生物质能作为可再生能源，近年来正倍受人们关注，流化床燃烧技术现已成为大规模高效利用生物质能的重要技术之一。目前，国外对生物质秸秆的应用中，为了便于流化往往把秸秆加工造粒或者切碎到几毫米长度，我国实际运行的电厂为了减少预处理工作量，考虑把长度为10～100mm棉秆直接送入流化床内燃烧，本课题旨在对10～100mm棉秆在鼓泡流化床(BFB)和循环流化床(CFB)中的燃烧特性进行可行性研究。 本文介绍了棉秆的物理、化学特性，采用热重分析法对棉秆的热解／燃烧过程、动力学特性进行了研究，获得了相应的特征参数，建立了不同升温速率下的反应动力学方程，结果表明：棉秆中挥发分析出速度很快，着火温度在262℃左右，棉秆挥发分释放特性指数和综合燃烧特性指数比普通烟煤大了近两个数量级。冷态试验研究了10～100mm棉秆与高铝矾土床料的混合流化特性，以及棉秆长度、床料粒径、棉秆与床料的配比和流化风速等因素对混合均匀程度的影响。研究发现，10～100mm棉秆与φ0．6～1mm床料混合，当流化数N<3时，分层现象很严重；N=3～7时，能较均匀地混合流化；但当N>7后，混合均匀程度有所降低，至于在较高的流化风速下，会不会影响密相区的稳定燃烧，需要进行热态试验研究。棉秆与床料的不同配比对混合均匀程度也有影响，棉秆质量配比越小，混合得越均匀。文中还提出了秸秆流化床燃烧时，秸秆与床料混合质量的评判方法，并提出了秸秆混合分层度的概念。 在0．2MWth鼓泡流化床试验台上，研究了10～100mm纯棉秆在不同工况下的燃烧特性。结果表明：在鼓泡床流化风速下，即流化数N=3～7时，密相区温度能维持在850～880℃稳定燃烧，试验过程中对主要污染物排放浓度进行了测定。在该试验台上重点研究了石英砂和高铝矾土床料的结块特性，分别经过38h连续运行，石英砂床料烧结非常严重，影响到床料的正常流化，而高铝矾土床料没有出现烧结现象，基本保持原来的形貌。通过SEM／EDS技术对石英砂床料燃烧前后微观结构和元素成分分析发现，燃烧后石英砂颗粒表面生成了低温共熔混合物，形成粘附层，当粘结到一定厚度后就会产生足够大的粘力，形成人结块，最终影响床料的正常流化，因此，棉秆流化床燃烧选择高铝矾土床料较合适。利用ICP技术对灰组成进行了分析，获得了棉秆流化床燃烧时碱金属的析出特性，部分碱金属燃烧时会以挥发态析出，其中钾元素析出比例最大，飞灰中碱金属成分含量较高，对高温对流受热面的沾灰可能性较大。 在0．5MWth循环流化床试验装置上，研究了纯棉秆燃烧时的流化速度、二次风率和棉秆给料量对炉内温度场分布的影响。根据CFB实际运行参数，当流化速度为3．25~4．5m／s，对应的流化数N=7．4～10．2时，尽管此时混合均匀程度有所降低，但是没有影响密相区稳定燃烧，密相区温度能维持在830～870℃。为了保证秸秆循环流化床密相区稳定燃烧，文中对床层的混合质量提出了一种判据，结合冷态混合试验和热态燃烧试验结果发现，当秸秆混合分层度M<1．6时，尽管秸秆和床料混合得不是很均匀，但流化床密相区仍能保持稳定燃烧。试验过程中还对炉内烟气成分及主要污染物排放浓度进行了测定，分析了密相区的燃烧份额，试验后放出的底渣也没有发现床料烧结现象。试验表明，10～100mm纯棉秆在循环流化床中燃烧是可行的。 在该CFB试验台上，对稀相区传热系数进行了测定，研究了不同参数对传热系数的影响规律。研究表明：环形区颗粒浓度和床温对传热系数的影响较大，随着颗粒浓度和床温的增加而增加；随着一次风率的增加传热系数也在增加，但一次风率过大时，传热系数会有所下降，为了得到较高的传热系数，过量空气系数存在一个最佳值；随着循环倍率的增加传热系数也会增加，当循环倍率太大时，床温会有所降低，使得传热系数减小，因此，锅炉设计时要合理选择循环倍率。 本文还对10～100mm棉秆在循环流化床中的燃烧特性进行了数值模拟，分析了炉膛内温度场分布，一氧化碳、二氧化碳和氧浓度分布，以及棉秆和床料的运动轨迹。模拟结果表明：棉秆中挥发分析出速度很快，燃烧特性较好；床料中大颗粒主要在床层下部，由于小颗粒比较容易流化，炉体上部主要是小颗粒，随着流化风速的增加颗粒的流化高度有所上升，实际运行的锅炉，为了保证受热面稳定传热，要调整工况得到合理的颗粒浓度。数值模拟结果与试验值进行了对比，结论基本一致，因此，数值模拟对棉秆循环流化床锅炉的设计和运行具有一定的指导意义。
- 作 者：
- 孙志翱
- 学科专业：
- 能源环境工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 东南大学
- 导师姓名：
- 金保升章名耀
- 学位年度：
- 2008
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
