【摘要】：生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化過程所產(chǎn)生的大量的生物質(zhì)飛灰在高溫時易發(fā)生熔融粘結(jié)和揮發(fā),很容易對鍋爐和相關設備受熱面造成沾污結(jié)渣和腐蝕等危害,從而對生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生嚴重威脅。因此,對生物質(zhì)飛灰的沾污結(jié)渣控制及其脫除等問題展開研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文從現(xiàn)有研究中存在的問題出發(fā),針對生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程由飛灰引起沾污結(jié)渣和腐蝕等危害的防范與控制,對生物質(zhì)在不同熱化學轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生飛灰的顆粒特性、生物質(zhì)的熱解行為以及減少飛灰產(chǎn)生的最優(yōu)化條件、不同生物質(zhì)灰的燒結(jié)和熔融粘結(jié)特性、沾污結(jié)渣特性及其內(nèi)在堿/堿土金屬的熱遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律、生物質(zhì)飛灰顆粒在高溫旋風除塵器中的捕集和脫除等關鍵科學問題展開了深入且系統(tǒng)的基礎性研究,取得了一系列的研究成果。首先以玉米芯、花生殼、稻殼、稻稈等4種常見的生物質(zhì)為研究對象,從生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程飛灰的顆粒特性研究入手,利用激光粒度分析儀、X射線熒光譜儀、X射線衍射儀等檢測技術(shù)對比研究了生物質(zhì)在燃燒和氣化過程所產(chǎn)生飛灰的顆粒粒度、化學組成、晶相結(jié)構(gòu)、元素賦存狀態(tài)等特性,結(jié)合檢測結(jié)果分析了溫度對其礦物學特性的影響,并利用馬弗爐灼燒實驗考察了溫度對灰分含量的影響,以期為防治飛灰沾污結(jié)渣、優(yōu)化高效除灰措施夯實基礎。結(jié)果表明灰化溫度升高,生物質(zhì)飛灰顆粒的粒度降低,而且灰中簡單的礦物晶相發(fā)生化學反應而逐漸導致低熔點共晶體的生成;相同灰化條件下,玉米芯灰中K、Na等堿金屬的含量最高,其次為稻稈灰和花生殼灰,稻殼灰最低;生物質(zhì)氣化過程中析出K的主要形式是KC1,氣化灰的沾污結(jié)渣程度明顯高于其灼燒灰。然后利用熱重-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)研究了生物質(zhì)在熱轉(zhuǎn)化過程中的熱解行為特性,探討了升溫速率、顆粒粒度、氣體流速等參數(shù)對生物質(zhì)熱解及其動力學的影響,在保證熱轉(zhuǎn)化效率的前提下,探討了減少飛灰雜質(zhì)產(chǎn)生的最優(yōu)化條件,可為生物質(zhì)的熱解參數(shù)優(yōu)化及從根本上減少飛灰雜質(zhì)產(chǎn)生等提供科學依據(jù)。揮發(fā)分釋放特性指數(shù)玉米芯稻稈稻殼花生殼,采用Coats-Redfern法對動力學處理得到的結(jié)果與熱重實驗保持良好的一致性;升溫速率和氣體流速增加,最大失重速率增大;粒度d≤450 μm時顆粒的總失重率隨粒度增大而增加;該實驗條件下粒徑為154～280μm的試樣在升溫速率為20℃/min、氣體流速為30-60 mL/min時制備生物質(zhì)燃氣的效果最佳,所產(chǎn)生的飛灰雜質(zhì)相對最少。隨后通過馬弗爐灼燒、灰熔融測試、熱重差熱分析等技術(shù)研究了不同熱轉(zhuǎn)化來源生物質(zhì)灰的燒結(jié)和熔融粘結(jié)規(guī)律,對比分析了灰化溫度、成灰方式、熱解氣氛等對灰熔融特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)灰化溫度越高,灼燒時間越久,生物質(zhì)的灰分含量越低,而其灰熔點升高;溫度高于600℃時,生物質(zhì)灰樣出現(xiàn)燒結(jié)結(jié)構(gòu),815 ℃時,隨灼燒時間增加,灰粒表面逐漸熔化;同一溫度下灼燒時,灰顏色先由黑變?yōu)榛野?最后呈淺紅;氣化灰的熔融過程具有分段失重機制,其總失重和最大失重速率隨氧含量升高而增加;灼燒灰在有氧氣氛中熔融時出現(xiàn)分段失重規(guī)律,而惰性氣氛中未見明顯的分段規(guī)律。在上述研究的基礎上,利用掃描電子顯微鏡和能譜分析聯(lián)用技術(shù)對生物質(zhì)灰在沾污結(jié)渣過程中的微觀結(jié)構(gòu)演化以及堿/堿土金屬的熱遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律進行了研究,同時基于飛灰的顆粒特性、燒結(jié)和熔融粘結(jié)特性、微觀結(jié)構(gòu)演化等分析結(jié)果深入探討了生物質(zhì)灰的沾污結(jié)渣機理,提出了有效減少沾污結(jié)渣的新途徑和新措施,并運用多指標判別法對不同生物質(zhì)灰的沾污結(jié)渣傾向進行了預測和對比,獲得了灰化溫度對沾污結(jié)渣及堿/堿土金屬熱遷移的影響。灰化溫度升高,生物質(zhì)灼燒灰中出現(xiàn)明顯的團聚結(jié)渣,灰渣表面逐漸有堿金屬物質(zhì)析出并以熔融態(tài)存在,進一步加劇灰沾污結(jié)渣現(xiàn)象,而生物質(zhì)氣化灰熔融時,氯化物從飛灰顆粒內(nèi)部析出并移向外表面,這是造成渣塊內(nèi)部多孔和外部凸起結(jié)構(gòu)的主要原因。最后針對生物質(zhì)氣化站旋風除塵器內(nèi)高溫流場運動復雜、飛灰顆粒濃度測量受限等問題,基于計算流體動力學原理,提出了對高溫氣相流場采用RNG-RSM聯(lián)用的強旋湍流模型,對顆粒場采用多相流-單元內(nèi)源項顆粒群模型,以氣化爐產(chǎn)出的高溫粗燃氣為研究對象,借助FLUENT軟件應用氣體-顆粒耦合數(shù)學模型對高溫旋風除塵器內(nèi)風流-飛灰耦合運移規(guī)律進行了模擬研究,獲得了高溫強旋湍流場的三維速度分布和飛灰顆粒的濃度分布規(guī)律,較好地預測了高溫燃氣進口速度與分離效率的關系,結(jié)果表明分離效率隨燃氣進口速度的增加而呈現(xiàn)先升后降的趨勢,模擬結(jié)果與相關實驗數(shù)據(jù)吻合較好,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果提出了適用于高溫旋風除塵器捕集和脫除生物質(zhì)飛灰顆粒的優(yōu)化措施和建議,以減輕后續(xù)設備的沾污結(jié)渣程度,這對于工程實際具有重要實用價值。
【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：X701;TK6
【圖文】：

在能源轉(zhuǎn)化利用過程中，生物質(zhì)燃料被消耗，同時釋放出Ｃ０２，而生物質(zhì)在進行光逡逑合作用時又可以從空氣中吸收等量的Ｃ０２，進而是碳元素返回到土壤中，這就保持了人逡逑氣中Ｃ０２的基本平衡。圖１．１表示以綠色植物為紐帶的碳循環(huán)過程ｍ，由該圖可以看出，逡逑大氣中的Ｃ０２通過植物的光合作用進入到植物體內(nèi)，一部分又通過食物鏈進入到動物體逡逑內(nèi)，然后通過生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化、生物轉(zhuǎn)化降解、動物呼吸等方式回歸到大氣中，進而形成逡逑碳兀素的循環(huán)鏈。閃此，從碳循環(huán)的角度來說，生物質(zhì)能還屬于可以實現(xiàn)ｃｏ２“零排放”逡逑的可再生綠色能源，其開發(fā)與利用越來越為人們所重視。逡逑—？邐Ｃ０，邐■＊—逡逑Ｉ太陽能ｈ邐—Ｔ－逡逑一＋光合作Ｍｊ逡逑＾Ｉ逡逑，邋ｔ邋，逡逑Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ逡逑生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化＾邐綠色植物－★降解邐呼吸逡逑N逡逑動物邋一逡逑１逡逑圖１．１以綠色植物為紐帶的碳循環(huán)過程１３１逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃａｒｂｏｎ邋ｃｙ邋ｃｌｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ａｔ邋ｔｈｅ邋ｂｒｉｄｇｅ邋ｏｆ邋ｇｒｅｅｎ邋ｐｌａｎｔｓ１邋１逡逑生物質(zhì)資源的形式繁多，通常包括１４１：木材和林產(chǎn)加丨：業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄逡逑－１邋－逡逑

邐第丨章緒論逡逑圖１．４國外的生物質(zhì)氣化裝置（ａ）意大利工業(yè)用的氣化爐｜１５１；邋（ｂ）印度實驗用的氣化爐［１６１逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｐｉｃｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋ｂｉｏｍａｓｓ邋ｇａｓｉｆｉｅｒｓ邋（ａ）邋ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ邋ｇａｓｉｆｉｅｒ邋ｉｎ邋ＩｔａＫ１邋（ｂ）邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｇａｓｉｆｉｅｒ邋ｉｎ邋Ｉｎｄｉａ１１１逡逑在國內(nèi)方面，２０丨Ｕ：紀８０年代中期，中國自主研制了由固定床穴化爐和內(nèi)燃機組成逡逑的稻殼發(fā)電機組，形成丫邋２００邋ｋＷ的稻殼氣化發(fā)電機組的產(chǎn)品并得到推廣。２０世紀９０逡逑年代中期，山東省科學院能源研究所建成我國第－個生物質(zhì)氣化站，帶動了相關技術(shù)的逡逑飛躍發(fā)展，目前我國己經(jīng)建成了多座生物質(zhì)氣化站圖１．５所示即為目前國內(nèi)應用逡逑最多、分布最廣的典型生物質(zhì)氣化站的現(xiàn)場圖，該照片分R%表示沈陽市棋盤山閆家村牛邋．逡逑物質(zhì)氣化站（圖１．５（ａ）和（ｂ））和沈陽市遼中縣黃土坎村生物質(zhì)氣化站（圖１．５（ｃ）和（ｄ））。逡逑ｉｉＨ逡逑圖１．５中國典型的生物質(zhì)氣化站（ａＭｂ）：遼寧省沈陽市閆家村氣化站；（ｃ）－（ｄ）：遼中縣黃土坎村氣化站逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ｂｉｏ

管是爆炸事故還是中毒事故，一旦事故發(fā)生都會造成嚴重的人員傷亡與重大的財產(chǎn)損逡逑失。因而，諸如此類事故必須引起足夠的重視。逡逑圖１．７所示為生物質(zhì)氣化站旋風除塵器在高溫流場中被飛灰沾污結(jié)渣而腐蝕損壞的逡逑實物照片。從該圖可以看出，因為沾污結(jié)渣而造成的腐蝕嚴重，旋風除塵器己經(jīng)出現(xiàn)破逡逑損，為了防止生物質(zhì)燃氣的泄漏，不得不停爐并更換新的除塵器。逡逑＿逡逑圖１．７生物質(zhì)氣化站被高溫飛灰沾污結(jié)渣而腐蝕損壞的旋風除塵器逡逑Ｆｉｇ．邋１．７邋Ｃ＼ｃｌｏｎｅ邋ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ邋ｄａｍａｇｅｄ邋ｂ＞邋ｔｈｅ邋ｆｏｕｌｉｎｇ，邋ｓｌａｇｇｉｎｇ，邋ａｎｄ邋ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ邋ｏｆ邋（＼ｙ邋ａｓｈｅｓ邋ａｔ邋ｈｉｇｈ逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｉｎ邋ｂｉｏｍａｓｓ邋ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｓｔａｔｉｏｎ逡逑生物質(zhì)經(jīng)熱轉(zhuǎn)化后剩余的生物質(zhì)灰的大量排放還會造成土壤污染以及資源浪費，而逡逑且在生物質(zhì)氣化站，凈化后焦油的處理以及資源化利用問題也是完善生物質(zhì)氣化系統(tǒng)必逡逑須考慮的問題。圖１．８（ａ）和１．８（ｂ）分別為生物質(zhì)氣化站現(xiàn)場廢棄的生物質(zhì)灰渣以及焦油。逡逑熱轉(zhuǎn)化后殘留的大量生物質(zhì)灰以及焦油等若不及時合理地處理，對環(huán)境也將造成嚴重污逡逑染。Ｖａｓｓｉｌｅｖ等１２４１估算出全球每年僅直接燃燒產(chǎn)生的生物質(zhì)灰量就高達４．７６億ｔ，這些逡逑生物質(zhì)灰的成分復雜

【參考文獻】

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