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緩剑h(huán)流化床是秸稈燃燒的主要設(shè)備之一。 本文針對秸稈流化床燃燒結(jié)渣特性、秸稈燃燒過程中堿金屬的遷移規(guī)律以及污染物排放進行試驗和模型研究。首先通過靜態(tài)試驗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，在馬費爐中制

2、取棉稈灰，對灰樣進行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：當僅有KCl和K<,2>SO<,4>同時存在時，在800℃下就會發(fā)生完全共熔現(xiàn)象；當K<,2>SO<,4>和石英砂床料并存時不會發(fā)生熔融現(xiàn)象，當KCl與石英砂床料并存時，雖然和床料會燒結(jié)在一起，但是燒結(jié)強度很低，幾乎不能成塊，當摻入Al<,2>O<,3>后，可以有效的減輕燒結(jié)現(xiàn)象；當KC

3、l、K<,2>SO<,4>和SiO<,2>混合在一起時，800℃下會發(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，在800℃下依然呈松散狀態(tài)；當Al<,2>O<,3>、SiO<,2>、KCl和K<,2>SO<,4>四種物質(zhì)混合在一起的時候，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，進行了流化床棉稈燃燒過程中的結(jié)渣特性試驗。試驗是在熱輸入為200

4、KW循環(huán)流化床試驗裝置上進行的，分別采用石英砂和高鋁顆粒作為床料，在相同的床層溫度、流化風速、靜止床高、過量空氣系數(shù)等試驗條件下，進行長時間連續(xù)穩(wěn)定試驗。在試驗過程中按不同時間進行床料取樣，采用XRF、SEM/EDS分析床料化學成分和微觀結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明：流化床燃燒棉稈時，隨著運行時間的延長，兩種床料顆粒中都會富集越來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，棉稈灰中的堿金屬鹽、堿土金屬鹽會吸附在石英砂顆粒表面并和Si02

5、發(fā)生化學反應(yīng)，生成低共熔點的硅酸鹽，在高溫下熔化的硅酸鹽又會吸附大量的棉稈灰形成一定厚度的粘連層，當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，就會產(chǎn)生大量的結(jié)渣，在累積運行21h后，流化嚴重惡化；選用高鋁顆粒作為床料時，由于高鋁顆粒只含有少量的SiO<,2>，同時在內(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，不會在顆粒表面形成大量的低熔點的化合物，因此不易產(chǎn)生結(jié)渣，在累積運行38h后，流化狀態(tài)依然良好。為了

6、深入理解結(jié)渣機理，并進一步考察燃燒溫度、床料顆粒粒徑、流化速度等因素對結(jié)渣的影響，建立了結(jié)渣數(shù)學模型。計算結(jié)果表明：燃燒溫度對初始結(jié)渣時間的影響程度最大，隨著溫度的升高，初始結(jié)渣時間迅速縮短；床料顆粒粒徑對初始結(jié)渣時間的影響趨勢與床溫的影響相同，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初始結(jié)渣時間。 秸稈燃燒過程中堿金屬是引起結(jié)渣的主要因素，因此在10KW<,th>流化床燃燒試驗裝置上對兩種常見秸稈燃料進行了堿金屬遷

7、移規(guī)律的試驗研究，研究了溫度和過?？諝庀禂?shù)對堿金屬遷移規(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；過量空氣系數(shù)對堿金屬的析出、遷移也有影響，影響程度沒有溫度顯著，氣相中堿金屬含量隨過量空氣系數(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。 本文運用最小自由焓原理，對秸稈流化床燃燒過程

8、中堿金屬遷移規(guī)律進行了模擬，同時對試驗條件無法滿足的高溫區(qū)域進行了預測。模擬結(jié)果表明：溫度對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，當反應(yīng)溫度達到750℃后，秸稈燃燒后的堿金屬開始向氣態(tài)中大量釋放；當溫度高于1050℃后，開始產(chǎn)生NaOH、KOH和Na<,2>SO<,4>，但是相對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、對很少。氣態(tài)堿金屬化合物中基本沒有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；秸稈釋放出來的堿金屬和床料中的SiO<,2>發(fā)生化學反應(yīng)生成了低熔點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NO<,x>、HCl氣體的釋放會惡化環(huán)境。在10KW<,th>小型流化床設(shè)備上進行了一系列試驗，針對秸稈的流化床燃燒過程中氣態(tài)污

10、染物的產(chǎn)生規(guī)律進行了研究，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；隨著過剩空氣的增加，NO的排放濃度升高，而N<,2>O的排放濃度依然處于一個較低的水平；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；過剩空氣系數(shù)對HCl排放濃度的影響比較復雜，不能簡單的以線性關(guān)系來表示；加入CaO后，HCl的濃度下降明顯，CaO對HCl的脫除效率可達