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成型生物质流化床气化及半焦与煤混燃的协同作用研究

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成型生物质流化床气化及半焦与煤混燃的协同作用研究

作者：李姜昊华中科技大学

学位级别：硕士

我国每年产生的生物质农林业废弃物占据世界的首位。燃煤耦合生物质气化发电将生物质气化产生一定热值的燃气送入燃煤锅炉辅助燃烧,是一种可以大规模处理生物质、与生物质直燃发电相比具有较高发电效率的技术。这种间接混燃的发电技术... 详细信息

我国每年产生的生物质农林业废弃物占据世界的首位。燃煤耦合生物质气化发电将生物质气化产生一定热值的燃气送入燃煤锅炉辅助燃烧,是一种可以大规模处理生物质、与生物质直燃发电相比具有较高发电效率的技术。这种间接混燃的发电技术已被列为国家新增鼓励产业,目前已有一些工程案例。成型技术将生物质能源品质提升,但会改变其组分。目前成型生物质的流化床气化特性、结渣特性研究报道较少,且气化过程中会产生大量的焦炭,对其规模化利用研究不足。若能在高效利用成型生物质气化同时,规模化的处理气化焦炭,将拓宽燃煤耦合生物质气化技术的利用前景。本文采用成型桉树皮和成型玉米秸秆这两种典型农林废弃物,并选取稻壳和木屑做对比,在中试规模的流化床上进行流化和气化试验,采用压力、温度传感器与煤气分析仪监测炉膛工况与气化特性,并采用XRD、XRF、EPMA等仪器分析结渣特性,并对气化半焦特性和产率进行分析。结果表明,破碎有利于气化试验中绞龙的送料,但在成型后破碎会使粒径分布不均,流化不稳定。成型工艺对气化效果影响较小,灰分和含水量是影响气化的主要因素。成型桉树皮、稻壳与木屑的最佳空气当量系数值为0.2,燃气热值分别为5.5 MJ/m、5.5 MJ/m、6 MJ/m,气化效率分别为60%、45%、52%。成型玉米秸秆由于高灰分低热值,需要更大的空气量,最佳空气当量系数值为0.24,燃气热值为4 MJ/m,气化效率为35%。温度的提高促进气化反应,增加一次风温对炉膛影响不明显,但会大幅提升炉底温度,影响设备安全。成型生物质更易在气化中产生结渣,因为其含有较多的灰分和碱金属、碱土金属。K、Mg等元素在床料中富集而形成低熔点熔融盐而将石英砂床料粘结,是结渣的主要原应。高密度、高灰分使成型生物质气化的焦炭产率和能量得率较高。产生的气化半焦分别称为EBC、CSC、RHC、SC,采用XRF、BET、SEM研究了化学成分、孔隙结构与表面形态,并在热重分析仪上研究其燃烧特性与反应动力学。结果表明,成型压缩工艺不会明显破坏气化半焦的碳骨架结构,但会在孔隙中掺混较多杂质,且四种气化半焦孔容积和比表面积都大幅小于同类热解焦炭,不适合作为吸附剂等利用。随着灰分增多,气化半焦的燃烧峰逐渐向高温区移动,SC与EBC以挥发分燃烧占据主导,而RHC和CSC焦炭燃烧占主导。SC的综合燃烧特性指数是RHC和CSC的40倍,燃烧特性最佳,EBC其次。灰分显著影响气化半焦的反应动力学和燃烧机理。随着灰分的增多,燃烧机理从一阶的化学反应模型变为三阶的扩散反应模型,活化能逐渐变高,顺序为CSC>RHC>EBC>SC。将气化半焦与末煤掺混,在热重分析仪下研究了混燃的燃烧特性与反应机理。采用定性与定量两种方法评价协同作用,并定量区分协同作用中催化与非催化机制。结果表明,掺混EBC和SC利于提升末煤燃烧特性,CSC和RHC相反。矿物质的催化机制和挥发分的非催化机制起到促进正向协同作用的效果,而灰分则起到抑制作用。催化机制在协同作用中占据主导。EBC掺混比在15%以上时,催化对协同作用的贡献不再增加。随着气化半焦掺混比例的增加,混合物的活化能呈现降低趋势,三阶扩散模型是末煤与RHC、EBC、CSC在各种掺混比例下最有效的反应机理。掺混SC时,高比例下一阶化学反应占主导,50%及以下时二阶的化学反应占主导。

关键词：成型生物质流化床气化中试试验气化半焦混燃协同作用

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升温速率对成型生物质热解过程的影响

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2014年第12期42卷 91-96,110页

作者：黄睿胡建杭王华伍祥超昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心云南昆明650093

【目的】研究不同升温速率下成型生物质的热解炭化规律。【方法】采用自行设计的热解试验装置,测定不同升温速率(5,7,10,15℃/min)条件下成型生物质热解过程中失重(TG)、失重速率(DTG)、工业成分(挥发分、灰分、固定碳含量)的变化及所... 详细信息

【目的】研究不同升温速率下成型生物质的热解炭化规律。【方法】采用自行设计的热解试验装置,测定不同升温速率(5,7,10,15℃/min)条件下成型生物质热解过程中失重(TG)、失重速率(DTG)、工业成分(挥发分、灰分、固定碳含量)的变化及所需的活化能。【结果】通过动力学拟合,得到描述成型生物质热解过程的最合理机理函数,据此推测成型生物质热解反应机理为内扩散控制过程。当升温速率为10℃/min时,热解过程活化能最小,为195.52kJ/mol。在不同升温速率下,成型生物质热解过程中的TG曲线逐渐向高温区移动,且失重速率呈先增大后减小的趋势,在升温速率为5,7,10,15℃/min时,成型生物质的失重速率分别在322,427,448,554℃时达到最大,其值分别为0.804,0.649,0.512,0.466%/℃,可知在成型生物质热解炭化过程中,随着温度的增加失重速率呈先增大后减小的趋势,达到最大失重速率时的温度随升温速率的增大而升高,热解后成型生物质固定碳含量随着升温速率的增大而降低。【结论】较低升温速率热解有利于成型生物质热解成炭。

关键词：成型生物质热解热重分析动力学

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利用高温烟气热解成型生物质制炭的研究

利用高温烟气热解成型生物质制炭的研究

作者：胡威昆明理工大学

学位级别：硕士

成型生物质能量密度高,便于运输、存储,利用成型生物质有利于大规模的开发生物质能,热解成型生物质制炭是优化生物质能利用方式的一种重要手段。工业过程中会产生一些高温烟气,利用其作为热解制炭的热源可以高效回收烟气余热。本文围绕... 详细信息

成型生物质能量密度高,便于运输、存储,利用成型生物质有利于大规模的开发生物质能,热解成型生物质制炭是优化生物质能利用方式的一种重要手段。工业过程中会产生一些高温烟气,利用其作为热解制炭的热源可以高效回收烟气余热。本文围绕利用高温烟气热解成型生物质制炭进行相关研究。首先从原料组成特性的角度开展研究,优化用于炭化的生物质原料的选择方案。炭化原料应选择灰分含量低、木质素含量高的原料。原料灰分含量低,生物质炭的灰分含量一般较低,这有利于提高生物质炭的品质;原料木质素含量高有利于增加生物质炭的产量。其次,对不同升温速率下的炭化需热量进行了研究,升温速率不同时,热解进程、反应热等会不同,使得需热量存在差异。研究得到：炭化终温为450～465℃时,需热量从小到大的升温速率依次为5、20、10℃/min;炭化终温为465-596℃时,需热量从小到大的升温速率依次为20、5、10℃/min;炭化终温为596～700℃时,需热量从小到大的升温速率依次为20、10、5℃/min;生物质升温速率分别为5℃/min、10℃/min时炭化终温应分别不高于550℃、600℃,高于该温度后,需热量曲线斜率增大,需热量增加较多。通过对成型生物质成炭动力学进行研究,得到：成型生物质热解过程失重速率随温度升高呈现先增大后减小的趋势,平均升温速率为6、11、22℃/min,失重速率最大时生物质平均温度分别为319、336、396℃,最大失重速率的数值分别为-2.32、-4.29、-6.24%/min,主要热解过程的活化能分别为21.50、23.94、28.10kJ/mol,它们均随着升温速率的增大而增大。成型生物质热解时的最大失重速率、所需的活化能一般小于相同升温速率热解下的小尺寸生物质。机理函数f(α)=(1-α)2较好的符合成型生物质的热解过程。利用DSC曲线进行了高温烟气热解成型生物质制炭换热器的传热计算,计算中通过引入微元法和生物质温度函数提高了传热设计精度。通过分析生物质热解需热量与温度的关系、生物质温度与生物质在热解通道上位置的关系,得到在一定的生物质温度区间内热流密度是某个常数的结论,从而可以将高温烟气向成型生物质的传热问题转化为恒定热流密度下外界向静止成型生物质的传热问题。还对成型生物质炭化均匀性进行了实验研究,得到：虽然本文成型生物质尺寸(45mm×45mm)相对较大,但由于生物质在不同热解阶段中存在着吸热、放热现象,强烈的热解效应有利于成型生物质整体炭化均匀,另外挥发分析出时的传质强化了成型生物质表面向内部的传热,减小了成型生物质的整体炭化差异。外界向成型生物质传热强时,即生物质平均升温速率大时,会使得生物质表面与内部的最大温差变大,实现均匀炭化时需使炭化终温更高,生物质表面平均升温速率分别为5、10、19℃/min时的最大温差分别为30、76、137℃。为保证炭化均匀性,炭化时应使得生物质内部温度达到木质素强烈分解剧烈放热的温度,即炭化终温应设计在450℃以上;炭化平均升温速率应控制在19℃/min以下。

关键词：成型生物质炭化传热动力学高温烟气

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生物质锅炉一氧化碳排放超标原因及控制措施

节能与环保 2021年第4期 39-40页

作者：唐杰毅清远市清城区环境监测站

生物质锅炉在运行过程中如果控制不好,容易出现废气中一氧化碳浓度过高的问题,呈现出其排放浓度和颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等其他污染物浓度成反比例关系的规律,其产生的原因在于锅炉在链条自动进料过程中,炉内燃料堆积得不到搅拌,... 详细信息

生物质锅炉在运行过程中如果控制不好,容易出现废气中一氧化碳浓度过高的问题,呈现出其排放浓度和颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等其他污染物浓度成反比例关系的规律,其产生的原因在于锅炉在链条自动进料过程中,炉内燃料堆积得不到搅拌,燃料在缺氧状态下燃烧产生大量的一氧化碳。通过在锅炉前端加装预燃烧器,使燃料预燃烧后送至炉体内进行二次燃烧的控制措施,可以让燃料得到充分燃烧并且降低排放废气中的含氧量。经对加装预燃烧器的生物质锅炉进行废气检测,排放废气中含氧量可稳定保持在11%左右,各项气态污染物可稳定达标。

关键词：成型生物质一氧化碳锅炉废气锅炉改装

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燃煤工业锅炉改烧成型木屑案例分析

上海节能 2011年第2期 37-39页

作者：王文欢李明胡建华何健王净净张华平上海电力学院中电投江西核电有限公司

利用工业生产副产物木屑,压缩成型后替代煤等化石燃料在工业锅炉内燃烧。研究表明,压缩成型木屑能够在不改变工业锅炉结构的情况下,通过燃烧调整达到较好的燃烧效率,具有较好的经济效益,并能够降低SO_2和CO_2等的污染物排放。

关键词：工业锅炉成型生物质节能减排