稻秆流化床气化及灰渣热物性实验研究

论文摘要

生物质在能源利用过程中能够减少CO2的排放量,且具有低硫和低氮的特性,是环境友好的可再生能源资源。我国每年可进行能源化利用的农作物秸秆就超过5亿吨,其中稻秆和稻壳分别可达2.4亿吨和4000万吨。随着我国生物质气化能源化商业化应用规模的扩大,将生物质灰渣制备建筑材料和耐温材料,越来越受到重视。本文以稻秆、麦秆、玉米秆和稻壳这四种农作物秸秆为原料,开展了生物质热物理性质测定、灰样制备、稻秆流化床气化冷态和热态试验、生物质灰及稻秆气化灰渣的理化特性和灰熔性特性的实验研究,得出如下结论：(1)稻秆、稻壳、麦秆和玉米秆等四种生物质灰分含量存在较大差异,为3.27%～16.25%；挥发分含量为60.23%～71.93%；固定碳含量为14.65%～18.85%；与煤相比,本文选用的四种生物质的S含量很低,但N含量偏高。(2)为了提高生物质流化床气化的转化率,需要对原料进行破碎预处理,破碎预处理后的稻秆呈短纤维状或短棒状以及部分颗粒呈粉末状,采用长度和粒径可更准确地表征其特征尺寸。本文进行的稻秆流化床气化冷态试验研究,确定了稻秆流化床气化的相关参数。在热态试验中,选择气化反应温度分别为600℃、700℃、750℃和800℃时,相应的稻秆气化灰渣,其中炉底渣、旋风分离器飞灰和喷淋塔飞灰的相对比例分别为24.53%～93.85%、3.52%～74.75%和0.72%～2.63%;随温度升高,旋风分离器内收集到的稻秆气化飞灰逐渐减少,而炉底渣和喷淋塔飞灰逐渐增加。石英砂床料对稻秆飞灰的影响较小,对炉底渣的影响较大。通过对稻秆气化灰渣的工业分析,旋风分离器飞灰的水分、挥发分和固定碳含量波动较大,分别在2.18%～21.18%,0.72%～5.16%和0.04%～10.44%之间。(3)稻秆、稻壳、麦秆和玉米秆等四种生物质灰的表观形貌存在差异,从灰粒尺寸分布、形状、团聚、孔隙结构等方面看,这些灰粒主要是由许多更小的颗粒烧结聚合而成;稻秆气化灰渣的微观形貌也各不相同。稻秆流化床气化的炉底渣的灰粒呈不规则块状结构,断面较光滑平整；喷淋塔飞灰的灰粒呈细小颗粒状且分布均匀；旋风分离器飞灰总体呈块状、片状、棒状等形貌。(4)通过对灰渣试样进行EDS分析可知,稻秆灰和麦秆灰中的K、Na、Cl和Fe元素含量较高；玉米秆灰和麦秆灰中的Ca和Mg元素含量较高；稻秆气化灰渣的各元素分布呈以下两个特点：一是K、Na、Ca、Mg等碱/碱土元素和Cl等卤族元素主要富集在旋风分离器和喷淋塔中；二是Si、Al和Fe等粒径和硬度较大的元素主要富集在气化炉底中。通过XRD分析可知,物相种类与EDS分析结果密切相关,其中均含有以SiO2为化学成分的晶相;稻秆灰及其气化飞灰和麦秆灰中还含有KCl或K2S04,而玉米秆灰中则以MgO和CaO为主要晶相；稻秆气化炉底渣中的方石英受混入床料的影响,蛋白石和Si02可部分转化成石英或者与碱金属生成玻璃相。(5)生物质灰渣的灰熔点与各成分的熔点和相对含量有关,稻壳灰和稻秆气化炉底渣的灰熔点值较高,稻秆灰和麦秆灰的灰熔点值较低,DT分别在1220℃～1265℃和1085℃～1145℃之间。添加氧化铝可有效地提高生物质灰渣的灰熔点,对稻秆灰、稻秆气化炉底渣和稻秆气化飞灰,氧化铝的比例分别大于64.9%、50%和55%即可满足其耐火度大于1500℃的基本要求。对于碱金属含量较高的灰渣可采用水洗处理提高其灰熔点。(6)稻壳灰、稻秆灰及其气化灰渣的灰熔体类型为玻璃体渣,玉米秆灰和麦秆灰的灰熔体类型为低熔点的结晶渣；经水洗处理后未能改变其灰渣类型;添加氧化铝使得其从玻璃体渣转变为高熔点的结晶渣。利用煤灰的粘度特性和灰熔性指标,对生物质灰渣进行了相关研究,在临界粘度温度、碱酸比、硅比和沾污系数等特性和指标计算方面存在着较大的误差,故应对其进行大量的实验研究和理论分析,建立起适合生物质灰渣特性及灰熔性指标等方面的评价体系。本文的研究成果为稻秆、稻壳、麦秆、玉米秆等生物质气化灰渣的资源化利用奠定了一定的技术基础和积累了可靠的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 生物质能的特点
• 1.1.2 生物质能源化利用概况
• 1.1.3 生物质灰渣的特性和影响
• 1.1.4 生物质气化灰渣制备保温材料和耐火材料的研究现状
• 1.2 影响生物质气化灰渣特性的研究概况
• 1.2.1 气化反应器对生物质气化灰渣分布的影响
• 1.2.2 床料对生物质气化灰渣理化性质的影响
• 1.3 生物质灰渣特性及提高其灰熔点研究的概况
• 1.4 本文研究目的和技术路线
• 1.5 本文的研究内容、研究方法及预期成果
• 1.6 本章小结
• 第2章 常见农作物秸秆性质分析及其灰制备
• 2.1 引言
• 2.2 常见农作物秸秆的工业分析与元素分析
• 2.2.1 生物质来源与试样制备
• 2.2.2 生物质试样的工业分析
• 2.2.3 生物质试样的元素分析
• 2.2.4 生物质的热值计算
• 2.3 稻秆气化原料的预处理
• 2.3.1 稻秆气化前的破碎处理
• 2.3.2 稻秆的特征尺寸
• 2.3.3 稻秆的真实密度与堆积密度测定
• 2.4 生物质灰样制备
• 2.4.1 生物质灰样制备方法
• 2.4.2 实验过程分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 生物质流化床气化试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 生物质流化床气化试验系统
• 3.2.1 螺旋加料器
• 3.2.2 空压机系统
• 3.2.3 流化床本体
• 3.2.4 气化产物的收集
• 3.2.5 试验系统的其他设备
• 3.3 稻秆流化床气化的一般工艺流程
• 3.4 稻秆流化床气化冷态试验
• 3.4.1 床料的选择
• 3.4.2 螺旋加料器转速与加料量的关系
• 3.4.3 布风板压降
• 3.4.4 床料粒径及静止床高的选择
• 3.4.5 稻秆的流态化特性
• 3.4.6 稻秆和石英砂的混合比例选择
• 3.4.7 稻秆和石英砂的混合流化特性
• 3.5 稻秆流化床气化工艺参数的确定
• 3.5.1 稻秆理论燃烧空气量计算
• 3.5.2 稻秆空气气化当量比
• 3.5.3 流化床流化风量的计算
• 3.5.4 热态试验所需加料量的计算
• 3.6 稻秆气化热态试验
• 3.6.1 试验材料
• 3.6.2 热态气化试验步骤
• 3.6.3 试验条件对稻秆气化灰渣分布的影响
• 3.7 稻秆气化热态试验的原料搭桥和灰渣结焦现象
• 3.7.1 稻秆的搭桥现象
• 3.7.2 反应条件的控制问题
• 3.7.3 稻秆与床料的结渣问题
• 3.8 本章小结
• 第4章 稻秆气化灰渣及生物质灰的特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 稻秆气化灰渣的工业分析
• 4.3 稻秆气化灰渣的热值计算和烧失量分析
• 4.4 稻秆气化灰渣及生物质灰的SEM分析
• 4.5 稻秆气化灰渣及生物质灰的EDS分析
• 4.6 稻秆气化灰渣及生物质灰的XRD分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 生物质灰渣的灰熔特性的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验设备及方法
• 5.2.1 实验设备与用品
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 生物质灰渣的灰熔点分析
• 5.4 氧化铝对生物质灰渣的灰熔性的影响
• 5.4.1 氧化铝与生物质灰渣的配比选择
• 5.4.2 不同添加比例对其灰熔点的影响
• 5.4.3 灰锥未熔物的XRD分析
• 5.5 生物质灰渣水洗处理对其灰熔性的影响
• 5.5.1 生物质灰渣的水洗处理
• 5.5.2 水洗处理后生物质灰渣的EDS分析
• 5.5.3 水洗处理后生物质灰渣的灰熔点分析
• 5.6 生物质灰渣的粘度特性和灰熔性指标的计算分析
• 5.6.1 生物质灰渣的粘度特性
• 5.6.2 生物质灰渣的灰熔性指标
• 5.7 本章小结
• 第6章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 论文特色和创新点
• 6.3 建议与展望
• 参考文献
• 致谢