论文部分内容阅读
能源是人类社会发展的动力支持,目前化石能源在我国能源结构中仍占最大比重。由于煤炭等化石能源的有限性和污染性,作为清洁可再生能源之一的生物质能具有广阔的应用前景。但生物质在燃烧过程中会释放低熔点碱金属蒸汽,导致设备产生结渣、高温腐蚀及积灰等问题,限制了生物质的大规模利用。一般认为,煤与生物质混燃过程中,一方面煤中的硫能够固定生物质燃烧时易释放的碱金属K,一方面煤燃烧时SO2的释放也会减少;煤中的氯会促进碱金属释放;两者之间可能存在一些反应竞争机制。本文基于煤与生物质混烧的背景,采用向生物质添加煤中各形态硫、氯的方法,模拟煤与生物质混燃过程中硫、氯对生物质钾释放转化影响规律。文章从单颗粒炉中的综合燃烧特性研究、煤中硫、氯对生物质钾迁移/转化影响的化学分析、生物质钾动态释放特性的在线测量三个方面进行实验。本文首先选用玉米秸秆、水稻秸秆、花生壳三种典型的生物质和大同烟煤、伊敏褐煤两种不同煤阶煤,在高加热速率的单颗粒炉燃烧系统上,综合研究了典型生物质/煤的燃烧特性、不同温度以及煤中硫、氯对生物质燃烧的影响。实验结果显示,在高加热速率条件下,不同燃烧阶段并行重叠;生物质的添加可明显改善生物质与煤混合燃料的燃烧特性,增大失重速率,加快燃烧进程;炉膛温度的升高对生物质燃烧的促进作用主要集中在颗粒燃烧初始阶段;在不同燃料掺混过程中,挥发分含量、固定碳含量分别是失重速率和燃烬时间的主要影响因素;1000K（727℃）温度工况下,煤中硫、氯对生物质的燃烧几乎不存在影响。在离线化学分析方面,本文向水稻秸秆和玉米芯中加入煤中不同形态硫、氯,通过分级萃取结合ICP-AES、XRD分析以及Factsage模拟的方法研究了燃烧温度对碱金属硫酸化和释放以及煤中硫、氯对生物质燃烧过程中钾释放转化的影响规律。实验结果显示,生物质中的钾主要赋存形态为水溶型,燃烧过程中释放的钾主要来源于水溶型,且部分水溶型钾会向不溶型钾转化;硫的固定作用与温度有关,分为900℃下的硫酸钾固定和9501000℃以上钾的硅铝酸盐等矿物固定;815℃下,硫的固定作用原理为促进K以K2SO4形式的固存,抑制部分不溶矿物钾的形成;氯化铵（无机氯）促使各类型K转化为KCl释放入气相;硫、氯的竞争效应与燃料有关,在S/Cl=1下,对于水稻秸秆,氯促进钾释放的作用强于硫对钾的固定作用,而在玉米芯燃烧过程中相反;硫化亚铁由于对水稻秸秆燃烧的催化作用促进了钾的气相释放;硫酸铵（无机硫）由于难分解出二氧化硫,二甲基砜、噻吩烷砜等有机硫和PVC（有机氯）由于受热快速挥发或分解释放的特性,对钾迁移转化基本无影响。采用Factsage模拟煤中硫、氯对水稻秸秆钾迁移转化的影响,所得规律与实验类似,硫促使钾以稳定硫酸盐形式在灰中固存,氯促使钾以KCl形式向气相释放。在线实验方面,本文采用多点LIBS在线测量系统,对水稻秸秆钾的动态释放进行了多点测量,且研究了煤中硫、氯对水稻秸秆燃烧过程中K动态释放的影响规律,所得结果与离线规律符合较好。水稻秸秆燃烧过程中的K释放可分为挥发分析出燃烧阶段以及剩余焦炭燃烬和灰反应阶段,其中后者为K释放的主要区间;随着测量点半径的增大,可以观察到钾释放曲线下降、释放时间缩短、释放峰逐渐后延;在线测量中K总释放率的略微增加与更高温度下钾的硅铝酸盐进一步分解有关;硫有效抑制了K的动态释放,二甲基砜（有机硫）由于受热易挥发的特性对钾的动态释放无明显影响,硫酸铵（无机硫）在强加热环境下分解出的少量SO2小幅度抑制了钾的动态释放,FeS对燃烧的催化作用促进了K的释放;氯化铵（无机氯）少量促进了钾的释放,PVC（有机氯）的快速分解释放使其对K的动态释放基本无影响。