摘要
生物质气化技术是生物质能利用的关键技术之一，可以部分替代煤炭并节约化石能源。生物质燃料中Cl和碱及碱土金属元素（AAEMs）含量较高，在气化过程中容易造成气化炉下游管路受热面沉积、结渣和腐蚀。挥发性的Cl、S、AAEMs和灰中Si、Al、Fe等元素相互反应，在初始沉积和后续积灰控制中都发挥了重要作用。研究Cl/S/AAEMs/Fe/Si/Al相互作用下的积灰特性及机理对减缓生物质气化炉受热面沉积结渣具有重要意义。 本论文选取低氯玉米秸秆和高氯马尾藻作为原料，利用一维沉降炉气化系统，考察了不同Cl及AAEMs含量的两种生物质在800℃-950℃受热面温度下的气化积灰特性；在此基础上，进一步研究富含Si、Al、S和Fe元素的煤灰添加对气化炉积灰特性的影响，采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、离子色谱（IC）、场发射扫描电镜与能谱联用（SEM-EDS）以及X射线衍射（XRD）等分析手段，揭示煤灰添加对玉米秸秆和马尾藻积灰特性的抑制机制；最后探讨了煤灰添加Cl、S及AAEMs模型化合物后，Cl/S/AAEMs/Fe/Si/Al相互作用下的积灰机理。 得到了以下主要结论： 1.Cl/AAEMs对气化积灰特性的影响。Cl和AAEMs均能促进受热面的灰沉积，相同沉积温度下高Cl高AAEMs的马尾藻内外层积灰更严重。Cl主要影响850℃以下受热面的初始沉积，随着温度升高，Cl和K释放至气相，Na基铝硅酸盐是促进850℃以上受热面内层积灰的主要原因。而Ca与Si和Al反应生成的硅酸盐和铝硅酸盐是影响外层积灰的主要原因。 2.煤灰添加对不同Cl/AAEMs含量生物质积灰的抑制作用。煤灰对生物质积灰的抑制主要体现在减轻外层积灰，其所含的Si、Al、S和Fe等元素会促进生物质内层积灰，因此添加煤灰对内层积灰的抑制效果较弱。积灰抑制效果与煤灰添加比例存在最优区间，添加15%和10%的煤灰分别对低Cl玉米秸秆和高Cl马尾藻的积灰抑制效果最好。 3.煤灰添加对两种生物质积灰机制的影响。在低Cl玉米秸秆中，添加15%的煤灰有利于Ca与Si、Al间反应形成高熔点的钙长石，减轻积灰问题；然而当煤灰添加比例为20%以上时，灰层内析出低熔点的钙铁辉石和透长石，加剧外层积灰。在高Cl马尾藻中，添加10%煤灰后，Ca、Mg与Si、Al形成钙长石和透辉石，减轻外层积灰。 4.Cl/S/AAEMs/Fe/Si/Al相互作用下的积灰机理。FeS的粘附以及碱金属氯化物和铝硅酸钠的熔融一同促进了内层积灰。Na、S、Fe、Si和Al等元素形成的Fe-O-Si、Fe-O-S和Fe-Na-O-Al-S等低温共熔物，在内层灰表面上随灰颗粒不断熔融烧结促进外层积灰增长。
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