生物质与煤混燃过程中硫与氯对碱金属迁移转化的竞争机制

论文摘要

生物质与煤混合燃烧因具有CO2净排放为零、NOx、SO2和重金属排放量降低等优点而被广泛关注。但生物质中含有大量易挥发的碱金属和氯元素,在燃烧过程中会造成沉积、聚团和腐蚀等问题。碱金属的迁移转化与原料中非金属元素S和Cl等密切相关,若能找出两者对碱金属迁移转化的竞争机制,就可选用更加合理的方法来缓解碱金属问题。本文采用理论与实验相结合的方法,利用XRD和SEM等分析测试手段深入地探讨了混燃过程中硫与氯对碱金属迁移转化的影响。本文采用化学热力学平衡软件HSC预测了温度和单质S在秸秆与铁法煤混燃过程中硫与氯对处于热力学平衡状态下碱金属迁移转化的竞争机制,结果表明:随着温度的升高,氯对促进碱金属以KCl（g）和NaCl（g）形式的挥发作用较明显;而硫对碱金属的固定作用较显著,主要以K2SO4和Na2SO4的形式存在;硫在0.05-0.3mol之间时,随着硫摩尔量的增加,氯对碱金属的挥发作用减弱,而大于0.1mol时硫将几乎全部碱金属以K2SO4和Na2SO4的形式固定在底灰中。本文以热力学平衡计算为依据,在管式炉上研究了三种秸秆（水稻秸秆、玉米秸秆和小麦秸秆）与铁法煤和宜阳煤在不同温度、摩尔比及混合比条件下混燃,硫与氯对碱金属迁移转化的竞争机制。结果表明:随着温度的升高,碱金属和氯的挥发量增加,并以碱金属氯化物形式析出;硫与氯都会对碱金属的凝结起到一定作用,凝结形式可能是KCl、NaCl、K2SO4和Na2SO4;温度在600℃时,固相中同时存在K2SO4和KCl,但硫对碱金属的固定作用较显著,900-1100℃硫与氯对固相内部碱金属起到了迁移作用,将碱金属转化为硅酸盐和硅铝酸盐等非可溶化合物;添加剂量的多少,并不影响氯在促进碱金属挥发方面的主要作用,并以KCl（g）和NaCl（g）的形式存在。硫与氯对碱金属的凝结都有影响,其存在形式可能有KCl、NaCl、K2SO4和Na2SO4。硫对碱金属的固定及向碱金属硅酸盐及硅铝酸盐等化合物的迁移作用较明显,可溶性碱金属盐主要以K2SO4和Na2SO4存在。玉米秸秆与宜阳煤以不同比例混燃,玉米秸秆含量是20%为最佳混合比例。通过对不同摩尔比条件下碱金属钾、钠析出率的灰色关联度分析,结果表明Cl/K摩尔比是硫与氯对碱金属迁移转化的竞争机制中的关键因子。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 生物质能研究现状
• 1.2.1 我国生物质能开发现状
• 1.2.2 国外生物质能开发现状
• 1.3 生物质利用过程中的碱金属问题
• 1.3.1 碱金属引起的沉积
• 1.3.2 碱金属引起的聚团
• 1.3.3 碱金属引发的腐蚀
• 1.4 生物质与煤混燃的优势
• 1.5 课题研究内容及意义
• 第2章 生物质与煤混燃过程中硫与氯对碱金属迁移转化的研究进展
• 2.1 生物质与煤中碱金属及相关元素的赋存形态及迁移转化规律
• 2.1.1 金属元素赋存形态及迁移转化规律
• 2.1.2 非金属元素赋存形态及迁移转化规律
• 2.2 影响碱金属及相关元素迁移转化的因素
• 2.2.1 原料对碱金属迁移转化的影响
• 2.2.2 温度对碱金属迁移转化的影响
• 2.2.3 配比及其它因素对碱金属迁移转化的影响
• 第3章 生物质与煤混燃过程中碱金属迁移转化的热力学平衡研究
• 3.1 生物质中碱金属及相关元素的测定
• 3.1.1 碱金属离子的测定
• 3.1.2 氯离子的测定
• 3.1.3 硫酸根的测定
• 3.2 化学热力学平衡计算
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 计算条件
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 水稻秸秆与铁法煤在不同温度下混燃时碱金属迁移转化规律
• 3.3.2 玉米秸秆与铁法煤在不同温度下混燃时碱金属迁移转化规律
• 3.3.3 小麦秸秆与铁法煤在不同温度下混燃时碱金属迁移转化规律
• 3.3.4 生物质与煤混燃时硫对碱金属迁移转化的影响
• 3.4 化学热力学平衡预测的局限性
• 3.5 本章小结
• 第4章 生物质与煤混燃过程中碱金属迁移转化的实验研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验原料
• 4.2.1 原料的选取和制备
• 4.2.2 原料工业分析和元素分析
• 4.2.3 原料的灰成分分析
• 4.3 实验装置简介
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 不同温度条件下硫与氯对碱金属迁移转化的竞争机制
• 4.4.2 不同摩尔比条件下硫与氯对碱金属迁移转化的竞争机制
• 4.4.3 不同混合比例条件下硫与氯对碱金属迁移转化的竞争机制
• 4.5 本章小结
• 第5章 生物质与煤混燃过程中碱金属析出率的灰色关联分析
• 5.1 灰色关联分析原理
• 5.2 碱金属钾和钠析出率的灰色关联分析
• 5.2.1 钾析出率的灰色关联分析
• 5.2.2 钠析出率的灰色关联分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文