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1、华中科技大学 硕士学位论文 生物质灰特性及其结渣机理的研究 姓名：叶贻杰 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：陈汉平 20070130 I 摘 要 生物质能作为世界一次能源消费中的第四大能源资源，在历史长河中与人类生活 密切相关，是唯一可存储和运输的可再生能源，在人类未来的能源系统中也将占有重 要地位。然而，在实际的生物质燃烧、气化利用过程中，结渣现象已经频繁地发生， 成为重大的运行问题之一。而结渣的问题，通常是与燃料灰的特性密切相关。因此， 为了高效地利用生物质能，需要充分掌握生物质灰的各种性质，而且从试验和理论的 层面探讨其相应的结渣机理。 本文选取木屑、花生壳、谷壳和稻秸四种常
2、见的生物质，分别在高温和低温下进 行灰化，探讨了灰分量随灰化温度和灰化时间变化的关系，并利用带有X射线能谱仪 的扫描电镜（EDX-SEM）对不同生物质灰中的主要氧化物成分、无机元素组成以及 灰的微观形态进行了研究，还测试分析了每种生物质的熔融性。结果表明：硅和钙在 生物质的无机元素总构成中占有最大的比例，其中K2O、Na2O的含量也较高，由此导 致其熔融温度低。 在灰特性研究的基础上，为了深入理解生物质利用过程中内在的结渣机理，以采 取有效的预防措施，从与结渣现象密切相关的影响因素以及床结渣的物理化学特性两 个方面， 对生物质流化床燃烧的结渣问题进行了理论分析。 并初步探讨了SiO2和Al2O
3、3 对生物质灰熔融性的影响，二者配比的增加降低了混合物的熔融性，且温度水平对 Al2O3混合物熔融影响较小。进一步，根据对实验数据的处理，求解了生物质的各种 常规结渣指标，并采用模糊评判的方法判别出不同生物质的结渣倾向。 通过本文对生物质灰特性及其结渣机理的分析研究，为形成生物质基本性质分 析的系统理论提供了一定的参考，加深了对生物质灰多方面特性的认识，也有助于 今后关于生物质结渣的综合研究。 关键词：生物质，灰特性，结渣，指标 II Abstract The amount of biomass resource is the fourth in the once energy consump
4、tion globally. Biomass plays critical role to human life. It is the only storable and transportable reproducing energy and is an important alternative to energy consumption in the future. However, agglomeration is displayed frequently during the practical biomass combustion and gasification, and dis
5、turbs the normal operation. The agglomeration is affected by the characteristics of biomass ash. Hence, it is quite necessary to understand the characteristics of biomass ash, and explore corresponding agglomeration mechanism from the experimental and theoretical respects, so that it can be utilized
6、 efficiently. In this study, four typical biomass resources: wood dust, peanut shell, rice shell and rice stem, were selected to make ash in high and low temperature, respectively, to explore the relationship of ash weight with combustion temperature and time. And then the main oxide component, inor
7、ganic element composition and microscopic morphologies were analyzed via a scanning electron microscope (SEM) with energy dispersive X-ray analysis (EDX). In addition, the melt point of every biomass ash was measured and analyzed. The results showed that the proportion of silicon and calcium was the
8、 most, and the content of K2O and Na2O was also quite high, resulting in the melt point low. To understand the inherent agglomeration mechanism during biomass application and approach preventive measures effectively, the agglomeration problem was analyzed from two aspects of influencing factors rela
9、ted to agglomeration phenomenon and physical and chemical characteristics of bed agglomeration during biomass fluidized-bed combustion. Then the effects of SiO2 and Al2O3 on biomass ash melting characteristic was explored, the melt degree of compound decreased with amount of addition rising, and the
10、 influence of temperature was weak for Al2O3. Finally, with the help of dealing with experiment data, the common agglomeration quotient was calculated to determine the agglomeration degree of different biomass through fuzzy mathematics. This thesis supplies essential reference for the forming of bio
11、mass characteristics theory, and important aspects of biomass ash characteristics are understood profoundly. It is beneficial for the synthetic researches of biomass agglomeration in the future. Keyword: biomass，ash characteristic， agglomeration，quotient 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。
12、尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书
13、。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 论 1.1 引言 人类社会发展到21世纪，能源与环保已成为限制社会发展的主要瓶颈。根据国际 能源机构的统计，假使按目前的势头发展下去，不加节制，人类使用的主要能源（原 油、天然气和煤炭）的地球储量供人类开采的年限分别只有40年、50年和240年。而 且，这三种常规能源的使用所带来的环境问题日益严重，表现为大气污染、臭氧层破 坏和温室效应加剧、自然灾害频繁发生，发展下去将使自然界失去供养人类生存的能 力。新能源和可再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最
14、具有决定性影响的技术 领域之一。在国际上，新能源和可再生能源技术越来越受到重视。比如，美国计划在 21世纪中叶利用可再生能源量要达到整个能源利用总量的1/3； 我国政府也一直关心新 能源和可再生能源的开发利用，面对常规能源供应日渐紧张的趋势及其所带来的环境 危害，研发新的能源已以成为能源科研工作者们的首要课题。 生物质能是一种资源丰富的可再生的清洁能源，利用生物质能符合实现可持续发 展的要求，许多国家加大了生物质能研究与开发力度，我国于2006年实施中华人民 共和国可再生能源法，将生物质能等可再生能源的科学技术研究和产业化发展列为 国家科技发展与高技术产业发展的优先领域。所谓生物质（bioma
15、ss）是指有机物中除 化石燃料外的所有来源于动、植物能再生的物质。生物质能则是指直接或间接地通过 绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。与煤 相比，生物质燃料具有C、N、S、Cl 含量低，O 含量高，挥发份含量高，热值低， 易着火， 燃烧生成CO2 、 SOx 、 燃料型NOx 低等特性。 燃烧生物质燃料所释放的CO2 可在植物进行光合作用时被吸收，如果适当利用生物质能则可以构成一个封闭的CO2 循环，因此从长远来看，燃用生物质燃料可以实现CO2净排放为零。生物质燃料大致 可分为四大类，依次为农业生物质，即农作物收获和加工后的残余物，如稻草、稻壳 及麦秸等；森林
16、生物质，即林产品残余物，如树林剪枝木、木屑、树皮和针叶、木块 2 等；城市固体废弃物，如废橡胶、废塑料、纸张等；能源作物，如短周期轮作的作物， 快生林等，如表1-1所示1。 表表1-1 生物质的具体分类及其供能源利用部分生物质的具体分类及其供能源利用部分 生物质的种类 供能源利用部分 水稻 稻草、谷壳 小麦/大麦 麦秆 棉花 棉秆、花托 玉米 秸秆、玉米芯 花生 秸秆、果壳 芝麻 秸秆 向日葵 收获向日葵籽后的剩余部分、葵壳 大豆 秸秆 油菜 收获油菜籽后的剩余部分 农业生物质 肥料 牛、马、猪、家禽 松、杉 纯木块、木屑、针叶、树皮、枝条、球果 桦 纯木块、木屑、树皮、枝条 栎、柳、槐等纯木块、木屑、树皮、枝条 橡胶树等 纯木块、木屑、树皮、枝条 杨、柳 木块、木屑、树皮、枝条 果园林 苹果树、梨子树、桃树、柑橘树的剪枝木
