实验探究世界科学研究论文提纲

论文题目：负载型添加剂改性生物质成型燃料性能研究

摘要：世界科学技术飞速发展的同时也伴随着能源短缺和环境污染等问题,可再生能源因为其清洁性和可持续性越来越受到人们的重视,其能源消费量将在2050年超越煤炭、石油等传统化石能源。我国是一个农业大国,蕴藏着丰富的生物质能源,发展生物质成型燃料符合我国国情。生物质成型燃料作为可再生替代燃料,有着成本低、污染物排放低、方便运输和储存等优点,但存在着一些不足,如热值偏低,碱金属含量高导致燃料灰熔融结渣等。通常使用添加剂对生物质成型燃料进行改性,开发多功能添加剂,减少添加剂成本和提高作用效果成为研究主题。本文实验探究生物炭负载型添加剂优化成型燃料型性能,即使用甲酸钙和磷酸二氢铵按照一定比例配置成溶液,以未燃尽炭（粒径大于0.3 mm的生物质锅炉飞灰）作为载体,载体通过浸渍负载添加剂后与生物质原料进行掺混。开展了以下工作:（1）选用的生物质原料为木屑和玉米秸秆,两种生物质分别具有木本生物质和草本生物质的典型特征,对三种掺混比例下的生物质成型燃料进行物理特性检测,得出木屑和玉米秸秆质量比在3/7、4/6、5/5情况下均保持良好的机械耐久性。使用TG-DSC对生物质原料进行分析,得出生物质成型燃料的燃烧主要分为五个阶段,即脱水阶段（＜200℃）、挥发分燃烧阶段（约200℃～350℃）、过渡阶段（约350℃～400℃）、固定碳氧化阶段（约400℃）和燃尽阶段（＞500℃）。根据TG-DTG图像得出热力学参数,求得玉米秸秆着火温度为270℃,木屑为294℃,玉米秸秆明显比木屑更容易被点燃,两者掺混质量比为5/5时综合燃烧指数最好。根据Coats-Redfern法对热重曲线进行动力学拟合,燃料在挥发分燃烧阶段和固定碳氧化阶段拟合线性相关系数R2基本在0.99以上,拟合效果较好。通过计算所得的活化能E和指前因子A显示木屑和玉米秸秆按4/6和5/5进行掺混均可有效提高燃烧中后期的反应效率。测试了生物质原料在900℃固定床下NO、SO2排放特性,得出木屑和玉米秸秆按质量比5/5掺混时,NO、SO2析出量最低,结合物理特性、热力学参数和动力学参数,得出木屑和玉米秸秆的最优掺配比为5/5,该比例将作为后续实验研究的生物质原料。（2）探究了负载型添加剂对生物质成型燃料污染物排放的影响。SO2析出受温度的影响较大,900℃下成型燃料在无负载情况下的自固硫特性较高,实现了SO2的近零排放;1000℃下固硫率有轻微下降,但仍保持在93%以上,实时浓度也控制在10mg/Nm3以下,XRD表征显示1000℃以下灰中硫元素以CaSO4、Na2SO4、K2Ca2（SO4）3等形式存在;1100℃下固硫率出现明显降低,仅靠生物质自身的固硫成分无法满足较好的固硫效果。温度越高,成型燃料氮析出率越低。负载甲酸钙可以有效提升成型燃料高温下的固硫率,10wt%载体下,固硫率提升 7.09%～13.73%,20wt%载体提升 14.54%～16.42%,20wt%载体相比与10wt%负载效果更加稳定,对于燃料的氮析出率来说,较高的甲酸钙负载量对其影响不大。在固定负载钙硫比为2的甲酸钙情况下继续负载磷酸二氢铵,结果显示随着磷酸二氢铵的负载量的增加,氮硫析出变化不大,磷酸二氢铵的加入仅对氮硫析出有轻微的促进作用。考虑到过量的负载会导致燃料热值降低,因此在抑制污染排放方面的最优负载条件为20wt%载体负载钙硫比为2的甲酸钙。（3）碱酸比、沾污指数和硅比显示,生物质原料灰熔融性为严重结渣。负载型添加剂可以改善上述问题,燃烧灰形貌显示在无负载情况下的燃烧灰,其形貌上出现大范围的孔洞,缩聚情况明显,负载甲酸钙可以使大孔洞消失,磷酸二氢铵的加入使燃料的灰质更加松散,熔融结渣现象得到改善。单一负载甲酸钙可提升生物质成型燃料的灰熔融温度,当负载量钙硫比为8时提升效果最好,燃料DT提升了114℃,ST提升了75℃,但负载量过大;负载甲酸钙和磷酸二氢铵对灰熔融温度不仅有明显提升效果,且负载量也在可控范围。因此得出改善灰熔融的最优负载条件为20wt%载体负载钙硫比为2的甲酸钙和磷钾比为1的磷酸二氢铵。对负载型添加剂改善成型燃料灰熔融性进行了机理解释,甲酸钙可在特定温度下与灰中成分结合生成Ca2Mg（Si2O7）、CaMgSi2O6等复合金属盐,磷酸二氢铵的加入又可将K、Na等金属元素以K-Ca、Na-Ca磷酸盐的形式固定在底灰中,上述较为复杂的盐类均有1500℃以上的熔融温度,极大改善了燃料的灰熔融性。

关键词：负载;添加剂;生物质;成型燃料;燃烧;SO₂;NO;灰熔融

学科专业：动力工程（专业学位）

摘要

ABSTRACT

主要符号说明

第1章 绪论

1.1 能源利用现状

1.1.1 生物质能源发展现状

1.1.2 生物质成型燃料

1.2 生物质成型燃料添加剂发展现状

1.2.1 成型黏结剂

1.2.2 减排烟气污染物添加剂

1.2.3 改善灰熔融性添加剂

1.2.4 添加剂存在问题

1.3 本文研究目的与内容

1.3.1 研究目的与意义

1.3.2 研究内容

1.4 本章小结

第2章 实验装置与方法

2.1 实验原料与试剂

2.2 实验仪器与设备

2.2.1 生物质成型系统

2.2.2 热值及热分析系统

2.2.3 污染物排放测试系统

2.2.4 灰熔融测定系统

2.2.5 材料物相分析系统

2.3 本章小结

第3章 生物质原料基本特性

3.1 生物质原料物理特性

3.2 生物质原料燃烧特性

3.2.1 燃料热力学参数

3.2.2 燃烧动力学参数

3.3 生物质原料排放特性

3.4 本章小结

第4章 负载型添加剂对成型燃料污染物排放的影响

4.1 污染物排放数据处理方法

4.2 不同因素对燃料氮、硫氧化物排放的影响

4.2.1 温度

4.2.2 负载量

4.2.3 负载种类

4.3 本章小结

第5章 负载型添加剂对成型燃料灰熔融特性的影响

5.1 灰熔融性表征

5.2 负载型添加剂对燃料燃烧灰形貌的影响

5.3 负载对燃料灰熔融温度的影响

5.3.1 结果分析

5.3.2 机理分析

5.4 本章小结

第6章 总结及建议

6.1 全文总结

6.2 本文创新点

6.3 未来研究建议

参考文献

致谢