生物質炭化及其燃料燃燒特性研究.pdf

1、生物質能源作為可再生能源，是目前世界能源消耗總量僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。生物質炭化是高效利用生物質資源的重要技術之一，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材料發(fā)生物理化學變化的過程。生物質炭化工藝對原料要求低，簡單且能耗低。生物質炭與原始生物質相比能量密度大幅度提高，儲運方便，用途廣泛。與煤相比，生物質炭灰分、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炭化性能

2、、生物質炭燃料特性、燃燒及污染物排放特性，以及添加劑對生物質炭化過程堿金屬遷移、污染物排放的影響。
　　(1)采用管式爐實驗臺上模擬三段式炭化爐的炭化工藝，考察溫度對玉米秸稈、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。
　　(2)隨著炭化溫度升高，所得生物質炭發(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℃時得到的二種生物質炭干基高位發(fā)熱量分別為

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

5、　考察了添加劑CaO、(NH4)H2PO4和CaCO3對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對炭化過程中鉀和鈉的析出影響不大，CaO能夠促進鉀和鈉的析出。另外，采用灰熔融性測定儀分析棉桿及其炭化燃料的灰熔點，發(fā)現(xiàn)棉稈炭的灰熔點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最低，溫度為1100℃。
　　(3)采用熱重法分別考察了生物質炭在空氣和O2/CO2氣氛下的燃燒特性與生物質燃燒過程相似，生物質炭的燃燒過程分為脫水、失重和燃盡三個階段。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)分和固定碳同時進行燃燒。隨著炭化溫度的升高，生物質炭的綜合燃燒特性指數(shù)S減小，說明

7、生物質炭的燃燒特性越來越差。利用Coats-Redfern積分法計算了玉米稈和棉稈在不同氣氛下燃燒的燃燒動力學參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著炭化溫度的升高，生物質炭在燃燒時的活化能逐漸升高，頻率因子A也是逐漸增大的。
　　(4)采用管式爐實驗系統(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對硫氮污染物排放的影響。玉米秸稈炭燃燒時SO2析出過程呈現(xiàn)單峰，與原始玉米秸稈燃燒硫析出過程類似，主要為有機硫轉化釋

8、放。隨著炭化溫度升高，所得炭燃燒時SO2的生成量和轉化率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。炭化溫度約500℃時，所得炭的SO2的生成量和轉化率最大，分別為0.98mg/g和18.91％;炭化溫度為400℃、700℃和800℃時，所得炭的SO2的生成量和轉化率較小，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的SO2排放，排放量和轉化率分別為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)過炭化后揮發(fā)分明顯減少，伴隨著揮發(fā)分和固定碳同時燃燒，氮析出較為平緩，析出持續(xù)時間較長。添加劑CaO和CaCO3對NO排放影響不大，添加劑(NH4)H2PO4會導致玉米稈和玉米稈炭燃燒過程中NO的生成量增加。
　　研究結果豐富了生物質炭化工藝、生物質炭燃料特性、生物質炭燃燒及污染物排放特性等基礎理論，對生物質炭化