【摘要】：生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程所產(chǎn)生的大量的生物質(zhì)飛灰在高溫時(shí)易發(fā)生熔融粘結(jié)和揮發(fā),很容易對(duì)鍋爐和相關(guān)設(shè)備受熱面造成沾污結(jié)渣和腐蝕等危害,從而對(duì)生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此,對(duì)生物質(zhì)飛灰的沾污結(jié)渣控制及其脫除等問(wèn)題展開(kāi)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文從現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題出發(fā),針對(duì)生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過(guò)程由飛灰引起沾污結(jié)渣和腐蝕等危害的防范與控制,對(duì)生物質(zhì)在不同熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)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(fēng)除塵器中的捕集和脫除等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)了深入且系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(jiàn)的生物質(zhì)為研究對(duì)象,從生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過(guò)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(cè)技術(shù)對(duì)比研究了生物質(zhì)在燃燒和氣化過(guò)程所產(chǎn)生飛灰的顆粒粒度、化學(xué)組成、晶相結(jié)構(gòu)、元素賦存狀態(tài)等特性,結(jié)合檢測(cè)結(jié)果分析了溫度對(duì)其礦物學(xué)特性的影響,并利用馬弗爐灼燒實(shí)驗(yàn)考察了溫度對(duì)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(shí)基礎(chǔ)。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(jiǎn)單的礦物晶相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而逐漸導(dǎo)致低熔點(diǎn)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(guò)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(guò)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(duì)生物質(zhì)熱解及其動(dòng)力學(xué)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(xué)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(duì)動(dòng)力學(xué)處理得到的結(jié)果與熱重實(shí)驗(yàn)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(shí)顆粒的總失重率隨粒度增大而增加;該實(shí)驗(yàn)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(shí)制備生物質(zhì)燃?xì)獾男Ч罴?所產(chǎn)生的飛灰雜質(zhì)相對(duì)最少。隨后通過(guò)馬弗爐灼燒、灰熔融測(cè)試、熱重差熱分析等技術(shù)研究了不同熱轉(zhuǎn)化來(lái)源生物質(zhì)灰的燒結(jié)和熔融粘結(jié)規(guī)律,對(duì)比分析了灰化溫度、成灰方式、熱解氣氛等對(duì)灰熔融特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)灰化溫度越高,灼燒時(shí)間越久,生物質(zhì)的灰分含量越低,而其灰熔點(diǎn)升高;溫度高于600℃時(shí),生物質(zhì)灰樣出現(xiàn)燒結(jié)結(jié)構(gòu),815 ℃時(shí),隨灼燒時(shí)間增加,灰粒表面逐漸熔化;同一溫度下灼燒時(shí),灰顏色先由黑變?yōu)榛野?最后呈淺紅;氣化灰的熔融過(guò)程具有分段失重機(jī)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(shí)出現(xiàn)分段失重規(guī)律,而惰性氣氛中未見(jiàn)明顯的分段規(guī)律。在上述研究的基礎(chǔ)上,利用掃描電子顯微鏡和能譜分析聯(lián)用技術(shù)對(duì)生物質(zhì)灰在沾污結(jié)渣過(guò)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(jìn)行了研究,同時(shí)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(jī)理,提出了有效減少沾污結(jié)渣的新途徑和新措施,并運(yùn)用多指標(biāo)判別法對(duì)不同生物質(zhì)灰的沾污結(jié)渣傾向進(jìn)行了預(yù)測(cè)和對(duì)比,獲得了灰化溫度對(duì)沾污結(jié)渣及堿/堿土金屬熱遷移的影響�；一瘻囟壬�,生物質(zhì)灼燒灰中出現(xiàn)明顯的團(tuán)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(jìn)一步加劇灰沾污結(jié)渣現(xiàn)象,而生物質(zhì)氣化灰熔融時(shí),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(duì)生物質(zhì)氣化站旋風(fēng)除塵器內(nèi)高溫流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、飛灰顆粒濃度測(cè)量受限等問(wèn)題,基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理,提出了對(duì)高溫氣相流場(chǎng)采用RNG-RSM聯(lián)用的強(qiáng)旋湍流模型,對(duì)顆粒場(chǎng)采用多相流-單元內(nèi)源項(xiàng)顆粒群模型,以氣化爐產(chǎn)出的高溫粗燃?xì)鉃檠芯繉?duì)象,借助FLUENT軟件應(yīng)用氣體-顆粒耦合數(shù)學(xué)模型對(duì)高溫旋風(fēng)除塵器內(nèi)風(fēng)流-飛灰耦合運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬研究,獲得了高溫強(qiáng)旋湍流場(chǎng)的三維速度分布和飛灰顆粒的濃度分布規(guī)律,較好地預(yù)測(cè)了高溫燃?xì)膺M(jìn)口速度與分離效率的關(guān)系,結(jié)果表明分離效率隨燃?xì)膺M(jìn)口速度的增加而呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),模擬結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(fēng)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(shè)備的沾污結(jié)渣程度,這對(duì)于工程實(shí)際具有重要實(shí)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X701;TK6
【圖文】：

在能源轉(zhuǎn)化利用過(guò)程中，生物質(zhì)燃料被消耗，同時(shí)釋放出Ｃ０２，而生物質(zhì)在進(jìn)行光逡逑合作用時(shí)又可以從空氣中吸收等量的Ｃ０２，進(jìn)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(guò)程ｍ，由該圖可以看出，逡逑大氣中的Ｃ０２通過(guò)植物的光合作用進(jìn)入到植物體內(nèi)，一部分又通過(guò)食物鏈進(jìn)入到動(dòng)物體逡逑內(nèi)，然后通過(guò)生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化、生物轉(zhuǎn)化降解、動(dòng)物呼吸等方式回歸到大氣中，進(jìn)而形成逡逑碳兀素的循環(huán)鏈。閃此，從碳循環(huán)的角度來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)能還屬于可以實(shí)現(xiàn)ｃｏ２“零排放”逡逑的可再生綠色能源，其開(kāi)發(fā)與利用越來(lái)越為人們所重視。逡逑—？邐Ｃ０，邐■＊—逡逑Ｉ太陽(yáng)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(dòng)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(guò)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(guó)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(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)方面，２０丨Ｕ：紀(jì)８０年代中期，中國(guó)自主研制了由固定床穴化爐和內(nèi)燃機(jī)組成逡逑的稻殼發(fā)電機(jī)組，形成丫邋２００邋ｋＷ的稻殼氣化發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)品并得到推廣。２０世紀(jì)９０逡逑年代中期，山東省科學(xué)院能源研究所建成我國(guó)第－個(gè)生物質(zhì)氣化站，帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的逡逑飛躍發(fā)展，目前我國(guó)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(guó)內(nèi)應(yīng)用逡逑最多、分布最廣的典型生物質(zhì)氣化站的現(xiàn)場(chǎng)圖，該照片分R%表示沈陽(yáng)市棋盤(pán)山閆家村牛邋．逡逑物質(zhì)氣化站（圖１．５（ａ）和（ｂ））和沈陽(yáng)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(guó)典型的生物質(zhì)氣化站（ａＭｂ）：遼寧省沈陽(yáng)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(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡與重大的財(cái)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(fēng)除塵器在高溫流場(chǎng)中被飛灰沾污結(jié)渣而腐蝕損壞的逡逑實(shí)物照片。從該圖可以看出，因?yàn)檎次劢Y(jié)渣而造成的腐蝕嚴(yán)重，旋風(fēng)除塵器己經(jīng)出現(xiàn)破逡逑損，為了防止生物質(zhì)燃?xì)獾男孤�，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(fēng)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(huì)造成土壤污染以及資源浪費(fèi)，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(wèn)題也是完善生物質(zhì)氣化系統(tǒng)必逡逑須考慮的問(wèn)題。圖１．８（ａ）和１．８（ｂ）分別為生物質(zhì)氣化站現(xiàn)場(chǎng)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(shí)合理地處理，對(duì)環(huán)境也將造成嚴(yán)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(dá)４．７６億ｔ，這些逡逑生物質(zhì)灰的成分復(fù)雜

【參考文獻(xiàn)】

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6 周衛(wèi)紅;陳冠益;馬隆龍;顏蓓蓓;夏宗鵬;;農(nóng)村生物質(zhì)氣化燃?xì)夥稚⒐┡?jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2014年14期

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9 姚錫文;鹿廣利;;大傾角綜放面粉塵濃度分布規(guī)律的數(shù)值模擬[J];煤礦安全;2013年02期

10 姚錫文;李興;鹿廣利;;大傾角綜放工作面風(fēng)流場(chǎng)及粉塵場(chǎng)的數(shù)值模擬[J];礦業(yè)安全與環(huán)保;2013年01期

本文編號(hào)：2765444