作為一種儲量巨大、極具利用潛力的可再生能源,生物質(zhì)是應(yīng)對能源危機和溫室效應(yīng)的極佳選擇。生物質(zhì)資源的使用雖然可以有效減少溫室氣體的排放,但是燃燒過程中會產(chǎn)生一定量的細微顆粒物,從而污染大氣環(huán)境。鑒于此,本研究依托國家自然科學(xué)基金項目“生物質(zhì)成型燃料燃燒顆粒物形成機理研究”,研究生物質(zhì)及其成型燃料燃燒過程中顆粒物的生成機理,并研究了復(fù)合添加劑和混合成型對顆粒物產(chǎn)生的影響,基于此提出了顆粒物的控制措施,對生物質(zhì)的高效燃燒和清潔利用有重要的意義。首先,研究了生物質(zhì)顆粒的燃燒特性和動力學(xué)機理,采用熱重分析儀研究了生物質(zhì)粉末與成型燃料的燃燒失重特性,并結(jié)合熱分析動力學(xué)中的非等溫法和malek判別法探討了成型對燃燒過程動力學(xué)機理的影響。研究發(fā)現(xiàn)成型減緩了揮發(fā)分的釋放,導(dǎo)致?lián)]發(fā)分的著火延遲,進而使得揮發(fā)分的燃燒與固定碳的燃燒發(fā)生重疊,從而提升了燃燒過程第一階段的失重速率,造成這一階段的失重峰更加劇烈。而在揮發(fā)分燃燒結(jié)束后,殘留的固定碳的燃燒形成了第二個失重峰,造成燃燒過程第二階段的失重峰較為微弱。生物質(zhì)樣品不同,其燃燒動力學(xué)機理不同,棉稈成型燃料的燃燒主要由擴散機理模型主導(dǎo),而玉米稈成型燃料則由反應(yīng)級數(shù)模型控制。稻殼成型燃料燃燒的前半階段屬于擴散機理模型,而后半段則屬于反應(yīng)級數(shù)模型。樟木成型燃料燃燒初期屬于擴散機理模型,隨著燃燒的進行轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)級數(shù)模型,最后又轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘟缑婺Ｐ汀＝又?為了研究生物質(zhì)粉末燃燒過程中顆粒物的形成機制以及生物質(zhì)種類和燃燒溫度的影響,采用滴管爐燃燒反應(yīng)系統(tǒng),使用低壓撞擊器(DLPI)收集燃燒產(chǎn)生的顆粒物樣品,并使用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和離子色譜(IC)分析了顆粒物樣品中的無機礦物質(zhì)的元素含量,最后結(jié)合環(huán)境掃描電鏡(ESEM)觀測了顆粒物的形貌特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物燃燒產(chǎn)生的顆粒物主要是由小于1微米的亞微米顆粒組成,主要通過KCl和K_2SO_4氣化-冷凝而成。但是林業(yè)廢棄物樟木燃燒產(chǎn)生的顆粒物卻主要由PM_(1-10)組成,堿土金屬和Si在燃燒過程中的直接轉(zhuǎn)化以及對應(yīng)硅酸鹽、磷酸鹽的破碎/聚并是其主要生成機制。隨后,在固定床上研究了成型以及成型過程中粘結(jié)劑的添加對于生物質(zhì)燃燒過程中顆粒物形成和排放特性的影響。使用環(huán)境掃描電鏡和能譜分析(ESEM-EDS)分析了顆粒物中的元素組成,并運用X射線熒光光譜分析(XRF)和X射線衍射儀(XRD)分析了底灰中的元素組成和結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明四種生物質(zhì)成型燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物主要由亞微米顆粒物PM_1組成。粘結(jié)劑CMC的添加,明顯增加了燃燒過程中PM_1的生成量。對于棉稈成型燃料而言,三種粘結(jié)劑(CMC、膨潤土和木質(zhì)素磺酸鈣)作為粘結(jié)劑使用時都會造成PM_1排放的增加,尤其是CMC和木質(zhì)素磺酸鈣,增加量十分明顯。隨后,為了降低生物質(zhì)成型燃料燃燒過程中顆粒物的排放,引入了三種無機礦物質(zhì)添加劑,研究了無機礦物質(zhì)的添加對于生物質(zhì)燃燒過程中顆粒物排放特性的影響。三種無機礦物質(zhì)中,硅藻土減少亞微米顆粒物排放的效果最明顯,減排量高達18.7%;高嶺土對于亞微米顆粒物的也有一定的抑制效果,但是并不顯著;氫氧化鈣則大大提升了PM_(10)的排放。為了控制顆粒物的排放,選取了硅藻土和CMC粘結(jié)劑制備復(fù)合添加劑,研究了復(fù)合添加劑對于顆粒物生成的抑制作用。復(fù)合添加劑(CMC+硅藻土)有效的降低了顆粒物的排放量,本實驗條件下,當CMC和硅藻土的配比為1/4時,顆粒物的減排效果最佳,CMC和硅藻土之間的交互作用也最顯著。最后,結(jié)合稻殼顆粒富Si特性,研究了稻殼與生物質(zhì)混合成型燃料燃燒過程中顆粒物的形成特性。研究發(fā)現(xiàn)棉稈和稻殼在燃燒過程中的交互作用并不明顯,玉米稈和稻殼之間的交互作用主要抑制了PM_(0.1-1)的生成。三種混合成型燃料中,樟木/稻殼混合成型燃料之間的交互作用對于PM_1生成的抑制效果最明顯。該研究成果對生物質(zhì)燃燒過程中顆粒物形成機理的了解有著重要的意義,同時對生物質(zhì)燃燒顆粒物排放控制提供了有效的方法和科學(xué)的指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK16
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文成機制，并分析了粘結(jié)劑和無機礦物質(zhì)對于燃燒過程中顆粒物生成的影響機制。隨后探究并驗證了復(fù)合添加劑和混合成型燃料在降低顆粒物排放方面有積極的作用。最后討論了本研究目前存在的不足之處，并對后續(xù)研究提供了一些有益的建議。

42Figure 3-6 The typical SEM images of PM from combustion of four biomass fuels (1273K)(a)(b)(c) 0.094, 0.61, 1.58 μm for cotton stalk; (d)(e)(f) 0.61, 1.58, 3.95 μm for cornstalk; (g)(h)(i) 0.094,0.61, 1.58 μm for rice husk; and (j)(k)(l) 0.094, 0.61, 1.58 μm for camphorwood圖 3-6 四種生物質(zhì)燃燒（1273K）產(chǎn)生顆粒物的典型形貌棉稈：(a) 0.094 μm, (b) 0.61 μm, (c) 1.58 μm；玉米稈：(d) 0.61 μm, (e) 1.58μm, (f) 3.95 μm稻殼：(g) 0.094 μm, (h) 0.61 μm, (i) 1.58 μm；樟木：(j) 0.094 μm, (k) 0.61 μm, (l) 1.58 μm

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本文編號：2815568