生物質能轉化利用可以有效緩解當今人類面臨的能源與環(huán)境問題,生物質直接燃燒是目前有望迅速實現(xiàn)生物質大規(guī)模轉化利用的技術途徑之一。我國是農業(yè)大國,擁有豐富的秸稈類生物質資源,開發(fā)秸稈類生物質燃燒技術是必然的要求。然而,秸稈含有比其它生物質更高的活潑元素-K、Cl、S,活潑元素在燃燒中易引發(fā)結渣、團聚、沉積和高溫腐蝕等堿金屬問題,堿金屬問題是目前制約秸稈直燃技術工業(yè)化應用的關鍵問題之一�？紤]到流態(tài)化燃燒技術固有的技術優(yōu)勢在秸稈直接燃燒中具有潛在的價值,本文對秸稈的流態(tài)化燃燒方案和相關規(guī)律進行了探索,對制約秸稈流態(tài)化燃燒技術發(fā)展的堿金屬相關特性進行了多方位的研究,主要包括生物質灰的低融特性、熔融結渣判別與緩解措施、床料團聚規(guī)律以及活潑元素在燃燒中的轉化遷徙規(guī)律等。 首先,本文對生物質的灰特性進行了研究。通過研究發(fā)現(xiàn),在表征生物質灰特性的灰成分分析中,應該采用低于600℃的低溫成灰以減少活潑元素的揮發(fā)損失,同時在表示堿金屬相關組成時采用堿金屬的氯化物(ACl)與氧化物(A20)共同表示會更加合理,可以大大減少分析偏差。針對不同程度結渣灰在定量描述和橫向對比時存在的困難,通過一步成灰法和灰強度測試,建立了灰燒熔強度指數(shù)(SII)的計算方法,并以此為基礎,按照常見秸稈的臨界結渣溫度(TSmf)對秸稈進行了燃燒風險級別劃分。還通過向稻草和麥草木素中分別添加不同類型的添加劑,研究了添加劑對緩解生物質灰結渣的效果與機理。 其次,通過在小型鼓泡流化床(BFB)試驗臺上調整燃燒溫度、床料粒徑、床料種類、流化數(shù)以及給料方式等研究了各參數(shù)對床料團聚時間的影響規(guī)律。通過顯微鏡觀察團聚顆粒發(fā)現(xiàn),秸稈灰的黏性熔融是導致床料團聚的直接原因,團聚發(fā)生時間受燃燒溫度影響最大。通過對運行參數(shù)進行優(yōu)化組合,如采用低溫燃燒、小床料粒徑高流化數(shù)運行,可以有效緩解床料團聚的發(fā)生。通過研究床料團聚特性,借鑒硅酸鹽的燒結機理,根據(jù)能量守恒定律、顆粒表面自由能最低原理和黏性流動傳質機理,建立了將流態(tài)化運行參數(shù)與顆粒黏結能量變化規(guī)律相耦合的團聚時間計算模型。通過對BFB試驗臺團聚試驗工況的驗證計算,發(fā)現(xiàn)該計算模型具有較好的理論指導價值。通過模型計算結果發(fā)現(xiàn),在低溫段(750℃以下)床料粒徑、給料量、燃料品種等對團聚時間影響比較明顯,但在高溫段(850℃以上)其它運行參數(shù)的調整對團聚發(fā)生時間影響很小,幾乎失效。 然后,為了進一步了解流態(tài)化燃燒中引發(fā)堿金屬問題的活潑元素的性質,通過稻秸稈的固定床燃燒實驗,研究了不同溫度和停留時間下稻秸中鉀的轉化遷徙規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在700～800℃之間有效鉀的轉化損失份額大幅度上升。通過20kWth循環(huán)流化床(CFB)燃燒試驗臺進行了21h的稻草低溫燃燒實驗,對CFB系統(tǒng)中活潑元素在的分布進行了測試和平衡計算,發(fā)現(xiàn)低溫流態(tài)化燃燒中床層內的物料以及鉀元素經過一定時間的積累后可以達到動態(tài)平衡,生物質灰絕大部分以飛灰形式存在,且飛灰中90%以上的鉀保持了水溶性狀態(tài)；同時,通過對比燃料、飛灰和煙氣中有機硫和無機硫的比例,發(fā)現(xiàn)在秸稈流態(tài)化燃燒過程具有一定的脫硫效果。在此基礎上,通過中試規(guī)模CFB試驗臺對稻草進行了低溫和高溫燃燒實驗,驗證了團聚規(guī)律實驗以及活潑元素實驗中得出的相關結論。 最后,針對秸稈直燃示范工程項目的運行情況進行了簡要介紹,通過運行中后檢查發(fā)現(xiàn),該示范工程項目的CFB鍋爐能夠適用于多種生物質燃料的高效燃燒,也沒有出現(xiàn)床料團聚問題的困擾；通過運行后檢查發(fā)現(xiàn),鍋爐高溫受熱面和尾部受熱面的沉積和腐蝕也比較輕,并不影響正常運行。該示范工程的成功運行進一步驗證了前期流態(tài)化燃燒試驗中的結論,也充分說明低溫流態(tài)化燃燒技術為秸稈的大規(guī)模轉化利用開辟了一條新的途徑。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2009
【中圖分類】：TK6
【部分圖文】：

國生物質資源總量為14.46億噸，其中農作物秸稈總量為7.05億噸。在這里，桔稈是泛指農作物經過加工取出籽粒后的剩余物，其種類也很多，可以包括稻草和稻殼、玉米稈和玉米芯、豆類、薯類、油料類和搪類作物的剩余物等。我國生物質的構成比例如圖1一2所示，農作物桔稈類生物質是我國生物質資源的主體。我國農作物秸稈資源主要集中在河南、山東、廣西、黑龍江、江蘇、河北等地區(qū)。我國的農作物秸稈有一部分秸稈作為肥料進行還田，另一部分用作動物飼料和工業(yè)原料，其余的一半以上可以用作能源來使用。據(jù)統(tǒng)計，2006年可以用作能源的秸稈資源為3.7億噸，其中有近2億噸秸稈被農民在民用爐灶內直接燃燒用來炊事和取暖，其余的秸稈則多是廢棄在田間或就地焚燒[l‘，’2]。雖然我國的生物質資源總量很大，但與目前我國一次能源中的化石燃料的消費量相比，生物質能所占份額只占到17%左右。在商業(yè)用能中

生物質能源化轉化技術可以將生物質原料轉化為高品位能源。生物質轉化技術多種多樣，分類的方法比較多，通常將生物質轉化技術按照轉化形式分為直接燃燒技術、熱化學轉化、生化轉化等幾大類，如圖1一3所示。致致密成型技術術圖1一3生物質能源化利用技術分類圖L3.1生物質燃燒技術生物質燃燒技術是最常見的生物質能源轉化技術，生物質燃燒技術的直接目的是為了獲得熱量，其過程一般分4個階段:①水的蒸發(fā);②揮發(fā)分的析出;③氣相揮發(fā)分的燃燒;④固體碳素殘留物的燃燒。

一4]技術水準和產業(yè)化水平低，與發(fā)達國家相比還有很大差距。圖1一2我國的生物質能結構比例1.3生物質能源轉化利用方式生物質能源化轉化技術可以將生物質原料轉化為高品位能源。生物質轉化技術多種多樣，分類的方法比較多，通常將生物質轉化技術按照轉化形式分為直接燃燒技術、熱化學轉化、生化轉化等幾大類，如圖1一3所示。致致密成型技術術圖1一3生物質能源化利用技術分類圖L3.1生物質燃燒技術生物質燃燒技術是最常見的生物質能源轉化技術，生物質燃燒技術的直接目的是為了獲得熱量，其過程一般分4個階段:①水的蒸發(fā);②揮發(fā)分的析出;③氣相揮發(fā)分的燃燒;④固體碳素殘留物的燃燒。
【引證文獻】

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1 曾磊赟;生物質渦旋燃燒飛灰顆粒特性研究[D];浙江大學;2014年

本文編號：2840286