生物質(zhì)炭化及其燃料燃燒特性研究.pdf

1、生物質(zhì)能源作為可再生能源，是目前世界能源消耗總量?jī)H次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。生物質(zhì)炭化是高效利用生物質(zhì)資源的重要技術(shù)之一，炭化是在隔絕或有少許空氣的情況下加熱至高溫使生物質(zhì)材料發(fā)生物理化學(xué)變化的過(guò)程。生物質(zhì)炭化工藝對(duì)原料要求低，簡(jiǎn)單且能耗低。生物質(zhì)炭與原始生物質(zhì)相比能量密度大幅度提高，儲(chǔ)運(yùn)方便，用途廣泛。與煤相比，生物質(zhì)炭灰分、氮硫元素含量少，燃燒污染物排放低，CO2減排顯著，是一種較好的替代燃料。本文研究了典型生物質(zhì)炭化性能

2、、生物質(zhì)炭燃料特性、燃燒及污染物排放特性，以及添加劑對(duì)生物質(zhì)炭化過(guò)程堿金屬遷移、污染物排放的影響。
　　(1)采用管式爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬三段式炭化爐的炭化工藝，考察溫度對(duì)玉米秸稈、棉桿和楊木的炭產(chǎn)率、炭發(fā)熱量、能源得率的影響，并分析了燃料特性。結(jié)果表明:炭產(chǎn)率和能源得率隨炭化溫度的升高而減小，300℃時(shí)玉米秸稈、棉桿和楊木的炭產(chǎn)率分別為64.5％、66.4％、60.4％，能源得率分別為74.7％、82.9％和81.3％。超過(guò)400℃，

3、其炭產(chǎn)率和能源得率都明顯降低，800℃三種樣品的能源得率均在40％～50％之間。另外，微量添加劑對(duì)炭產(chǎn)率影響較小。棉桿在230℃烘焙與300℃炭化的能源得率近似，烘焙炭產(chǎn)率高于炭化的，而發(fā)熱量成相反的趨勢(shì)。
　　(2)隨著炭化溫度升高，所得生物質(zhì)炭發(fā)熱量增大，固定碳和灰分含量不斷增加，而揮發(fā)分含量不斷減小，碳元素含量隨溫度的升高而升高，氫和氧元素含量則隨炭化溫度的升高而減小。炭化溫度300℃時(shí)得到的二種生物質(zhì)炭干基高位發(fā)熱量分別為

4、21.5MJ/kg、21.9MJ/kg和22.4MJ/kg。炭化溫度800℃時(shí)，高位發(fā)熱量為24.1MJ/kg～29.8MJ/kg。根據(jù)生物質(zhì)炭的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果采用最小二乘法擬合得出了生物質(zhì)炭的干基高位發(fā)熱量的線性公式，并對(duì)生物質(zhì)炭的干基高位發(fā)熱量預(yù)測(cè)值進(jìn)行了誤差分析，計(jì)算得到預(yù)測(cè)值的平均絕對(duì)誤差僅為0.36MJ/kg，平均相對(duì)誤差為1.5769％，平均偏移誤差為0.0289％，能夠較好的預(yù)測(cè)生物質(zhì)炭的干基高位發(fā)熱量。
　

5、　考察了添加劑CaO、(NH4)H2PO4和CaCO3對(duì)玉米秸稈隨炭化溫度變化堿金屬的變遷特性。隨著炭化溫度的升高，所得炭的鉀和鈉含量先增大后減小，炭化溫度為600℃時(shí)所得炭的鉀和鈉含量最高，鉀和鈉在炭中的殘留率隨炭化溫度的升高持續(xù)減小。(NH4)H2PO4和CaCO3對(duì)炭化過(guò)程中鉀和鈉的析出影響不大，CaO能夠促進(jìn)鉀和鈉的析出。另外，采用灰熔融性測(cè)定儀分析棉桿及其炭化燃料的灰熔點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)棉稈炭的灰熔點(diǎn)隨炭化溫度的升高先降低后增大，炭化溫

6、度為600℃獲得的棉稈炭灰熔點(diǎn)最低，溫度為1100℃。
　　(3)采用熱重法分別考察了生物質(zhì)炭在空氣和O2/CO2氣氛下的燃燒特性與生物質(zhì)燃燒過(guò)程相似，生物質(zhì)炭的燃燒過(guò)程分為脫水、失重和燃盡三個(gè)階段。但不同炭化溫度下獲得的炭的燃燒模式不同，較低炭化溫度得到的炭燃燒模式為先熱解析出揮發(fā)分，然后揮發(fā)分和固定碳同時(shí)燃燒;較高炭化溫度下得到的炭燃燒模式為揮發(fā)分和固定碳同時(shí)進(jìn)行燃燒。隨著炭化溫度的升高，生物質(zhì)炭的綜合燃燒特性指數(shù)S減小，說(shuō)明

7、生物質(zhì)炭的燃燒特性越來(lái)越差。利用Coats-Redfern積分法計(jì)算了玉米稈和棉稈在不同氣氛下燃燒的燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著炭化溫度的升高，生物質(zhì)炭在燃燒時(shí)的活化能逐漸升高，頻率因子A也是逐漸增大的。
　　(4)采用管式爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)考察了玉米秸稈及其炭燃燒硫氮污染物排放特性，以及CaO、(NH4)H2PO4和CaCO3對(duì)硫氮污染物排放的影響。玉米秸稈炭燃燒時(shí)SO2析出過(guò)程呈現(xiàn)單峰，與原始玉米秸稈燃燒硫析出過(guò)程類似，主要為有機(jī)硫轉(zhuǎn)化釋

8、放。隨著炭化溫度升高，所得炭燃燒時(shí)SO2的生成量和轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。炭化溫度約500℃時(shí)，所得炭的SO2的生成量和轉(zhuǎn)化率最大，分別為0.98mg/g和18.91％;炭化溫度為400℃、700℃和800℃時(shí)，所得炭的SO2的生成量和轉(zhuǎn)化率較小，分別為0.25mg/g～0.33mg/g、5.174％～5.854％。添加劑CaO、(NH4)H2PO4和CaCO3能夠減少玉米稈及其炭燃燒時(shí)的SO2排放，排放量和轉(zhuǎn)化率分別為0.00

9、28mg/g～0.01mg/g、0.05％～1.97％。玉米秸稈燃燒NO釋放集中，伴隨揮發(fā)分燃燒大量釋放;而玉米秸稈炭經(jīng)過(guò)炭化后揮發(fā)分明顯減少，伴隨著揮發(fā)分和固定碳同時(shí)燃燒，氮析出較為平緩，析出持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。添加劑CaO和CaCO3對(duì)NO排放影響不大，添加劑(NH4)H2PO4會(huì)導(dǎo)致玉米稈和玉米稈炭燃燒過(guò)程中NO的生成量增加。
　　研究結(jié)果豐富了生物質(zhì)炭化工藝、生物質(zhì)炭燃料特性、生物質(zhì)炭燃燒及污染物排放特性等基礎(chǔ)理論，對(duì)生物質(zhì)炭化