秸稈成型燃料提質(zhì)及清潔燃燒特性研究

【摘要】：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、運輸成本高等缺點外,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)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到提高秸稈燃料品質(zhì)及清潔燃燒的目的。采用實驗、模擬分析、理論分析等方法研究添加劑對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NH_4H_2PO_4和Ca(H_2PO_4)_2作為磷基添加劑制備秸稈成型燃料,研究添加劑對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,并明顯改善成型燃料燃燒時熔融和結(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℃時的固鉀效果最佳,此時玉米秸稈(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結(jié)合生成高熔點K-Ca-P化合物,從而提高了灰熔點、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BaCO_3、CaO和CaCO_3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CaCl_2的分解反應(yīng)開始明顯,BaCl_2更穩(wěn)定,且BaCO_3在800～1000℃之間固氯能力明顯優(yōu)于CaO和CaCO_3。適宜的Ba/Cl摩爾比為2.5,BaCO_3對CS在1000℃燃燒時固氯率增長了5.35倍。模擬KCl、NH_4H_2PO_4/Ca(H_2PO_4)_2和BaCO_3三種物質(zhì)在500～1200℃反應(yīng)產(chǎn)物,結(jié)果表明NH_4H_2PO_4和Ca(H_2PO_4)_2可以較好的將KCl轉(zhuǎn)化為磷鉀鹽,但只增加1.5倍NH_4H_2PO_4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BaCO_3添加量僅促進約1%的氣相鉀析出。結(jié)合實驗結(jié)果,在添加NH_4H_2PO_4/Ca(H_2PO_4)_2的基礎(chǔ)上摻配BaCO_3,適宜的Ba/K摩爾比為0.5～1,CS在1000℃燃燒時固氯率分別達到22.03%和26.20%。添加劑固硫能力由大到小依次為BaCO_3、CaCO_3、CaO。因此,通過摻配BaCO_3可顯著降低氯、硫污染物排放,達到清潔燃燒的目的。針對秸稈熱值低、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中有機官斷裂、聚合重組,芳香結(jié)構(gòu)生成,添加劑不同程度上促進熱解進程。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化合物從而實現(xiàn)鉀轉(zhuǎn)化。所得成型炭熱值明顯提高,能量密度在10～15GJ/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。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。研究了磷基添加劑和熱解溫度對成型炭灰熔融性、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,實驗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NH_4H_2PO_4和Ca(H_2PO_4)_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鉀析出得到較好的控制,1000℃燃燒時最低固鉀率仍高于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K-Ca-P化合物的能力,NH_4H_2P0_4可更有效地抑制鉀析出和硅酸鉀鹽生成,而Ca(H_2PO_4)_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SO_2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。綜上所述,磷基添加劑改良的秸稈成型炭具有熱值高、熔點高、污染物低排放的優(yōu)點,為秸稈成型燃料提質(zhì)及清潔燃燒提供理論技術(shù)指導(dǎo)。 【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TK6

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