【摘 要】
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生物质能属于可再生能源,具有CO2零排放、储量丰富等优势。面对日益严峻的化石能源紧缺和环境污染问题,生物质能展现出良好的应用前景。生物质直燃技术是生物质能高效大规模应用的主要方式,但在燃烧中碱金属(主要为钾,K)的逸出会导致换热器表面粘污、腐蚀,设备结渣,颗粒物排放高等问题,严重影响了生物质的大规模应用。本文针对生物质燃烧中K的逸出规律展开研究(主要包括K的蒸发和挥发分对K的携带),为解决K逸出引
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生物质能属于可再生能源,具有CO2零排放、储量丰富等优势。面对日益严峻的化石能源紧缺和环境污染问题,生物质能展现出良好的应用前景。生物质直燃技术是生物质能高效大规模应用的主要方式,但在燃烧中碱金属(主要为钾,K)的逸出会导致换热器表面粘污、腐蚀,设备结渣,颗粒物排放高等问题,严重影响了生物质的大规模应用。本文针对生物质燃烧中K的逸出规律展开研究(主要包括K的蒸发和挥发分对K的携带),为解决K逸出引起的工业问题提供理论支持。首先,研究了玉米秸燃烧中挥发分逸出对氯化钾(KCl)的携带作用。采用管式炉在500/550/600/650°C的温度条件下,对玉米秸/玉米秸+KCl进行了燃烧实验,并对燃烧底灰进行X射线荧光检测(XRF)。采用灰以及灰元素的质量守恒分析方法,计算了KCl的携带率。结果表明:玉米秸燃烧中挥发分会将2%到5%的KCl携带到气相中。携带率受温度影响,550°C时携带率达到最大值(5%)。其次,测得了生物质灰在高温阶段KCl的逸出速率。分别对秸秆灰(玉米秸/小麦秸)/秸杆灰+KCl,在同步热分析仪(STA,900/950°C)及管式炉中(TF,800/850/900/925°C)进行灼烧实验。分析热重(TG)、微分热重(DTG)曲线,计算出KCl的逸出速率。结果表明:(1)温度由800°C升至925°C,KCl的逸出速率扩大约6倍。(2)玉米秸灰和小麦秸灰中KCl逸出速率之间的差异可以忽略。(3)控制生物质的固相低温燃烧,可以有效抑制KCl的逸出。在此基础上,建立了生物质灰在高温阶段KCl逸出的分散熔化模型。该模型中KCl均匀分布于秸秆灰中,并以蒸发的方式逸出。通过编写代码来计算KCl的逸出速率,结合STA、TF及文献中的实验数据对模型进行验证,并将模型结果与课题组前期建立的KCl蒸发的集中熔化模型进行对比。结果表明:(1)分散熔化模型与实验吻合良好,相对误差<15%。(2)与集中熔化模型相比,分散熔化模型的应用范围更广,特别是在KCl浓度低、燃烧温度高、灰体积大的条件下。(3)该模型物理实质清晰,可推广应用到生物质燃烧中其他无机成分逸出过程的分析和计算。最后,为研究生物质燃烧中K逸出模型的异同,针对现有几种常见的蒸发和动力学模型编写K逸出速率的计算程序,并结合秸秆灰在STA中的实验对各模型进行了对比分析。结果表明:(1)蒸发模型和张/曹的动力学模型,都能较准确的预测秸秆中K的逸出随温度变化的规律。(2)Peters模型的最大值出现时刻向低温处偏离,而Fatehi模型的向高温处偏离。(3)各动力学模型和实验表明,在900~950°C内秸秆中K的含量及升温速率的影响要大于终温对K逸出速率的影响。
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