玉米秸秆炭混合燃料燃烧特性及结渣机理研究

作     者：钱晓亮 

作者单位：山西农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张静

授予年度：2023年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：玉米秸秆炭 油松 玉米秸秆 成型工艺 燃烧特性 结渣机理 

摘      要：“碳达峰和“碳中和背景下能源消费变革势在必行,然而高CO、SO和NO排放的煤炭的消费仍然高居全球一次能源消费市场第二位,全国的火力发电仍然占据69.77%的市场份额,火电设施的全面淘汰会带来不可估量的经济损失,生物质燃料因储量巨大、零和特性、低S低N等优点且可利用现有火电设施改造直燃利用可作为过渡性的环保燃料。但生物质燃料仍然具有分布范围较广、致密化程度低、燃烧结渣率高等缺点制约着其推广利用。为解决玉米秸秆能源化利用过程中致密化程度低运输难、热值低、结渣率高的问题,本文以玉米秸秆炭（SC）混合油松（PT）和玉米秸秆（CS）两种典型农林作物的物理性能及成型工艺进行优化分析;对混合燃料进行TG-DTG实验分析其燃烧特性及燃烧动力学;对混合燃料的结渣率和灰熔点进行测定,通过XRF、XRD、ICP-OES等测定混合燃料灰元素组分,研究温度对玉米秸秆炭化过程中K和Cl释放特性的影响,分析了AAEMs在不同温度下的赋存形式。主要内容及结论如下:（1）对2种混合燃料的单因素试验分析了含水率、温度、成型压强、物料比4个因素对混合燃料物理特性的影响规律,并以此设计了CCD响应面试验分析得到了2种混合燃料关于4个因素的回归方程。运用满意度函数法将2种混合燃料的多响应模型转化为单响应的总体满意度函数,并将其作为MPGA算法的目标函数进行寻优计算,得到PT-SC和CS-SC 2种混合燃料的最优组合含水率为8.99%,5.7%、温度124.27℃,123.96℃、物料比1:9,1:9、压强120MPa,119.96MPa。通过极差分析法对比Design-Expert软件验证了该结果的稳健性,以该结果进行试验后得出的密度、耐久性和抗跌碎性结果分别为PT-SC:1.153 g·cm、98.823%、99.573%,CS-SC:1.087 g·cm、98.697%、98.351%,试验结果与预测值相对误差为PT-SC:6.17%、0.05%、-0.42%,CS-SC:2.16%、-1.29%、-0.6%,试验结果与预测结果有较好的吻合度。（2）通过同步热分析仪得到了3种原料及不同比例混合燃料的燃烧TG和DTG曲线,对共混物的燃烧过程进行了分析可将其燃烧过程大致分为4个阶段:预热干燥阶段、挥发分析出燃烧阶段、固定碳燃烧阶段和燃尽阶段。混合燃料的第一个燃烧峰对应挥发分的析出,半纤维素含量较高的燃料会在DTG曲线中表现出肩峰特征。混燃过程中存在明显的交互作用,交互作用存在的原因主要有两点:1.挥发分析出阶段的非催化机制影响了燃料燃烧过程中的传质传热特性。2.固定碳燃烧阶段的催化机制,少量的K、Na等AAEMs催化燃烧反应的进行。根据Arrhenius定律和Coats-Redfern近似方法推导计算,构建了混合燃料的一级反应燃烧动力学模型,对反应活化能和指前因子进行求解,PT-SC和CS-SC混合燃料中SC的添加能降低挥发分析出阶段反应活化能,但会增加固定碳燃烧阶段所需反应活化能,同时挥发分析出燃烧反应更加剧烈;挥发分析出阶段:PT-SC混合燃料的反应活化能由的35.59 KJ·mol降低至27.27 KJ·mol,CS-SC混合燃料的反应活化能由52.03 KJ·mol降低至32.31 KJ·mol;固定碳燃烧阶段:PT-SC混合燃料的反应活化能由29.38 KJ·mol增加至44.26 KJ·mol,CS-SC混合燃料的反应活化能由28.66 KJ·mol增加至50.45 KJ·mol;PT-CS混合燃料第一阶段、第二阶段的燃烧反应活化能分别在63 KJ·mol和33 KJ·mol左右,固定碳燃烧反应比挥发分析出阶段剧烈。（3）对油松、玉米秸秆、玉米秸秆炭及其不同比例混合燃料的结渣率、灰熔点进行了测定,发现CS在0.1m/s鼓风强度的结渣率属于强结渣区域,CS在0.2m/s和0.3m/s鼓风强度以及CSSC在3种鼓风强度下的结渣率处于中等结渣区域其余混合燃料均处于弱结渣区域。灰熔融性的检测中玉米秸秆炭的添加使软化温度有小幅度的提高。通过ICP-OES和氧弹IC方法检测了不同热解温度下K、Cl元素的含量分析其释放特性,发现炭化温度对K元素的释放特性影响较小,在500℃下仅有18.95%的K元素得到了释放,玉米秸秆炭中有较明显的K元素富集;而炭化温度对Cl释放特性影响较大,Cl元素的释放幅度达到了78.73%。通过XRF、XRD检测了不同灰化温度下混合燃料的底灰成分和物相分析,混合燃料灰样中的主要相有:石英、斜长石、钾长石、堇青石、透辉石、伊利石和钙黄长石等。在共混灰样中Si O物质峰衍射强度均较高,在低温灰化阶段玉米秸秆的共混物中KCl有较强的衍射峰,随灰化温度升高KCl峰值强度降低,至950℃时灰样中已检测不到KCl的物质峰。KCl以气相形式排出或其中K元素