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生物质双床气化气氛下床料聚团机理研究
马腾
学位类型博士
导师宋文立
2017-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业化学工程
关键词双流化床 生物质气化 床料聚团 灰熔温度 含钾组分
摘要

生物质双流化床气化工艺能够产生高热值煤气,同时达到较高的碳转化率。但在生物质流化床气化和燃烧过程中,床料颗粒易发生聚团失流化。床料聚团问题严重阻碍流化床的稳定运行。聚团物的形成与生物质灰熔特性密切相关。双流化床系统中气化器和燃烧器内的气氛完全不同,但生物质灰在不同气氛下引起床料聚团的机理尚不清楚。国内生物质双流化床气化中试规模研究相对较少。本论文主要从生物质灰熔特性、生物质灰和钾盐引起的床料聚团机理以及双流化床气化中试三个方面展开研究,主要研究内容和结果如下:首先,以热机械分析仪为工具,提出一种生物质灰的灰熔温度测量方法,并分别以特征温度Ts、Tm和T90表示灰样的烧结温度、剧烈熔化温度和完全熔化温度。与角锥法相比,该方法的重复性更好,且能够更灵敏地测量到灰样的烧结和初始熔化。灰样在剧烈熔化阶段的收缩是由硅酸钾熔化引起的,硅酸钾是引起床料颗粒粘结的主要物质,Tm可用于衡量不同生物质灰熔化引起的床料聚团失流化的倾向。其次,研究生物质灰和石英砂床料在不同气氛下的聚团失流化机理。实验结果表明,与空气和二氧化碳气氛相比,氢气气氛和水蒸气气氛下的床料聚团失流化温度更低。在空气气氛和氢气气氛下,床料颗粒的聚团主要是由生物质灰熔化引起;而在水蒸气气氛下,床料颗粒表面先形成硅酸钾包裹层,硅酸钾的熔化引起床料颗粒间的粘结。在气化和燃烧气氛下,床料聚团均是由生物质灰熔化引起的,但气化气氛下的聚团失流化温度更低。FactSage模拟计算结果表明,与燃烧气氛相比,更多的K在气化气氛下转化进入熔渣相,生物质灰和床层中的熔渣相比例均明显增加。气氛主要是通过改变钾盐的转化来影响床料聚团失流化温度和聚团机理。研究不同钾盐与石英砂床料的聚团失流化机理,并研究气氛对聚团机理和钾盐转化的影响。KCl和K2SO4分别在水蒸气气氛和氢气气氛下与石英砂中SiO2反应生成硅酸钾,硅酸钾的熔化引起床料颗粒的聚团失流化;在任何气氛下,K2CO3均能够与石英砂中SiO2发生反应生成硅酸钾,但与空气气氛相比,K2CO3和石英砂在水蒸气气氛和氢气气氛下的聚团失流化温度更低。FactSage计算结果表明,在氢气气氛和水蒸气气氛下,K2CO3容易转化生成KOH,后者的熔化引起床料在更低温度下发生聚团失流化。在流化床燃烧和气化实验中,小麦秸秆和玉米秸秆均会引起床料颗粒的聚团失流化,而松木木屑燃烧和气化过程中无失流化现象发生。与其他两种生物质相比,松木木屑中的K含量和K/Ca均最低。在双流化床气化过程中,通过控制流化床中K与床料的比例和选取合理的燃烧温度及气化温度,能够有效避免聚团失流化的发生。在水蒸气气化条件下,煤气热值最高可达13 MJ/Nm3。空气气化和水蒸气气化条件下的循环倍率分别为11.4和14。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/24315
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
马腾. 生物质双床气化气氛下床料聚团机理研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2017.
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