富鉀生物質(zhì)及其炭燃燒中鉀析出和控制研究.pdf

1、生物質(zhì)直燃發(fā)電是生物質(zhì)能規(guī)?；玫闹饕夹g(shù)之一，其中富鉀生物質(zhì)（如農(nóng)作物秸稈）在我國生物質(zhì)儲量和直燃發(fā)電中占有重要地位。生物質(zhì)炭可以顯著提高生物質(zhì)的可磨性和能量密度，提高其在燃燒中的利用效率，同時有效解決相對分散的生物質(zhì)原料運輸過程中物流成本過高的問題。但是富鉀生物質(zhì)及其炭在燃燒中析出的較高濃度的含鉀化合物會造成電站鍋爐受熱面的積灰、結(jié)渣、腐蝕等問題，嚴(yán)重威脅著鍋爐運行的安全性、經(jīng)濟性及其熱效率。因此，為了實現(xiàn)富鉀生物質(zhì)及其炭的高效和

2、清潔利用，需要對其燃燒中的鉀析出和控制進(jìn)行深入研究。本文采用實驗和理論分析相結(jié)合的方法，對添加磷酸銨鹽的富鉀生物質(zhì)及其炭燃燒中鉀的析出特性和轉(zhuǎn)化機理，以及預(yù)添加磷酸銨鹽的富鉀生物質(zhì)炭混煤的鉀析出特性和燃燒特性進(jìn)行了研究。
　　在管式爐燃燒系統(tǒng)上，研究了不同實驗條件下添加磷酸銨鹽(NH4H2PO4和(NH4)2HPO4)對富鉀生物質(zhì)燃燒中鉀析出的影響規(guī)律。磷酸銨鹽在700～1000℃內(nèi)均有明顯的鉀析出控制效果，其中NH4H2PO4和

3、(NH4)2HPO4均在1000℃時取得控制稻草中鉀析出的最佳效果，分別將稻草的鉀析出率降低了24.76和25.89個百分點。NH4H2PO4和(NH4)2HPO4對于不同富鉀生物質(zhì)均具有基本相同的鉀析出控制效果及反應(yīng)規(guī)律。富鉀生物質(zhì)中鉀含量越高，其鉀析出率越高，磷酸銨鹽對其燃燒中鉀析出的控制效果越好。磷酸銨鹽中磷酸根PO43-的添加量對磷酸銨鹽控制富鉀生物質(zhì)燃燒中鉀析出的效果影響較大，富鉀生物質(zhì)的鉀析出率在各個反應(yīng)溫度下均隨著PO43

4、-添加量的增加而降低，添加的磷酸銨鹽與富鉀生物質(zhì)中鉀摩爾比的適宜范圍為1～2。
　　采用熱重分析法研究了添加磷酸銨鹽的富鉀生物質(zhì)的燃燒特性。添加NH4H2PO4和(NH4)2HPO4對富鉀生物質(zhì)燃燒特性的影響基本相同，均提高了其燃盡溫度，降低了其著火點，減小了其燃燒特性指數(shù)。磷酸銨鹽與富鉀生物質(zhì)中鉀的相互作用主要發(fā)生在300℃以上，此時磷酸銨鹽與富鉀生物質(zhì)燃燒中的相互作用較強。
　　采用X射線衍射(XRD)、電子顯微鏡(SE

5、M)和灰熔點測試儀對添加磷酸銨鹽的富鉀生物質(zhì)燃燒中鉀的轉(zhuǎn)化機理及其灰熔融性進(jìn)行了研究。磷酸銨鹽可以與富鉀生物質(zhì)中的鉀通過不同的反應(yīng)路徑進(jìn)行反應(yīng)，生成具有較高熔點且不易析出的磷酸鉀鹽和K-Ca-P化合物，進(jìn)而控制鉀的析出，有效地緩解富鉀生物質(zhì)燃燒中的燒結(jié)和熔融現(xiàn)象，顯著提高富鉀生物質(zhì)的灰熔點。
　　選用KCl、CaO和NH4H2PO4分別為鉀、鈣和磷元素的來源化合物，在管式爐燃燒系統(tǒng)上結(jié)合XRD分析對K-Ca-P三元系統(tǒng)的反應(yīng)特性進(jìn)

6、行了研究。在K-Ca-P反應(yīng)系統(tǒng)中，磷更傾向于與鉀首先發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，K-Ca-P反應(yīng)系統(tǒng)中3種元素更傾向于經(jīng)過相互反應(yīng)生成KCaPO4和K2CaP2O7，與3種元素的摩爾比無關(guān)。
　　在沉降爐實驗系統(tǒng)上分別以NH4H2PO4和KCl為磷酸銨鹽和氣相含鉀化合物的模型化合物，對磷酸銨鹽與氣相含鉀化合物以及磷酸銨鹽脫除NO的反應(yīng)特性進(jìn)行了研究。NH4H2PO4與KCl的反應(yīng)產(chǎn)物主要為磷酸氫鉀鹽，延長反應(yīng)時間和增大磷鉀摩爾比均可以提高NH

7、4H2PO4對KCl的轉(zhuǎn)化率。NH4H2PO4不能明顯降低模擬煙氣中NO的濃度，煙氣中的NO對NH4H2PO4與KCl的反應(yīng)沒有明顯影響。
　　分別以NH4H2PO4和稻草為代表磷酸銨鹽和富鉀生物質(zhì)，在管式爐熱解系統(tǒng)上對富鉀生物質(zhì)和預(yù)添加磷酸銨鹽的富鉀生物質(zhì)熱解中鉀的析出特性進(jìn)行了研究，并對所得稻草炭和預(yù)添加NH4H2PO4的稻草炭的燃料特性進(jìn)行了考察。NH4H2PO4在稻草熱解中也有明顯的鉀析出控制效果。在各個熱解溫度下，預(yù)添加

8、NH4H2PO4的稻草炭的質(zhì)量產(chǎn)率和能源得率均高于稻草炭，但是其鉀含量和高位發(fā)熱量低于稻草炭，在熱解溫度為450℃下制備的預(yù)添加NH4H2PO4的稻草炭（RS+NH4H2PO4-450）具有與晉中煤接近的燃料特性。
　　采用熱重分析法研究稻草及預(yù)添加NH4H2PO4的稻草熱解特性，并計算其熱解動力學(xué)參數(shù)。在相同升溫速率下，預(yù)添加NH4H2PO4的稻草的最大熱解速率均低于稻草。稻草和預(yù)添加NH4H2PO4的稻草熱解中的表觀活化能均隨

9、著轉(zhuǎn)化率的提高呈現(xiàn)出先增大后減小，再增大的趨勢，稻草熱解中的平均表觀活化能均小于預(yù)添加NH4H2PO4的稻草，但是其平均反應(yīng)級數(shù)高于預(yù)添加NH4H2PO4的稻草。
　　預(yù)添加NH4H2PO4的稻草炭的鉀析出率在各個燃燒溫度下均低于在同一熱解溫度下制備的稻草炭。RS+NH4H2PO4-450在700～1000℃下燃燒產(chǎn)生灰樣中的主要晶相化合物為具有較高熔點的磷酸鉀鹽和K-Ca-P化合物。隨著熱解溫度的升高，稻草炭和預(yù)添加NH4H2P

10、O4的稻草炭的著火點均升高，稻草炭的最大失重速率及燃燒特性指數(shù)均大于預(yù)添加NH4H2PO4的稻草炭，預(yù)添加NH4H2PO4的稻草炭的燃燒特性指數(shù)與長治、府谷和晉中煤相近。
　　預(yù)添加磷酸銨鹽的富鉀生物質(zhì)炭可以與煤以合適的比例摻混燃燒而不產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。在各個反應(yīng)溫度下，隨著RS+NH4H2PO4-450摻混比（RS+NH4H2PO4-450在混煤燃料中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的提高，混煤燃料的鉀析出率降低，摻混比為10％和20％的RS+