秸稈成型燃料提質(zhì)及清潔燃燒特性研究.pdf

1、生物質(zhì)能是當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，占世界能源消費(fèi)總量的14％;我國是農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源豐富。然而秸稈資源除了分布分散、能量密度低、運(yùn)輸成本高等缺點(diǎn)外，熱轉(zhuǎn)化及燃燒過程中堿金屬和氯元素等引起等的顆粒物排放高、受熱面積灰、結(jié)渣和腐蝕現(xiàn)象，以及燃料熱值低等問題均限制其廣泛應(yīng)用。研究改善秸稈成型燃料品質(zhì)及其清潔利用，對(duì)替代煤炭和發(fā)展可再生能源具有戰(zhàn)略意義，是技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。而成型加工、添加劑改性、熱解提質(zhì)

2、等是解決此類弊端的有效手段。本文從改良秸稈原料角度出發(fā)，通過尋求合適的添加劑及成型熱解工藝達(dá)到提高秸稈燃料品質(zhì)及清潔燃燒的目的。采用實(shí)驗(yàn)、模擬分析、理論分析等方法研究添加劑對(duì)秸稈成型燃料燃燒中鉀遷移及控制、氯和硫等污染物控制的作用規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出秸稈摻配添加劑—成型—熱解提升成型炭品質(zhì)的方法，系統(tǒng)研究熱解溫度和添加劑對(duì)成型炭理化、燃燒、灰熔融和污染物排放等特性的影響。本文開展的主要工作如下:
　　選取NH4H2PO4和Ca(

3、H2PO4)2作為磷基添加劑制備秸稈成型燃料，研究添加劑對(duì)灰熔融性及燃料燃燒成灰特性、鉀轉(zhuǎn)化的作用規(guī)律和機(jī)理。得出適宜的P/K摻配比為1.0～2.0，兩種添加劑均可以明顯提高成型燃料灰熔點(diǎn)，并明顯改善成型燃料燃燒時(shí)熔融和結(jié)渣問題。添加劑在700～1100℃內(nèi)均有效抑制鉀析出，其中NH4H2PO4在1100℃時(shí)的固鉀效果最佳，此時(shí)玉米秸稈(MS)和棉稈成型燃料(CS)的固鉀率分別增長了52.86％和64.89％。磷基添加劑與秸稈中的鉀元素

4、結(jié)合生成高熔點(diǎn)K-Ca-P化合物，從而提高了灰熔點(diǎn)、改善了燒結(jié)和熔融現(xiàn)象并控制鉀析出，有利于秸稈成型燃料的清潔燃燒。
　　選取BaCO3、CaO和CaCO3作為添加劑制備秸稈成型燃料，研究添加劑氯、硫等固定特性的影響。800℃后CaCl2的分解反應(yīng)開始明顯，BaCl2更穩(wěn)定，且BaCO3在800～1000℃之間固氯能力明顯優(yōu)于CaO和CaCO3。適宜的Ba/Cl摩爾比為2.5，BaCO3對(duì)CS在1000℃燃燒時(shí)固氯率增長了5.35

5、倍。模擬KCl、NH4H2PO4/Ca(H2PO4)2和BaCO3三種物質(zhì)在500～1200℃反應(yīng)產(chǎn)物，結(jié)果表明NH4H2PO4和Ca(H2PO4)2可以較好的將KCl轉(zhuǎn)化為磷鉀鹽，但只增加1.5倍NH4H2PO4添加量，950℃后KCl中接近75％的氯轉(zhuǎn)化為氣相HCl;只增加1.5倍BaCO3添加量僅促進(jìn)約1％的氣相鉀析出。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在添加NH4H2PO4/Ca(H2PO4)2的基礎(chǔ)上摻配BaCO3，適宜的Ba/K摩爾比為0.5～

6、1，CS在1000℃燃燒時(shí)固氯率分別達(dá)到22.03％和26.20％。添加劑固硫能力由大到小依次為BaCO3、CaCO3、CaO。因此，通過摻配BaCO3可顯著降低氯、硫污染物排放，達(dá)到清潔燃燒的目的。
　　針對(duì)秸稈熱值低、炭產(chǎn)物難成型的問題，采用秸稈摻配添加劑—成型—熱解技術(shù)制備成型炭，研究熱解溫度(250～650℃)和磷基添加劑對(duì)成型炭理化特性和燃燒特性的影響。所得成型炭具有理想的抗跌碎特性和抗吸水能力。隨著熱解溫度的升高，MS

7、中有機(jī)官斷裂、聚合重組，芳香結(jié)構(gòu)生成，添加劑不同程度上促進(jìn)熱解進(jìn)程。熱解中添加劑晶粒附著在纖維表面，和鉀反應(yīng)生成K-Ca-P化合物從而實(shí)現(xiàn)鉀轉(zhuǎn)化。所得成型炭熱值明顯提高，能量密度在10～15 GJ/m3之間，優(yōu)于原始生物質(zhì)成型燃料或者粉狀、顆粒狀和纖維狀燃料。熱分析結(jié)果顯示隨著解熱溫度的升高，秸稈成型炭固定碳燃燒階段增強(qiáng)。因此，摻配添加劑—成型—熱解技術(shù)既有利于熱解階段鉀轉(zhuǎn)化和固定，又可以顯著提高秸稈成型燃料的熱值。
　　研究了磷

8、基添加劑和熱解溫度對(duì)成型炭灰熔融性、燃燒成灰特性、鉀轉(zhuǎn)化規(guī)律、氮氧化物和硫氧化物排放特性的影響。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)熱解溫度下獲得的秸稈成型炭具有嚴(yán)重結(jié)渣傾向，軟化溫度隨熱解溫度的升高而降低;添加劑改良的成型炭軟化溫度顯著提高，熱解溫度為650℃時(shí)NH4H2PO4和Ca(H2PO4)2分別將軟化溫度提高490℃和422℃。添加劑改良的成型炭燃燒時(shí)鉀析出得到較好的控制，1000℃燃燒時(shí)最低固鉀率仍高于60％，并未出現(xiàn)熔融現(xiàn)象。表征分析和模擬結(jié)果

9、表明，兩種磷基添加劑改善灰熔融性的作用原理不盡相同，盡管都具有將鉀轉(zhuǎn)化為高熔點(diǎn)K-Ca-P化合物的能力，NH4H2PO4可更有效地抑制鉀析出和硅酸鉀鹽生成，而Ca(H2PO4)2轉(zhuǎn)化為硅酸鈣和鈣磷化合物，從而改善灰熔融性。添加劑改良的成型炭SO2和NO排放量均低于煤;獲得相同熱量的前提下，與生物質(zhì)原樣相比，磷基添加劑改良的成型炭具有低排放的優(yōu)勢(shì)。綜上所述，磷基添加劑改良的秸稈成型炭具有熱值高、熔點(diǎn)高、污染物低排放的優(yōu)點(diǎn)，為秸稈成型燃料提