含量的碱土金属元素和较低含量的碱金属元素有利于粘结物的熔点的提高,进而阻止了床层大面积的粘结。


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