【摘 要】
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我国“富煤、贫油、少气”的资源结构决定了煤炭在未来较长一段时间内仍将是我国能源消费结构中的支柱型资源。准东煤预测储量高达3900亿吨,大规模开发利用准东煤有利于保障我国的能源安全。但在“双碳”战略目标要求下,需要加强对可再生能源的开发利用。生物质作为可再生能源,是仅次于三大化石能源的第四大能源。大力发展生物质能源有利于改善我国环境污染问题及化石能源危机。大量理论研究及实炉运行数据表明,在循环流化床
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我国“富煤、贫油、少气”的资源结构决定了煤炭在未来较长一段时间内仍将是我国能源消费结构中的支柱型资源。准东煤预测储量高达3900亿吨,大规模开发利用准东煤有利于保障我国的能源安全。但在“双碳”战略目标要求下,需要加强对可再生能源的开发利用。生物质作为可再生能源,是仅次于三大化石能源的第四大能源。大力发展生物质能源有利于改善我国环境污染问题及化石能源危机。大量理论研究及实炉运行数据表明,在循环流化床（Circulating fluidized bed,CFB）中进行煤与生物质掺烧是目前成本较低、前景较好的利用方法之一,但循环流化床燃烧高碱燃料时可能引发床料团聚和灰沉积问题,严重限制其规模化应用。基于此,本文的主要研究内容及结论如下:首先,本文在热重-红外-质谱（TG-FTIR-MS）联用系统中开展了准东煤与柳枝稷、木屑、小麦秸秆的混燃实验,总结了准东煤与生物质的混燃特性以及相关气体产物的析出特性,进行了反应动力学计算,确定了混燃过程的最佳机理函数,建立了准东煤与生物质混燃过程的反应动力学模型。研究表明:（1）柳枝稷、木屑和小麦秸秆均能强化准东煤的燃烧特性,促进准东煤在低温区的放热能力,有利于燃烧前移,使其燃烧过程放热分布更均匀。（2）仅在生物质挥发分析出及燃烧阶段发现小分子可燃物（乙酸（CH3COOH）、甲酸（HCOOH）、甲醇（CH3OH）、乙醛（CH3CHO）和乙烷（CH3CH3））的析出和燃烧,这是因为上述物质为生物质热解的主要产物,一般在低温及氧气不足条件下生成。（3）简单的一级和二级反应机理函数不能正确描述样品燃烧过程。利用Coats-Redfern积分法,对常见的9种机理函数进行反应动力学计算,得到了准东煤与生物质混燃过程对应的最佳机理函数。在上述研究基础之上,在0.2t/d循环流化床燃烧实验台上进行了准东煤与柳枝稷的掺烧实验,研究了柳枝稷添加量对炉膛燃烧状况和污染物气体排放的影响,总结了掺烧过程的床料颗粒团聚和灰沉积特性,阐明了准东煤与生物质掺烧过程的碱金属迁移转化机理。研究表明:（1）柳枝稷的加入使得炉膛高度方向燃烧更加均衡,改善了炉膛高度方向的温度分布,提高了燃烧的均匀性和稳定性,与TG-FTIR-MS分析一致。此外,与纯燃准东煤相比,柳枝稷的加入有效降低了SO2、NO、NOx的排放浓度,并且随着柳枝稷添加量的增加,减排效果越明显。（2）在床料团聚特性方面,循环流化床掺烧过程中出现了明显床料颗粒团聚,但随着柳枝稷添加量的增加,床料团聚并未发生恶化。底渣颗粒主要由未团聚颗粒与团聚粗颗粒组成。未团聚颗粒表面形成一层富含Ca/Mg/Fe的包覆层,而团聚粗颗粒则由大量富含Na/Ca硅酸盐或硅铝酸盐的床料颗粒粘附形成。Ca/Mg/Fe粘性包覆层和低熔点Na/Ca硅酸盐或硅铝酸盐的出现,促进了床料颗粒团聚。（3）通过空冷取样探针模拟实际CFB不同位置的受热面,获得了受热面特性及受热面布置对其的影响。研究发现,炉膛顶部取样探针（1号）表面积灰均呈灰褐色均匀薄层,但两者沉积灰成分存在较大差异。与1号取样探针相比,分离器出口取样探针（2号）表面积灰更为严重,且其迎风面积灰呈明显层状分布,外层由松散细灰组成,而内层则形成致密烧结灰锥,其主要由Na/Ca/Mg硫酸盐和硅铝酸盐类低熔点物质组成。低熔点Na/Ca/Mg矿物质的富集显著增加飞灰的沉积与烧结倾向,诱导受热面沾污结渣。
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