生物质与煤混合燃烧过程中灰沉积特性的试验研究

论文摘要

随着煤炭等化石燃料的不断消耗以及由此引起的环境问题日益突出,生物质作为一种清洁的可再生能源,受到了世界各国的广泛重视。在大型电站中采用生物质与煤混合燃烧发电技术,既利用了现有燃煤发电系统的巨额投资和基础设施,又实现了生物质能源的有效利用,应用前景广阔。但由于生物质燃料中碱金属和氯含量较高,在生物质与煤混合燃烧过程中,导致灰熔融温度降低,在锅炉过热区受热面上易引起严重的积灰和结渣,危及锅炉的安全经济运行,这将制约生物质燃料的大规模利用。因此研究生物质与煤混合燃烧过程的灰沉积特性对于保证锅炉的安全运行以及促进生物质燃料的大规模利用都有着重要的意义。本文针对生物质与煤混合燃烧过程中灰熔融特性,灰的物相组成和灰的化学组成三个方面研究了灰沉积特性。首先,利用YX-HRD灰熔融性测定仪测量了各种生物质与煤混合燃烧灰熔融特征温度。探讨了混合比例以及碱金属和碱土金属等因素对灰熔融温度的影响规律。随着生物质掺混比例的增加,灰熔点逐渐降低,积灰结渣倾向逐渐增大。由于碱金属氧化物的熔点较低,而碱土金属氧化物易与Si02结合形成低熔点的共晶体,因此在混燃时,灰中碱金属和碱土金属的含量越高,SiO2/Al2O3的比值越高,灰熔融温度越低。其次,在管式炉高温反应器上研究生物质与煤混合燃烧过程中K和Cl的析出特性。生物质和煤单独燃烧时,K和Cl的析出特性差异较大,生物质中的K更容易析出。K和Cl的析出量均与其在燃料中的总含量成正比。K主要以KCl（g）的形式析出,Cl同时以KCl（g）、Cl2（g）、HCl（g）等多种形式析出,HCl（g）是主要析出形式。生物质与煤混合燃烧时,K和Cl的析出量均大于煤燃烧时K和Cl的析出量,但是混燃相对来说有利于减少K的析出,增加Cl的析出。混合燃烧时K和C1的析出特性同时受多种因素的影响,主要探讨了混合比例、燃烧温度和燃料组成等影响因素。随着生物质掺混比例的增加,K和Cl的析出量逐渐增加,但K和Cl的析出量与生物质的掺混比例之间是非线性关系。生物质与煤混合燃烧过程中,1100℃时K的析出量均小于900℃时K的析出量,Cl的析出量均大于900℃时Cl的析出量。碱金属的析出量很大程度上取决于燃料组成,增加混合燃料中CaO的含量,促进K的析出。利用XRD方法对生物质与煤混燃灰的物相组成进行研究,然后采用MDI jade5.0软件对得到的XRD图谱进行定性和定量分析。结果表明生物质灰与煤灰之间发生了化学反应。KCl（g）与硅铝化合物反应生成硅铝酸钾,使大部分K固定在灰中；同时KCl（g）还可以与烟气中的SO2发生硫化反应。混合燃料中的CaO和MgO也可以与硅铝化合物反应生成CaAl2Si2O8和Mg3Al2Si3O12。这些化学反应是造成K和Cl的析出量呈非线性变化的根本原因。最后,在小型沉降炉上对生物质与煤混合燃烧灰沉积特性进行了试验研究。采用SEM/EDS对沉积灰的形貌和物相组成进行了分析,并探讨了灰沉积机理。结果表明,生物质的掺混比例越大,沉积灰中团聚和熔融程度越明显,而且沉积灰中K和Cl的含量越高,说明积灰结渣倾向越严重。纯麦秆和玉米秆燃烧时,KCl（s,s2）、K2SO4（s,s2）和K2Si4O9（liq,s）是沉积灰中的主要物质。燃料燃烧过程中,K和Cl的行为分为两步：挥发与冷凝捕捉。K主要以KCl（g）的形式析出,在烟气冷却过程中,析出的KCl（g）一部分凝结在灰颗粒表面；一部分与S02发生硫化反应,生成K2SO4（g）或K2S04（s,s2）,还有一部分直接凝结在受热面上。探针上的沉积灰分为内外两层。内层是KCl（g）和气溶胶颗粒在探针表面冷凝而形成,具有较大粘性。外层是内层对飞灰颗粒的不断捕捉而形成。由于K2S04的粘性小于KCl的粘性,硅铝酸钾具有相对较高的熔融温度,因此硅铝酸钾和K2S04的生成均可以改善过热器管道表面的积灰和结渣。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 生物质燃烧灰沉积特性的研究现状
• 1.2.1 积灰结渣机理
• 1.2.2 灰粒的沉积过程
• 1.2.3 积灰结渣特性的影响元素
• 1.3 生物质与煤混合燃烧灰沉积特性的研究现状
• 1.3.1 碱金属的析出特性
• 1.3.2 灰沉积特性的影响因素
• 1.4 积灰结渣特性判别指标
• 1.5 研究目的和研究内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 2 试验装置与试验方法
• 2.1 试验装置
• 2.1.1 YX-HRD灰熔点测定仪
• 2.1.2 管式炉高温反应器
• 2.1.3 灰沉积试验系统
• 2.1.4 测试仪器
• 2.2 试验样品及分析
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 灰熔融性试验方法
• 2.3.2 测定K和Cl析出量的试验方法
• 2.3.3 灰沉积试验方法
• 2.4 本章小结
• 3 生物质与煤混合燃烧灰熔融特性的研究
• 3.1 生物质/煤灰熔融特性
• 3.2 生物质混煤灰熔融特性
• 3.3 积灰结渣特性的判定
• 3.4 本章小结
• 4 生物质与煤混合燃烧过程中K、Cl析出特性的研究
• 4.1 生物质/煤燃烧过程中K、Cl析出特性
• 4.1.1 生物质/煤燃烧过程中K析出特性
• 4.1.2 生物质/煤燃烧过程中Cl析出特性
• 4.2 生物质与煤混合燃烧过程中K、Cl析出特性
• 4.2.1 生物质与煤混合燃烧过程中K析出特性
• 4.2.2 生物质与煤混合燃烧过程中Cl析出特性
• 4.2.3 生物质混煤燃烧K、Cl析出特性的影响因素
• 4.3 本章小结
• 5 生物质与煤混合燃烧灰的物相分析
• 5.1 900℃生物质与煤混合燃烧灰的物相分析
• 5.2 1100℃生物质与煤混合燃烧灰的物相分析
• 5.3 本章小结
• 6 生物质与煤混合燃烧灰沉积特性的研究
• 6.1 麦秆与烟煤混合燃烧灰沉积特性
• 6.2 玉米秆与烟煤混合燃烧灰沉积特性
• 6.3 生物质与煤混合燃烧灰沉积机理
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结
• 7.1 全文总结
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文情况
• 学位论文评阅及答辩情况表