生物质燃烧中碱金属迁移转化和沉积行为研究

摘要

作为一种可再生能源，生物质能具有储量大，低污染，低CO2排放等特点。大规模的利用生物质能，有助于缓解目前的能源短缺、环境污染以及温室气体排放等一系列问题。但是由于生物质中碱金属含量高，这使得生物质在燃烧利用过程中极易产生严重的灰沉积和腐蚀问题。因此，关于生物质燃烧中碱金属的迁移转化和沉积规律的研究对解决生物质锅炉灰沉积和腐蚀问题，扩大生物质利用的规模就显得十分重要。
　　本文首先运用Gibbs自由能判据，对生物质燃烧过程中可能进行的反应进行了分析，讨论了碱金属可能的迁移转化途径。并使用Gibbs自由能最小化模型对不同温度下生物质燃烧过程中碱金属的行为进行了预测。结果表明，在温度低于600℃时，碱金属主要存在于固态物质中，主要有K2O2SiO2、KCl、K2 SO4、Na2 CO3、Na2 SO4、Na2 SiO3等。当温度超过600℃时，碱金属开始进入气相，主要形式为碱金属氯化物。当温度大于1000℃时，还会形成气态的碱金属氢氧化物。
　　还利用热力学平衡模型研究了生物质中的Cl、S、Si、Al对碱金属迁移转化的影响。结果表明，Cl元素有助于碱金属的挥发，而S、Si、Al三种元素都在一定程度上抑制了碱金属的挥发。S/(K+Na)的最佳摩尔比约为1，Al/(K+Na)最佳摩尔比约为1.5。Si的加入虽然减少了碱金属的挥发，但同时增加了低熔点碱金属硅酸盐的量，对缓解灰沉积效果不明显。
　　结合热力学的分析结果，对秸秆直燃锅炉高、低温过热器灰样进行了分析。结果表明，该锅炉过热器积灰的原因主要是气态碱金属化合物在过热器表面凝结，并吸收烟气中的SO2，导致积灰硬化烧结。通过比较高、低温过热器灰样的成分发现，碱金属氯化物的硫酸盐过程更易发生于温度较高的高温过热器。

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1绪 论

1.1本课题的背景和意义

1.2生物质燃烧发电中碱金属引起的问题

1.3国内外研究现状

1.4本课题研究的目的与内容

2生物质燃烧中碱金属的迁移转化以及多元多相反应系统

2.1化学热力学基本理论

2.2碱金属及相关元素形成的多元多相反应系统

2.3本章小结

3碱金属迁移转化的化学热力学平衡研究

3.1热力学平衡模型

3.2计算原理和条件

3.3热力学平衡计算结果分析

3.4热力学平衡预测的局限性

3.5本章小结

4秸秆锅炉过热器碱金属引起的灰沉积问题分析

4.1锅炉系统

4.2采样结果分析

4.3灰沉积机理分析

4.4烟气中氯化钾的硫酸盐化过程

4.5解决过热器灰沉积问题的建议

4.6本章小结

5全文总结与建议

5.1全文总结

5.2下一步工作建议

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位发表的论文