生物质燃烧过程中碱金属对细颗粒物生成特性的影响研究

发布时间：2020-10-12 00:03

　　 生物质是唯一一种含碳的可再生能源,具有量大面广、可储存、可运输、低硫、低氮和二氧化碳零排放的特点。但生物质富含大量碱金属,在燃烧过程中易于析出并通过均相成核/异相凝结以及碰撞-聚并而形成细颗粒物尤其是超细颗粒物。目前大多数直燃电厂虽装有除尘装置,但细颗粒物捕集率低(89-95%)成本高,对超细颗粒物基本无法脱除。因此开展生物质燃烧过程中碱金属对细颗粒物生成特性的影响研究十分必要。本文首先从辽宁省黑山生物质直燃电厂收集细颗粒物对细颗粒物的生成特性进行深入分析,发现细颗粒物粒径不同,组成元素的赋存形态和含量不同。碱金属主要以KCl和K_2SO_4的形式富集在PM_(1.0)上,影响PM_(1.0)的生成。在滴管炉内结合化学热力学模拟研究了燃烧温度、不同秸秆和碱金属对生物质燃烧过程中细颗粒物生成特性的影响,发现燃烧温度升高促进了PM_(0.1)和PM_(0.1~1.0)的生成。与650℃相比,950℃时PM_(1.0)的质量浓度增加了2.3倍,而PM_(1.0~10)的质量浓度下降了1.3倍。温度升高促进硫酸盐化反应,促进K_2SO_4的凝结成核。与水稻秸秆相比,玉米秸秆在同一温度燃烧时产生的PM_(1.0)和PM_(1.0~10)的质量浓度分别降低了13.64%和11.54%。由于玉米秸秆中S/K摩尔比较大,PM_(0.1~1.0)中含有的更多K_2SO_4。水稻秸秆水洗后PM_(0.1~1.0)中碱金属含量明显降低,难挥发矿物质Mg、Ca和Si含量增加。碱金属钾的添加促进了PM_(0.1)和PM_(0.1~1.0)的生成。水稻秸秆中添加2%K和4%K后,PM_(1.0)的质量浓度分别增加了33.33%和43.94%,PM_(0.1)的数量浓度分别增加了20.39%和37.90%。生物质燃烧过程中碱金属气化-冷凝反应是形成PM_(0.1)和PM_(0.1~1.0)的关键。
【学位单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X773
【部分图文】：

图 1.1 碳烟颗粒的形成过程烧时，挥发分会受热分解形成大量不同蒸气压和分子结构的类有机物、烯烃和羰基化合物等，有机化合物在低温下凝结于生物质发生不完全燃烧反应，有机物质会残留在形成的烟有机物质会冷凝或吸附在已经形成的基核表面形成有机颗粒粒成核方式也不同，有机颗粒的形成途径通常有两种：一是结或吸附在已经形成的基核表面形成有机颗粒；二是随着烟气温度逐渐降低，半挥发性有机物快速冷却，会通过均质凝物生成特性影响因素研究进展质种类对细颗粒物生成特性的影响有地域性和季节性，地区不同生物质种类不同，季节不同生同生物质具有不同的燃料特性。研究发现生物质的燃料特性学组成具有显著影响。生物质种类不同，其灰分含量也不同

沈阳航空航天大学硕士学位论文2.3 不同粒径细颗粒物中组成元素赋存形态分析通过化学分馏法，对细颗粒物组成元素的赋存形态和浓度进行分析，图 2.1 为不同粒径细颗粒物中 K、Na、S 和 Cl 元素四种形态百分比；图 2.2 为不同粒径细颗粒物中Ca、Mg、Al 和 Si 元素四种形态百分比；图 2.3 为不同粒径细颗粒物组成元素浓度。由图 2.1~2.3 可知，细颗粒物粒径不同组成元素的赋存形态和浓度也不同；同一个粒径段上的细颗粒物元素种类不同赋存形态也有差异。图 2.1 显示随着细颗粒物粒径增大，以水溶态形式存在的钾和钠百分含量降低，在亚微米颗粒物 PM1.0中钾和钠主要以水溶态形式存在，大约占 55%~60%。水溶态 S 和 Cl 的百分含量也随着粒径的增加而降低，尤其是水溶态 Cl 在亚微米颗粒物 PM1.0和微细颗粒物 PM1.0~2.5中占 70%左右，残渣态 Cl的百分含量占不到20%。以残渣态形式存在的S元素百分含量受颗粒物粒径的影响较小，大约占 25%左右。随着细颗粒物粒径的增加 K、Na、S 和 Cl 的含量降低，PM1.0＞PM1.0~2.5＞PM2.5~10（图 2.3）。

沈阳航空航天大学硕士学位论文由图 2.2 可知，Ca 和 Mg 主要以盐酸溶态（氧化物或硫酸盐化合物）和醋酸溶态（机结合物）形式存在，而 Al 和 Si 主要以残渣态形式存在占比分别为 50%和 85%。细粒物粒径对 Ca、Mg、Al 和 Si 元素的赋存形态影响较小。但是，不同粒径细颗粒物Ca、Mg、Al 和 Si 元素的含量有较大差异，随着细颗粒物粒径的增加 Ca、Mg、Al Si 元素的含量呈现上升趋势，PM1.0<PM1.0~2.5<PM2.5~10（图 2.3）。与 Ca、Mg、Al 和相比，K、Na、S 和 Cl 更容易气化转变成气态蒸气，以 KCl、KOH、NaCl 和 NaOH 形式存在于高温烟气中。随着烟气温度的下降，碱金属氯化物和氢氧化物会通过气态酸盐化反应转化形成碱金属硫酸盐（主要为 K2SO4）。温度继续降低后，由于气态 K2S的蒸气分压非常低，一经形成便极易过度饱和而通过均相成核作用生成大量的原始核粒，或者冷凝在已存在的金属氧化物或炭黑颗粒表面上。当温度降低至 600℃左右，相组分中大量的 C1 元素会以 KCl 和 NaCl 的形式冷凝在已存在的基核颗粒上或通过相成核机理最终形成亚微米颗粒物 PM1.0。所以，与 PM1.0~2.5和 PM2.5~10相比，PM1.0含有更多的水溶态的 K、Na、S 和 Cl。
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