能源与环境是世界各国重点关注的问题，发展可再生能源中的生物质能是当前国际热点趋势之一。由于生物质含有大量的碱金属和氯元素，在锅炉燃烧过程中会造成受热面严重的积灰和腐蚀问题，限制了生物质能的大规模利用。加入添加剂可以有效减轻生物质燃烧造成的灰沉积和腐蚀问题。本文选用了Al2O3、SiO2、CaO、高岭土及褐煤作为添加剂，试验研究了添加剂对生物质燃烧灰沉积和腐蚀的影响规律。同时利用FactSage软件模拟生物质燃烧热力平衡过程，研究了添加不同元素对生物质燃烧过程中钾和氯分布形态的影响。
利用一维沉降炉进行生物质燃烧灰沉积试验，在玉米杆中分别加入不同添加剂，燃烧后收集取样探针上沉积灰，利用SEM、EDS及XRD检测手段分别对沉积灰的形貌、组分和物相进行分析和研究。结果表明:燃烧玉米杆产生的沉积灰主要成分为碱金属氯化物KCl，沉积灰灰粒径小，结构紧凑且相互粘结聚团。沉积灰中KCl含量越多，灰熔点越低，灰沉积越严重;添加剂Al2O3能有效的减少沉积灰中KCl的含量，Al2O3能和SiO2一起将KCl转化为硅铝酸钾化合物;单独添加SiO2不能大幅减少沉积灰中KCl的含量;添加剂高岭土减少沉积灰中KCl含量的机理与Al2O3相同，但添加高岭土对降低KCl在沉积灰中含量的作用更有效;添加剂CaO积灰量没有减少，但CaO会转化一些熔点低的化合物而生成熔点高的化合物，防止了灰的烧结，使得积灰变得疏松。
利用管式炉试验台研究了不同添加剂对生物质灰腐蚀特性的影响规律。结果表明:不同添加剂作用下的腐蚀增重曲线均符合抛物线规律;锅炉过热器处的腐蚀以积灰腐蚀为主，影响燃料灰腐蚀性的主要因素是灰中KCl的含量;含铝添加剂Al2O3有较好的效果，添加Al2O3后灰的腐蚀性大大减弱，添加CaO后灰的腐蚀性反而增强。利用SEM、EDS及XRD检测手段对腐蚀后的灰样和金属试样进行微观分析。结果表明:金属腐蚀层主要成分是Fe2O3和Fe3O4，其含量越高金属被腐蚀氧化的程度越高，金属表面产生的点腐蚀比均匀腐蚀更有破坏性;不管是否靠近金属基体，腐蚀氧化层内都存在Cl元素，Cl离子容易穿透金属氧化层与金属基体发生氧化反应，因此通过添加剂来降低灰中Cl的含量是减轻腐蚀最有效的方法。
利用FactSage软件中Equilib模型模拟玉米杆燃烧过程，探讨不同添加剂作用下，随着反应温度变化K和Cl主要分布形态以及相互转化的规律，并研究了添加量变化时气相中KCl(g)和HCl含量变化的规律。结果表明:燃烧玉米杆时，气相中K和Cl主要以KCl(g)形式出现，KCl生成量会随着反应温度的升高而增加，KCl(g)浓度增加会导致烟气流经受热面时，更多的KCl凝结沉积于受热面上，沉积灰中的KCl含量增加。因此通过加入添加剂来减轻气态KCl的浓度，就能减少KCl的沉积，进而有效改善炉内积灰和腐蚀状况。添加Al会降低气相KCl(g)含量，其中的Cl元素会以HCl形式析出，添加Al后会使固相中硅酸钾化合物转化为硅铝酸钾化合物;添加Si虽然能降低气相KCl(g)含量，但硅的加入使得熔融态K2Si4O9(1)的含量大幅增加;添加Ca元素能将气相中HCl全部转化，但会使气相中的KCl(g)增加，高温环境下Ca更易与Si结合成硅酸钙化合物，阻止了熔融态硅酸钾化合物的出现;同时添加Si、Al，对于气相中的KCl(g)抑制效果明显，特别是硅铝摩尔比为0.5和1.0时，随着添加量的增加气相中的KCl(g)含量会逐渐降为0，但硅铝摩尔比大于1时，KCl(g)不会降到0;同时添加Ca、Si、Al，Ca会与Si、Al结合生成硅酸钙化合物或硅铝酸钙化合物，影响Ca对HCl的转化，同样也影响了Si和Al对KCl(g)的转化;S的加入会导致SOx大量产生，但SO2能够硫酸盐化KCl(g)，从而减少气态KCl;同时添加S、Si、Al时，随着反应温度的升高K2SO4被硅铝元素转化为KAlSi2O6，释放大量SO2。反应温度低于950℃同时加入S、Ca、Si、Al时，Ca会与SO2反应产生CaSO4，Si、Al与KCl反应生成硅铝酸钾化合物，能较好的同时控制KCl(g)和SOx的含量。
- 作 者：
- 余滔
- 学科专业：
- 热能工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 山东大学
- 导师姓名：
- 王永征
- 学位年度：
- 2013
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
