基于激光在线测量技术对煤/生物质混和燃烧条件下碱金属释放协同效应机理的研究

The co-combustion technique of coal and biomass is an important energy utilization method for replacing fossil fuels partly with renewable energy. However, the fouling, slagging and corrosion problems of heat transfer surfaces caused by the released alkali species constrain the wide use of this technique. In order to promote the safe and efficient utilization of coal and biomass, it is important and urgent to understand the alkali release mechanism and develop the control method of alkali release during the co-combustion of coal and biomass. In this project, in-situ measuring technique of the concentration of alkali species and amount of alkali elements during the whole co-combustion process of the typical coal and biomass fuels will be developed based on the laser diagnostic techniques, such as PLIF, LIBS and PIV. Combining with the measurements of alkali release history, pellet mass loss, pellet temperature and ash compositions before and after combustion, the synergistic effects on the alkali release during co-combustion of coal and biomass will be deeply discussed. Moreover, the effects of typical elements in ash, such as Si, Al, Ca, Mg, Fe, and the inorganic additives on the alkali release will be investigated to explore the inhibition mechanism of these species. The research work and results of this project will lay the scientific foundations for the wide utilization of the co-combustion technique of coal and biomass.

煤与生物质混合燃烧技术是目前以可再生能源替代部分化石燃料的重要能源利用方法。然而，由碱金属释放引发的锅炉受热面积灰、结渣和腐蚀问题严重制约了该技术的大面积推广应用。深入认识煤/生物质混燃条件下的碱金属释放机理、发展控制燃烧过程碱金属释放的技术手段对煤与生物质的安全高效利用具有决定性作用。本项目拟基于PLIF、LIBS、PIV等激光诊断技术建立煤/生物质混合燃烧过程中典型碱金属成分释放浓度和碱金属释放总量的在线定量测量方法，结合碱金属动态释放在线测量、颗粒质量、温度及燃烧前后固相成分变化等分析手段，深入研究煤与生物质混燃过程碱金属释放的协同效应机理，探究Si、Al、Ca、Mg、Fe等典型灰成分元素和无机添加剂对碱金属释放的影响规律，揭示煤/生物质混燃过程碱金属释放的抑制机制，为我国煤与生物质混合燃烧技术的大规模应用奠定科学基础。

深入认识煤与生物质混燃过程中碱金属释放的协同效应和抑制机理，可为煤与生物质的安全高效利用奠定科学基础，为国家实现“碳达峰、碳中和”目标提供技术支撑。本项目基于激光诱导击穿光谱LIBS、平面激光诱导荧光PLIF等技术建立了煤/生物质混合燃烧过程中典型碱金属成分和碱金属释放总量的在线定量测量方法，在研究二者混合燃烧特性的基础上，采用建立的激光诊断方法获得了生物质与煤混合燃烧过程中的碱金属释放特性，发现在煤/生物质混合燃料中当生物质比例增加时，颗粒燃烧加速，钠释放峰值前移，焦炭释放峰值逐渐前移并且与挥发分释放峰融合。准东煤中赋存含量最高且最容易释放的碱金属为水溶型钠，随着混合燃料中生物质比例的增加，水溶型钠的释放量不断下降。此外，本项目通过向生物质中添加不同形态硫和氯，研究了混燃过程中硫、氯对生物质钾释放的影响规律，发现硫的添加对K释放存在明显抑制作用，随着硫含量的增加，K释放曲线逐渐下降，释放峰值浓度显著降低。然而，不同Cl/K摩尔比下K释放曲线变化不大，表明氯对钾释放的影响作用相对有限。随后，为深入认识无机添加剂对煤与生物质混燃过程碱金属释放的影响机理，本项目首先以高钠准东煤为对象，利用激光技术对准东煤/矿物添加剂混烧过程中的碱金属释放特性进行了对比测量，分析了无机矿物添加剂对碱金属释放的抑制机理。研究发现，在添加斑脱土、高岭土和叶腊石后，准东煤整个燃烧过程的钠释放得到显著抑制，尤其是在焦炭阶段和灰分阶段。对于上述三种矿物添加剂，原煤在焦炭和灰分阶段释放的钠中90%以上得到有效抑制，并结合灰成分分析和相图计算，探讨了煤/生物质混燃过程的固相转化和防结渣机制，为我国煤与生物质的混合利用奠定了基础。在本项目资助下，共培养研究生5名，其中博士3名，硕士2名。已出版中文专著1部，发表学术论文14篇，其中SCI论文11篇，EI论文1篇，中文核心期刊论文2篇。