论文摘要
生物质能作为一种可再生能源,其大规模利用有可能满足各种能源需求,同时能减少CO2的排放。目前,生物质直接燃烧是生物质能应用最简单可行的直接利用,但长期以来,生物质直接燃烧温度偏低和能量利用效率不高的缺点使得其推广应用受到了一定限制。将生物质破碎成微米燃料（BMF）,开发生物质微米燃料（BMF）高温高效燃烧技术,可进一步促进生物质的工业化应用和温室气体的减排。本文选取生物质微米燃料锯末及其半焦作为原料,为进一步提高其旋风燃烧温度,先添加其热值较高的半焦与之混燃,然后通过预热空气提高炉膛温度模拟烟气再循环技术,并探讨了生物质微米燃料煅烧水泥的可行性；同时,建立的燃烧动力学模型为进一步建立综合的燃烧数学模型打下了基础。论文具体研究工作如下：（1）生物质的挥发分高,着火性能和燃尽性能较好,但能量密度低；半焦固定碳含量高,热值高,但挥发分低,着火性能较差。生物质与其半焦混燃有助于各补其短,半焦可以补充生物质的较低热值,而生物质将有助于半焦提前着火。（2）采用热重分析仪对生物质微米燃料在不同升温速率下的热解、燃烧失重特性进行了分析。研究结果表明：生物质微米燃料综合反应活性随升温速率增加而提高。最大反应速率随着升温速率的增大呈线性增大趋势。在此基础上,建立了生物质微米燃料热解和燃烧的动力学模型。该模型通过三个主要组分半纤维素、纤维素和木质素热解的独立平行反应,可以比较准确的描述生物质微米燃料的二段燃烧过程：第一段类似于其热解过程,第二段是木质素热解残焦燃烧,其活化能较高。研究发现,实验结果与通过该模型的非线性回归法拟合获得的结果基本一致,证实了BMF的热解、燃烧过程中确实存在着上述假定的反应机理。（3）通过热重分析研究了生物质微米燃料和其半焦混燃特性,研究结果表明混燃各单组分间有协同促进作用,能改善单一组分的可燃性。在综合热分析基础上,考察了空气当量比、粒径、含水率、生物质半焦添加比例对生物质微米燃料旋风炉燃烧炉膛温度、烟气及灰分的影响。试验研究发现空气当量比为1.2,粉体粒径在0.177mm（即80目）以下,生物质含水率控制在8.1%以下,生物质半焦添加比例为20%,燃烧效果更好,燃烧经济成本合理,燃烧效率高于成型燃料的燃烧效率,燃烧烟气中NOx和S02等有害气体的含量较少。（4）在上述实验研究的基础上,初步开展了基于生物质微米燃料煅烧水泥的应用研究。相应条件下,通过空气预热,炉膛温度可提高到1360℃以上,可满足水泥煅烧的基本温度要求。并初步获得了成分符合要求的水泥熟料,验证了其可行性。但对该系统的能量评估表明：装置的燃烧效率较低,主要是由于排烟热损失导致的。（5）为了降低排烟热损失,可通过循环烟气加热空气,提高生物质燃烧温度和能量利用效率。为此,利用TG-DTA、TG-MS、GC等技术,初步研究生物质燃烧烟气再循环技术。先利用TG-DTA对比分析了O2/CO2与空气气氛（不同氧气浓度条件下）对生物质着火模式、燃烧特性的影响。结果表明：在O2/CO2气氛下,随着氧气的浓度增加,BMF的着火模式是从联合着火转变为均相着火模式；最大燃烧速率增大,着火点提前,且燃烧时间缩短。同时,CO2气氛有助于抑制NOx生成。进一步在管式固定床上考察了O2/CO2燃烧的初级阶段——气化的影响因素。实验结果表明：高温、较小粒径以及CO2气氛有利于生物质0气化反应的进行。气化比热解气氛下产生的可燃气体多,半焦产量少,有利于推进整个燃烧过程的进行,从而有望提高生物质燃烧温度,减少环境污染。故O2/CO2燃烧有望提高生物质燃烧温度,减少环境污染。