生物质成型燃料燃烧颗粒物生成特性研究

摘要

作为一种储量巨大、极具利用潜力的可再生能源，生物质是应对能源危机和温室效应的极佳选择。生物质资源的使用虽然可以有效减少温室气体的排放，但是燃烧过程中会产生一定量的细微颗粒物，从而污染大气环境。鉴于此，本研究依托国家自然科学基金项目“生物质成型燃料燃烧颗粒物形成机理研究”，研究生物质及其成型燃料燃烧过程中颗粒物的生成机理，并研究了复合添加剂和混合成型对颗粒物产生的影响，基于此提出了颗粒物的控制措施，对生物质的高效燃烧和清洁利用有重要的意义。 首先，研究了生物质颗粒的燃烧特性和动力学机理，采用热重分析仪研究了生物质粉末与成型燃料的燃烧失重特性，并结合热分析动力学中的非等温法和malek判别法探讨了成型对燃烧过程动力学机理的影响。研究发现成型减缓了挥发分的释放，导致挥发分的着火延迟，进而使得挥发分的燃烧与固定碳的燃烧发生重叠，从而提升了燃烧过程第一阶段的失重速率，造成这一阶段的失重峰更加剧烈。而在挥发分燃烧结束后，残留的固定碳的燃烧形成了第二个失重峰，造成燃烧过程第二阶段的失重峰较为微弱。生物质样品不同，其燃烧动力学机理不同，棉秆成型燃料的燃烧主要由扩散机理模型主导，而玉米秆成型燃料则由反应级数模型控制。稻壳成型燃料燃烧的前半阶段属于扩散机理模型，而后半段则属于反应级数模型。樟木成型燃料燃烧初期属于扩散机理模型，随着燃烧的进行转变为反应级数模型，最后又转变为相界面模型。 接着，为了研究生物质粉末燃烧过程中颗粒物的形成机制以及生物质种类和燃烧温度的影响，采用滴管炉燃烧反应系统，使用低压撞击器（DLPI）收集燃烧产生的颗粒物样品，并使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和离子色谱（IC）分析了颗粒物样品中的无机矿物质的元素含量，最后结合环境扫描电镜（ESEM）观测了颗粒物的形貌特征。结果发现农业废弃物燃烧产生的颗粒物主要是由小于1微米的亚微米颗粒组成，主要通过KCl和K2SO4气化-冷凝而成。但是林业废弃物樟木燃烧产生的颗粒物却主要由PM1-10组成，碱土金属和Si在燃烧过程中的直接转化以及对应硅酸盐、磷酸盐的破碎/聚并是其主要生成机制。 随后，在固定床上研究了成型以及成型过程中粘结剂的添加对于生物质燃烧过程中颗粒物形成和排放特性的影响。使用环境扫描电镜和能谱分析（ESEM-EDS）分析了颗粒物中的元素组成，并运用X射线荧光光谱分析（XRF）和X射线衍射仪（XRD）分析了底灰中的元素组成和结构。结果表明四种生物质成型燃料燃烧产生的颗粒物主要由亚微米颗粒物PM1组成。粘结剂CMC的添加，明显增加了燃烧过程中PM1的生成量。对于棉秆成型燃料而言，三种粘结剂（CMC、膨润土和木质素磺酸钙）作为粘结剂使用时都会造成PM1排放的增加，尤其是CMC和木质素磺酸钙，增加量十分明显。 随后，为了降低生物质成型燃料燃烧过程中颗粒物的排放，引入了三种无机矿物质添加剂，研究了无机矿物质的添加对于生物质燃烧过程中颗粒物排放特性的影响。三种无机矿物质中，硅藻土减少亚微米颗粒物排放的效果最明显，减排量高达18.7%；高岭土对于亚微米颗粒物的也有一定的抑制效果，但是并不显著；氢氧化钙则大大提升了PM10的排放。为了控制颗粒物的排放，选取了硅藻土和CMC粘结剂制备复合添加剂，研究了复合添加剂对于颗粒物生成的抑制作用。复合添加剂（CMC+硅藻土）有效的降低了颗粒物的排放量，本实验条件下，当CMC和硅藻土的配比为1/4时，颗粒物的减排效果最佳，CMC和硅藻土之间的交互作用也最显著。 最后，结合稻壳颗粒富Si特性，研究了稻壳与生物质混合成型燃料燃烧过程中颗粒物的形成特性。研究发现棉秆和稻壳在燃烧过程中的交互作用并不明显，玉米秆和稻壳之间的交互作用主要抑制了PM0.1-1的生成。三种混合成型燃料中，樟木/稻壳混合成型燃料之间的交互作用对于PM1生成的抑制效果最明显。 该研究成果对生物质燃烧过程中颗粒物形成机理的了解有着重要的意义，同时对生物质燃烧颗粒物排放控制提供了有效的方法和科学的指导。

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