秸稈燃燒結(jié)渣特性及堿金屬遷移規(guī)律研究.pdf

1、生物質(zhì)能的規(guī)模化利用對(duì)于解決傳統(tǒng)化石能源的短缺以及化石能源利用引起的環(huán)境污染問(wèn)題具有重大意義。秸稈是主要的農(nóng)業(yè)廢棄物，也是生物質(zhì)能源的重要組成部分，秸稈燃燒發(fā)電是生物質(zhì)能規(guī)?；玫挠行緩?，循環(huán)流化床是秸稈燃燒的主要設(shè)備之一。 本文針對(duì)秸稈流化床燃燒結(jié)渣特性、秸稈燃燒過(guò)程中堿金屬的遷移規(guī)律以及污染物排放進(jìn)行試驗(yàn)和模型研究。首先通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)研究了棉稈的成灰特性和棉稈灰與床料的相互作用。分別在600℃和800℃條件下，在馬費(fèi)爐中制

2、取棉稈灰，對(duì)灰樣進(jìn)行XRD分析，發(fā)現(xiàn)棉稈灰的主要物相是K<,2>SO<,4>和KCl，將這兩種化合物分別/共同與石英砂、高鋁顆?；旌响褵?。煅燒結(jié)果表明：當(dāng)僅有KCl和K<,2>SO<,4>同時(shí)存在時(shí)，在800℃下就會(huì)發(fā)生完全共熔現(xiàn)象；當(dāng)K<,2>SO<,4>和石英砂床料并存時(shí)不會(huì)發(fā)生熔融現(xiàn)象，當(dāng)KCl與石英砂床料并存時(shí)，雖然和床料會(huì)燒結(jié)在一起，但是燒結(jié)強(qiáng)度很低，幾乎不能成塊，當(dāng)摻入Al<,2>O<,3>后，可以有效的減輕燒結(jié)現(xiàn)象；當(dāng)KC

3、l、K<,2>SO<,4>和SiO<,2>混合在一起時(shí)，800℃下會(huì)發(fā)生局部熔融的現(xiàn)象；K<,2>SO<,4>、Al<,2>O<,3>和SiO<,2>這三種物質(zhì)在一起時(shí)，在800℃下依然呈松散狀態(tài)；當(dāng)Al<,2>O<,3>、SiO<,2>、KCl和K<,2>SO<,4>四種物質(zhì)混合在一起的時(shí)候，在800℃下呈輕微軟化狀態(tài)。 在掌握了棉稈灰與床料的靜態(tài)結(jié)渣特性基礎(chǔ)上，進(jìn)行了流化床棉稈燃燒過(guò)程中的結(jié)渣特性試驗(yàn)。試驗(yàn)是在熱輸入為200

4、KW循環(huán)流化床試驗(yàn)裝置上進(jìn)行的，分別采用石英砂和高鋁顆粒作為床料，在相同的床層溫度、流化風(fēng)速、靜止床高、過(guò)量空氣系數(shù)等試驗(yàn)條件下，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中按不同時(shí)間進(jìn)行床料取樣，采用XRF、SEM/EDS分析床料化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明：流化床燃燒棉稈時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種床料顆粒中都會(huì)富集越來(lái)越多的堿性金屬元素；選用傳統(tǒng)的石英砂顆粒作為床料時(shí)，棉稈灰中的堿金屬鹽、堿土金屬鹽會(huì)吸附在石英砂顆粒表面并和Si02

5、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成低共熔點(diǎn)的硅酸鹽，在高溫下熔化的硅酸鹽又會(huì)吸附大量的棉稈灰形成一定厚度的粘連層，當(dāng)粘連層的粘力大到可以使相互碰撞的床料顆粒粘在一起后，就會(huì)產(chǎn)生大量的結(jié)渣，在累積運(yùn)行21h后，流化嚴(yán)重惡化；選用高鋁顆粒作為床料時(shí)，由于高鋁顆粒只含有少量的SiO<,2>，同時(shí)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上是多孔的，SiO<,2>在高鋁顆粒的內(nèi)部分布基本均勻，不會(huì)在顆粒表面形成大量的低熔點(diǎn)的化合物，因此不易產(chǎn)生結(jié)渣，在累積運(yùn)行38h后，流化狀態(tài)依然良好。為了

6、深入理解結(jié)渣機(jī)理，并進(jìn)一步考察燃燒溫度、床料顆粒粒徑、流化速度等因素對(duì)結(jié)渣的影響，建立了結(jié)渣數(shù)學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明：燃燒溫度對(duì)初始結(jié)渣時(shí)間的影響程度最大，隨著溫度的升高，初始結(jié)渣時(shí)間迅速縮短；床料顆粒粒徑對(duì)初始結(jié)渣時(shí)間的影響趨勢(shì)與床溫的影響相同，但影響程度明顯輕于床溫的作用；流化速度的增大能夠延長(zhǎng)初始結(jié)渣時(shí)間。 秸稈燃燒過(guò)程中堿金屬是引起結(jié)渣的主要因素，因此在10KW<,th>流化床燃燒試驗(yàn)裝置上對(duì)兩種常見(jiàn)秸稈燃料進(jìn)行了堿金屬遷

7、移規(guī)律的試驗(yàn)研究，研究了溫度和過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)堿金屬遷移規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明：溫度是影響堿金屬遷移最重要的因素，隨著溫度的升高，氣相堿金屬含量有較大幅度的升高，床料中堿金屬含量降低；過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)堿金屬的析出、遷移也有影響，影響程度沒(méi)有溫度顯著，氣相中堿金屬含量隨過(guò)量空氣系數(shù)增大而增加，床料中堿金屬含量降低；稻稈燃燒過(guò)程中出現(xiàn)了低溫結(jié)焦現(xiàn)象，加入高嶺土添加劑后有利于抑制結(jié)焦的發(fā)生。 本文運(yùn)用最小自由焓原理，對(duì)秸稈流化床燃燒過(guò)程

8、中堿金屬遷移規(guī)律進(jìn)行了模擬，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)條件無(wú)法滿足的高溫區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果表明：溫度對(duì)堿金屬釋放量的影響比較大，隨著溫度的升高，氣態(tài)堿金屬的含量逐漸增大，相應(yīng)的凝固態(tài)的堿金屬量減少；氣態(tài)和凝固態(tài)堿金屬的主要存在形式為KCl和NaCl，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到750℃后，秸稈燃燒后的堿金屬開(kāi)始向氣態(tài)中大量釋放；當(dāng)溫度高于1050℃后，開(kāi)始產(chǎn)生NaOH、KOH和Na<,2>SO<,4>，但是相對(duì)于堿金屬氯化物的含量而言，氫氧化物和硫酸鹽的含量相

9、對(duì)很少。氣態(tài)堿金屬化合物中基本沒(méi)有K<,2>SO<,4>存在；隨著反應(yīng)器壓力的增加，氣態(tài)堿金屬含量不斷下降，低壓段時(shí)壓力的影響更加明顯，相應(yīng)的凝固態(tài)堿金屬元素K、Na含量則不斷上升；秸稈釋放出來(lái)的堿金屬和床料中的SiO<,2>發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了低熔點(diǎn)的四硅酸鉀和二硅酸鈉，并且生成量隨溫度的升高而增大。秸稈燃燒時(shí)NO<,x>、HCl氣體的釋放會(huì)惡化環(huán)境。在10KW<,th>小型流化床設(shè)備上進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，針對(duì)秸稈的流化床燃燒過(guò)程中氣態(tài)污

10、染物的產(chǎn)生規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：隨著溫度增加，NO的排放濃度增加并逐漸趨于平緩，而N<,2>O的排放濃度則快速下降；隨著過(guò)?？諝獾脑黾?，NO的排放濃度升高，而N<,2>O的排放濃度依然處于一個(gè)較低的水平；NO、N<,2>O的排放濃度都隨物料中的N含量的增加而增大；HCl在600℃下已經(jīng)釋放出來(lái)；過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)HCl排放濃度的影響比較復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單的以線性關(guān)系來(lái)表示；加入CaO后，HCl的濃度下降明顯，CaO對(duì)HCl的脫除效率可達(dá)