农业秸秆热转化过程中无机元素的析出规律

论文摘要

生物质能资源化的高效利用是解决能源短缺的一个重要的途径，受到各国的关注。秸秆作为我国数量巨大的农业废弃物，秸秆资源化利用技术得到了大力的发展，但是秸秆中所富含的钾、钠等无机元素会使得热化学转化利用技术遇到结很多问题，从而制约了秸秆的大规模热化学利用。为了解决无机元素所带来的问题，本文以棉杆、麦秆、稻杆等为研究对象，对其热利用过程中无机元素的析出转换特性进行了了深入的分析，为寻求相关问题的解决方法提供了基础理论知识。采用固定床反应器，选取玉米杆、棉杆和稻壳为对象，研究了三种生物质热解过程中碱金属，碱土金属、氮、硫、氟和氯的的析出规律。对焦样的碱金属存在形态及气态中的氮、硫、氟、氯的成分和析出量进行了分析。钠是四种生物质中最易析出的；钾主要分有机钾和无机钾的析出，析出量低于钠，较低热解温度下钾的析出主要为有机钾的析出。钾的析出量与焦炭对与钾的捕获能力，生物质颗粒的大小和生物质中的氯和硅的含量有关系。钙和镁在热解中不易析出。AAEM在焦炭内的存在形式为：部分AAEM可能以氯盐或者是硅酸盐，硫酸盐等盐的形式分散存在于焦炭上，部分AAEM存在于碳基中。硫的析出可以分为无机硫的析出和有机硫的析出。生物质氮在热解后主要分布在焦炭，焦油和热解气中。热解气体中的氮的组分主要为NH3、HCN和NOX。焦油中含氮化合物主要为含氮杂环化合物。HF析出量和速率随着热解温度升高而升高，析出曲线的峰值也随着热解温度的升高提前。接着，研究了生物质和生物质焦CO2气化过程中的碱金属析出转换特性。生物质原样热解气化和生物质焦气化过程中钠析出量最高，其次是钾，钙和镁的析出率在气化过程中要低于钾和钠。化学热力学平衡计算表明K2Cl2（g）、KCl（g）、KOH（g）、KCN（g）、K（g）是钾主要的析出方式。钠以Na3Cl3（g）、Na2Cl2（g）、Na（g）、NaCN（g）为主要的钠的析出形式。钙碳酸钙为最主要的存在形式，随着温度升高，钙逐渐以硅铝酸的形式出现。镁主要以MgSiO3、MgCO3、Mg2SiO4等形式存在。生物质的种类、制焦的温度、气化温度、生物质灰中的硅的含量、气化时间和反应器的形式（气化氛围）等都会影响AAEM的析出。最后研究了不同制灰温度的生物质灰特性。秸秆类的生物质灰在低温下主要组成成分为KCl、SiO2、CaCO3；高温下KCl开减少，硅铝酸盐开始变多。木材类的生物质灰中主要以钙的结晶相为主。生物质流动温度，半球温度和软化温度与生物质灰的组分关系不如煤来的明确，表明煤的结渣指标并不一定适合判定生物质灰的结渣特性，需要根据生物质灰的特点综合考虑各种影响因素，才能正确确定生物质灰的结渣特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 秸秆生物质能源的利用及相关问题
• 1.3 课题研究现状
• 1.4 课题提出意义
• 2 AAEM 及污染气体的迁徙规律
• 2.1 实验样品和实验方法
• 2.2 秸秆热解无机物析出特性的结果与分析
• 2.3 本章小结
• 3 秸秆气化过程中碱金属和碱土金属的析出特性
• 3.1 实验样品和实验方法
• 3.2 气化过程中碱金属和碱土金属的析出特性
• 3.3 化学热力学平衡计算结果
• 3.4 本章小结
• 4 制灰温度无机矿物质的迁徙与转化的影响规律
• 4.1 实验过程和实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.3 生物质灰熔融性分析
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结和展望
• 5.1 本文主要工作及结论
• 5.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目