【摘要】：生物质能源是一种储量大、可再生的洁净能源，有着多种转化利用方式，为缓解当今世界日益严峻的能源问题与环境压力提供了一条有利途径。在众多生物质热化学利用方式中生物质燃烧是一种重要的途径，同时生物质高效燃烧利用影响因素也得到了越来越多的关注，而碱金属/碱土金属作为生物质内富含的元素，在燃烧利用过程中可能存在床料聚团、受热面沾污腐蚀、结渣以及沉积等多种问题，成为阻碍生物质燃料广泛利用的主要因素之一。因此了解碱金属在燃烧过程中的行为及影响，掌握其析出和转化的规律，对解决碱金属问题具有极其重要的意义。 本文研究重点在生物质燃烧过程中碱金属的迁移。在大量文献综述与对比分析的基础上，归纳了国内外在生物质能能源化利用过程中碱金属相关问题的研究成果。通过管式炉燃烧试验，结合FactSage化学热力平衡软件模拟生物质燃烧过程中碱金属的迁移过程，找到生物质燃烧过程中碱金属迁移规律，同时研究了碱金属对生物质燃烧的催化影响，为减轻生物质利用过程中碱金属问题提供理论依据。 通过生物质燃烧热重实验，探讨研究不同气氛、升温速率及催化剂对生物质物质催化燃烧的影响。分析表明高升温率将加重热滞后现象，并且富氧对后段固定碳的燃烧促进作用有限。催化剂能使燃烧速率增加、着火点提前，有利于燃烧的进行和充分燃烧。添加催化剂后样品燃烧活化能降低主要发生在转率α小于0.6区间，CuO的效果最明显，最大下降值为66.41Kj/mol，添加剂降低活化能主要是由于对挥发份的析出和燃烧催化作用。同时催化剂对于固定碳燃烧的催化作用不大，催化剂能够促使固定碳开始燃烧，能将固定碳燃烧提前至与挥发份燃烧大时间段重合。 通过秸秆管式炉燃烧实验，研究秸秆基本燃烧特性，检测燃烧残留物中碱金属分布。分析表明，秸秆中固定碳和挥发份的两种不同的燃烧特性，挥发份具有非常快燃烧速度，固定碳的燃烧相对较慢，而且温度越低，固定碳燃烧越向后迟延，可以通过控制反应器温度来实现生物质秸秆低温气相燃烧和高温固相燃烧的分离。 低温段或者燃烧初始阶段，钾元素析出规律与挥发份析出接近，研究认为热稳定性差的有机钾是随生物质挥发份快速析出；而高温阶段，钾释放速度明显减慢，主要是因为蒸汽压的升高促使钾元素以无机盐蒸汽的形式逃逸。燃烧残留物分析表明，燃烧残留物中碱氯摩尔比大于1，并且是随着温度的提高出现上升趋势，表明氯具有比碱金属更高的挥发性。同时XRD分析表明，KCl和K2SO4是生物质秸秆燃烧残渣中碱金属主要存在形式，并且生物质秸秆燃烧过程中的碱金属的蒸发可能主要是以KCl和K2SO4蒸汽的形式向气相中迁移，并以KCl迁移为主。 FactSage模拟可从热平衡角度计算秸秆燃烧过程中可能的燃烧产物及其分布。结果表明，低温有利于钾元素以水溶盐的形式固留在生物质残留物中，低温下钾K主要以KCl(s)、K_2SO_4(s)、K_2Si_4O_9(s)固态形式存在，随温度的升高，由于KCl蒸汽压的增加，KCl(s)向KCl(g)、(KCl)_2(g)和KCl(salat)转化。同时，生物质内部高硅含量或者认为掺混硅添加剂将有利于抑制气态K的释放，将碱金属固留在残渣中，并且在650～800℃温度范围内K2SO4与KCl之间的低温共熔现象对于低温下的粘结也有部分贡献。 变工况模拟结果表明：随着氧浓度的提高，将有利于减弱中温段（低于750℃）碱金属向气相迁移，并且能够降低腐蚀性气体HCl生成，有利于减轻受热热面的积灰、结渣和腐蚀问题。同时由于高温度段气相氯含量变化不大，故高温段提高秸秆燃烧气氛氧浓度对于解决腐蚀问题没有特别重要的意义。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK6
【图文】：
随着社会经济发展的需要，人类传统的能源来源，煤、石油以及天然气等化石燃料的储量不断下降，终有耗尽的那一天。同时，使用这些化石燃料的过程中会排放大量的温室气体、粉尘等，使我们的生态系统变得异常脆弱。由于CO 、CH2 4等温室气体排放导致的全球变暖问题逐步恶化，其中CO2不但具有较长的寿命且排放量巨大而对于温室效应的贡献最多，最具有代表性。资源与环境的双重压力迫使人类寻找能为先进的清洁的能源技术。图 1-1 为国际能源信息署针对各项新型清洁能源利用技术对于减排CO2贡献的评估[1 ]。其中到 2050 年全球碳排放由 2005 年的 28Gt减为 14Gt。由图中可见，除提高终端能源和电力效率及推广碳捕捉和储存技术能大幅减排CO2外，可在生能源的大规模利用对减排CO2的贡献达到 17%。可见，可再生能源无论从能源安全供给还是从环境保护方面都较好的满足社会经济可持续发展，是 21 世纪世界能源供给的另一座宝库。而在这之中生物质作为一种可再生清洁能源体现了很大的优势。经过光合作用，以化学态能量存在于有机物中的能就是生物质能。它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源消耗系统中占有重要地位。
图 1-5 美国 2010 年可再生能源供求结构Fig.1-5 Renewable energy consumption in the USA’s energy supply, 20104
【参考文献】
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本文编号：
2737137
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