碱金属硫化对生物质燃烧生成纳米级颗粒物影响的机理研究

The transformation of alkali metals in gas species and solid depositions can be significantly affected by sulfuration induced by the sulfur components in biomass combustion, which is also meaningful to the slagging and corrosion on heating surfaces and the emission of submicron fine particles. Also, recent works of the proposer demonstrate that the nano particles containing alkali and sulfur produced by sulfuration play the core role in the initial incubation period of slagging and submicron fine particles. In the presented project, based on experiments and theory analysis, the effect of sulfuration on the formation of nano particles containing alkali metals is investigated and the kinetic mechanism of secondary transformation of alkali metal in both homogenous and heterogeneous sulfuration process is developed. The macroscopical formation characteristics of nano and submicron particles and gaseous species containing sulfur and chlorine in the co-firing of biomass with species of high sulfur content are carried on in a drop tube furnace firstly. Furthermore, in the plug flow reactor under the ideal conditions of high temperature, the kinetic mechanism of gaseous sulfuration process and nano particle deposition characteristics are studied, while the kinetic mechanisms of heterogeneous sulfuration process are studied in a fixed bed system and in a thermogravimetry system. Based on the experimental results, tools of quantum chemistry and chemical kinetic mechanism calculation are adopted to develop a detailed mechanism containing the sulfuration of alkali, which is further reduced and coupled in CFD calculation. The implement of this presented project can afford the theory basis for the prediction and controlling of the slagging and fine particle emissions in biomass combustion.

生物质燃烧过程中含硫组分引发的"硫化效应"可显著影响碱金属在气相及固相沉积物中的分布，对受热面结焦腐蚀及亚微米颗粒物排放均有重要影响；而申请人最新研究发现碱金属组分硫化后形成的纳米级颗粒物在积灰结焦和亚微米颗粒孕育初期具有核心作用。本项目以实验为基础并结合理论分析，探索生物质燃烧过程中碱金属硫化对纳米级颗粒物生成特性的影响，并发展碱金属在气相和细颗粒中二次转化的均相及非均相硫化动力学机理。研究将在宏观获得高硫物质与生物质混燃时纳米级颗粒物和S/Cl等气相组分生成特性的基础上，利用管式流反应器研究高温理想条件下含碱金属组分气相硫化的动力学及纳米细颗粒物沉积特性，利用固定床和热重研究涉及非均相硫化的动力学特性。基于实验结果，利用量子化学和反应动力学工具发展碱金属硫化的详细动力学机理，并通过机理简化实现与CFD耦合计算。本项目的开展将为预测和控制生物质燃烧设备结焦和细颗粒物排放提供理论基础。

生物质燃烧过程中含硫组分引发的“硫化效应”显著影响碱金属在气相及固相沉积物中的分布，对受热面结焦腐蚀及亚微米颗粒物排放均有重要影响。本项目以实验为基础并结合理论分析，探索生物质燃烧过程中碱金属硫化对细颗粒物生成特性的影响，并研究碱金属在气相和细颗粒中二次转化的均相及非均相硫化动力学。本项目取得的重要结果包括：（1）在管式流反应器中获得了燃烧温度、SO2//O2浓度、N2/CO2气氛、水洗和热解等因素对生物质燃烧细颗粒物的影响机制，发现生物质单独燃烧产生的亚微米及超细颗粒物由KCL和K2SO4构成，1000oC下亚微米颗粒物的粒径和K2SO4含量均显著高于1100-1300oC工况，高温不利于碱金属硫酸化的进行，该实验结果与详细反应机理的计算结果一致；不同浓度SO2加入的实验进一步证明了碱金属氯化物的硫酸化使亚微米颗粒物的粒径增大；而1350oC高温下生物质与高硫煤混燃过程中的硫酸化作用很弱，协同效应不显著。（2）通过机理计算和固定床实验分别获得了碱金属硫酸化的高温气相和中低温气固反应动力学特性，通过气相反应动力学机理计算建立了氯化物蒸汽向硫酸盐蒸气转化的反应路径并发现了SO3相关反应在该总包反应中的关键控制作用，通过固定床实验发现KCL/NaCL硫酸化的产物为K2SO4/Na2SO4，并且呈三段分布，分别获得了两种碱金属氯化物在不同区间内硫酸化的表观活化能，以及O2、SO2、H2O关键组分的反应级数。（3）通过实验研究了生物质中碱金属的挥发及再冷凝特性，并利用CFD数值计算耦合气溶胶动力学模型模拟了某12MW生物质锅炉炉膛出口烟气中的碱金属蒸汽在过热器壁面上的冷凝沉积特性，实验结果表明壁面冷凝温度对碱金属晶体的形貌和晶体结构组成具有重大影响，模拟计算的结果表明受热面上的积灰随灰中KCL含量的升高由于熔点降低而加剧，并且受热面纵向管间距对生物质灰沉积特性也有重要影响。.依托本项目共发表SCI论文21篇，EI检索论文14篇，国内中文核心论文7篇，国内外会议论文10余篇，申请发明专利2项。