城市污水污泥抑制秸秆流化床燃烧粘结的机理研究

【摘要】：流化床燃烧技术由于其燃料适应性广、燃烧效率高及污染物排放少等优点,是大规模高效利用生物质最有前途的技术之一。秸秆资源在我国生物质资源中占有重要地位,然而由于秸秆中碱金属含量较高,在流化床燃烧过程中,易引发结焦、床料粘结、积灰及腐蚀,其中最突出的是床料粘结导致流化失败的问题。解决秸秆流化床燃烧过程中碱金属引发的粘结问题,对于秸秆的利用具有很高的实用价值。 本论文提出利用城市污水污泥(以下简称污泥)与秸秆混烧解决秸秆流化床燃烧过程中粘结问题的新思路。主要研究了污泥与秸秆混烧特性；探索了污泥对秸秆流化床燃烧过程中粘结问题的影响；阐明了污泥中磷元素对秸秆中碱金属元素迁移转化行为的影响以及与碱金属间的反应机理；最终掌握利用污泥控制秸秆流化床燃烧粘结的方法。 利用热重-质谱联用技术(TG-MS)对秸秆与污泥混烧特性以及气体产物释放规律进行研究。研究结果表明：秸秆、污泥单独燃烧及秸秆与污泥混烧的失重过程主要分成两个阶段：挥发分的析出和燃烧及固定碳的燃烧。对于秸秆与污泥混合燃料,挥发分析出阶段主要受秸秆燃烧控制,碳燃烧阶段主要受污泥燃烧控制,污泥的掺混降低了秸秆燃烧的综合燃烧特性,但有利于降低秸秆燃烧过程中CO2、NH3、 HCN和NO气体析出峰的离子强度。 采用立管炉实验系统,研究了污泥对秸秆燃烧过程中碱金属迁移转化特性。研究结果表明,污泥对秸秆中碱金属具有捕集作用,形成了高熔点的硅铝酸盐KAlSi2O6、KA1Si3O8和磷酸盐Ca9MgK(PO4)7。以三种磷酸盐(磷酸二氢铵NH4H2PO4、磷酸二氢钙Ca(H2PO4)2·H2O、磷酸钙Ca3(PO4)2)为富磷添加剂与麦秆混烧,研究了混烧过程中碱金属的迁移转化规律以及含磷添加剂与碱金属的反应机理。研究结果表明：三种富磷添加剂与麦秆混烧提高了碱金属在底灰中的固留率,抑制了碱金属以气态形式析出；有利于抑制低熔点碱金属盐的生成以及低温共熔现象的发生；NH4H2PO4和Ca(H2PO4)2·H2O与麦秆中的碱金属反应主要生成CaK2P2O7; Ca3(PO4)2与麦秆中的碱金属反应主要生成Ca10K(P04)7. Ca10Na(PO4)7和Ca5(PO4)3Cl。选择Ca3(PO4)2为污泥中磷的模型化合物,深入研究污泥与麦秆混烧过程中P与碱金属的反应机理。Ca3(PO4)2与KCl在温度高于800℃时生成Ca10K(PO4)7和Ca5(PO4)3Cl,此反应揭示了污泥麦秆混烧过程中磷酸钾盐的生成机理。 利用5kW鼓泡流化床实验装置,研究污泥对麦秆流化床燃烧粘结失流特性的影响。研究结果表明,污泥的掺混可以降低麦秆燃烧过程粘结趋势延长失流时间。污泥灰对碱金属具有捕集作用,使碱金属生成高熔点的硅铝酸盐KA1Si3O8、 KAlSi2O6和磷酸盐Ca9MgK(PO4)7,抑制了碱金属元素与石英砂床料之间的反应,从而有效抑制麦秆燃烧时粘结失流问题的发生。通过污泥中磷的模型化合物Ca3(PO4)2与麦秆混烧研究污泥中磷对麦秆燃烧粘结失流特性的影响,实验结果证明了污泥中P对麦秆燃烧粘结失流的抑制作用。随着床层温度升高,需要增加Ca3(PO4)2的掺混量以抑制粘结失流发生。 基于Gibbs自由能最小化法,利用FactSage6.1热力学平衡软件计算了秸秆与污泥混烧过程中碱金属的平衡分布,为利用污泥控制碱金属问题提供了理论基础。计算结果表明,秸秆中K和Na的化学形态分布有很大的不同。随着燃烧温度的升高,K更易以熔融态和气态形式存在；与玉米秆相比,麦秆在燃烧时碱金属分布中熔融态和气态的摩尔百分比更大；与秸秆相比,污泥中的碱金属主要以固态或者熔融态存在；秸秆与污泥混烧会改变秸秆中碱金属的分布,掺混质量比对秸秆与污泥混合物在不同温度下对K化学形态分布的影响较大,对Na化学形态分布影响较小；污泥有助于改善秸秆单独燃烧时碱金属的分布,有利于高熔点硅铝酸盐KA1Si2O6生成,减少气态KC1的释放。 【关键词】：秸秆 城市污水污泥 流化床燃烧 碱金属 磷
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 符号表10-15
• 第一章 绪论15-33
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 国内外研究现状16-31
• 1.2.1 生物质中碱金属的迁移转化规律16-20
• 1.2.2 生物质流化床燃烧粘结机理20-26
• 1.2.3 生物质流化床燃烧粘结控制方法26-28
• 1.2.4 生物质与污泥混烧控制碱金属问题研究现状28-31
• 1.3 本论文研究目的和内容31-33
• 1.3.1 研究目的与意义31
• 1.3.2 研究内容与方法31-33
• 第二章 秸秆与污泥混烧特性研究33-56
• 2.1 引言33
• 2.2 实验部分33-38
• 2.2.1 实验装置与分析手段33-35
• 2.2.2 实验原料35-37
• 2.2.3 实验方法37-38
• 2.3 结果与讨论38-54
• 2.3.1 秸秆与污泥混烧特性分析38-43
• 2.3.2 秸秆与污泥混烧过程中相互作用43-46
• 2.3.3 秸秆与污泥混烧过程中气体析出规律46-50
• 2.3.4 秸秆与污泥混烧动力学分析50-54
• 2.4 本章小结54-56
• 第三章 秸秆与污泥混烧过程中碱金属迁移转化行为研究56-70
• 3.1 引言56
• 3.2 实验部分56-58
• 3.2.1 实验原料56
• 3.2.2 实验系统与实验方法56-57
• 3.2.3 检测仪器和方法57-58
• 3.3 结果与讨论58-69
• 3.3.1 秸秆与污泥混烧底灰中碱金属固留率分析58-61
• 3.3.2 秸秆与污泥混烧底灰中晶相分析61-65
• 3.3.3 秸秆与污泥混烧底灰微观形貌分析65-69
• 3.4 本章小结69-70
• 第四章 富磷添加剂对麦秆燃烧过程中碱金属迁移转化的影响研究70-86
• 4.1 引言70
• 4.2 实验部分70-71
• 4.2.1 原料和试剂70-71
• 4.2.2 实验系统与实验方法71
• 4.3 实验结果与讨论71-84
• 4.3.1 富磷添加剂对麦秆中碱金属固留率的影响71-72
• 4.3.2 富磷添加剂与麦秆中碱金属的反应特性研究72-76
• 4.3.3 富磷添加剂与KCl的反应特性研究76-78
• 4.3.4 磷酸钙与麦秆中碱金属的反应特性研究78-84
• 4.4 本章小结84-86
• 第五章 污泥对麦秆流化床燃烧粘结特性影响的研究86-111
• 5.1 引言86
• 5.2 实验系统86-87
• 5.3 实验方法和实验方案87-91
• 5.3.1 实验原料87-88
• 5.3.2 实验方法88-89
• 5.3.3 实验方案89-91
• 5.4 结果与讨论91-109
• 5.4.1 麦秆流化床燃烧粘结机理分析91-97
• 5.4.2 污泥对麦秆流化床燃烧粘结失流问题的影响97-105
• 5.4.3 污泥中磷的模型化合物对麦秆粘结失流问题的影响105-109
• 5.5 本章小结109-111
• 第六章 秸秆与污泥混烧过程碱金属分布的化学热力学分析111-121
• 6.1 引言111-113
• 6.2 实验部分113-114
• 6.2.1 实验原料113
• 6.2.2 化学热力学平衡计算输入条件113-114
• 6.3 结果与讨论114-119
• 6.3.1 秸秆燃烧过程中碱金属化学形态分布114-116
• 6.3.2 污泥燃烧过程中碱金属化学形态分布116-117
• 6.3.3 麦秆与污泥混烧过程中碱金属化学形态分布117-118
• 6.3.4 玉米秆与污泥混烧过程中碱金属化学形态分布118-119
• 6.4 本章小结119-121
• 第七章 结论与展望121-124
• 7.1 结论121-123
• 7.2 研究展望123-124
• 参考文献124-133
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和研究成果133-134
• 攻读博士学位期间参与的课题和项目134-135
• 致谢135

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