生物質(zhì)能作為一種可再生能源,其大規(guī)模利用有可能滿足各種能源需求,同時能減少CO2的排放。目前,生物質(zhì)直接燃燒是生物質(zhì)能應(yīng)用最簡單可行的直接利用,但長期以來,生物質(zhì)直接燃燒溫度偏低和能量利用效率不高的缺點使得其推廣應(yīng)用受到了一定限制。將生物質(zhì)破碎成微米燃料(BMF),開發(fā)生物質(zhì)微米燃料(BMF)高溫高效燃燒技術(shù),可進一步促進生物質(zhì)的工業(yè)化應(yīng)用和溫室氣體的減排。 本文選取生物質(zhì)微米燃料鋸末及其半焦作為原料,為進一步提高其旋風燃燒溫度,先添加其熱值較高的半焦與之混燃,然后通過預熱空氣提高爐膛溫度模擬煙氣再循環(huán)技術(shù),并探討了生物質(zhì)微米燃料煅燒水泥的可行性；同時,建立的燃燒動力學模型為進一步建立綜合的燃燒數(shù)學模型打下了基礎(chǔ)。論文具體研究工作如下： (1)生物質(zhì)的揮發(fā)分高,著火性能和燃盡性能較好,但能量密度低；半焦固定碳含量高,熱值高,但揮發(fā)分低,著火性能較差。生物質(zhì)與其半焦混燃有助于各補其短,半焦可以補充生物質(zhì)的較低熱值,而生物質(zhì)將有助于半焦提前著火。 (2)采用熱重分析儀對生物質(zhì)微米燃料在不同升溫速率下的熱解、燃燒失重特性進行了分析。研究結(jié)果表明：生物質(zhì)微米燃料綜合反應(yīng)活性隨升溫速率增加而提高。最大反應(yīng)速率隨著升溫速率的增大呈線性增大趨勢。在此基礎(chǔ)上,建立了生物質(zhì)微米燃料熱解和燃燒的動力學模型。該模型通過三個主要組分半纖維素、纖維素和木質(zhì)素熱解的獨立平行反應(yīng),可以比較準確的描述生物質(zhì)微米燃料的二段燃燒過程：第一段類似于其熱解過程,第二段是木質(zhì)素熱解殘焦燃燒,其活化能較高。研究發(fā)現(xiàn),實驗結(jié)果與通過該模型的非線性回歸法擬合獲得的結(jié)果基本一致,證實了BMF的熱解、燃燒過程中確實存在著上述假定的反應(yīng)機理。 (3)通過熱重分析研究了生物質(zhì)微米燃料和其半焦混燃特性,研究結(jié)果表明混燃各單組分間有協(xié)同促進作用,能改善單一組分的可燃性。在綜合熱分析基礎(chǔ)上,考察了空氣當量比、粒徑、含水率、生物質(zhì)半焦添加比例對生物質(zhì)微米燃料旋風爐燃燒爐膛溫度、煙氣及灰分的影響。試驗研究發(fā)現(xiàn)空氣當量比為1.2,粉體粒徑在0.177mm(即80目)以下,生物質(zhì)含水率控制在8.1%以下,生物質(zhì)半焦添加比例為20%,燃燒效果更好,燃燒經(jīng)濟成本合理,燃燒效率高于成型燃料的燃燒效率,燃燒煙氣中NOx和S02等有害氣體的含量較少。 (4)在上述實驗研究的基礎(chǔ)上,初步開展了基于生物質(zhì)微米燃料煅燒水泥的應(yīng)用研究。相應(yīng)條件下,通過空氣預熱,爐膛溫度可提高到1360℃以上,可滿足水泥煅燒的基本溫度要求。并初步獲得了成分符合要求的水泥熟料,驗證了其可行性。但對該系統(tǒng)的能量評估表明：裝置的燃燒效率較低,主要是由于排煙熱損失導致的。 (5)為了降低排煙熱損失,可通過循環(huán)煙氣加熱空氣,提高生物質(zhì)燃燒溫度和能量利用效率。為此,利用TG-DTA、TG-MS、GC等技術(shù),初步研究生物質(zhì)燃燒煙氣再循環(huán)技術(shù)。先利用TG-DTA對比分析了O2/CO2與空氣氣氛(不同氧氣濃度條件下)對生物質(zhì)著火模式、燃燒特性的影響。結(jié)果表明：在O2/CO2氣氛下,隨著氧氣的濃度增加,BMF的著火模式是從聯(lián)合著火轉(zhuǎn)變?yōu)榫嘀鹉Ｊ�；最大燃燒速率增�?著火點提前,且燃燒時間縮短。同時,CO2氣氛有助于抑制NOx生成。進一步在管式固定床上考察了O2/CO2燃燒的初級階段——氣化的影響因素。實驗結(jié)果表明：高溫、較小粒徑以及CO2氣氛有利于生物質(zhì)0氣化反應(yīng)的進行。氣化比熱解氣氛下產(chǎn)生的可燃氣體多,半焦產(chǎn)量少,有利于推進整個燃燒過程的進行,從而有望提高生物質(zhì)燃燒溫度,減少環(huán)境污染。故O2/CO2燃燒有望提高生物質(zhì)燃燒溫度,減少環(huán)境污染。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：TK6

【參考文獻】

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1 閔凡飛,張明旭;生物質(zhì)燃燒模式及燃燒特性的研究[J];煤炭學報;2005年01期

本文編號：2822368