秸秆中K元素在热解和燃烧过程释放特性实验研究

【摘要】：生物质能作为一种新能源,已引起了世界各国的广泛关注。我国生物质秸秆产量巨大,急需得到合理的资源化利用。秸秆虽然具有价格低廉、产量高的优点,但其富含的K元素使得生物质在热力转化过程中会引起诸如结渣、聚团、腐蚀等问题,这严重阻碍了生物质的能源化利用。本文选用了含K量高的玉米秸秆为研究对象,研究了玉米秸秆在热解和燃烧过程中碱金属的析出和转化规律,并从焦样微观物理结构和碱金属化学分析等方面对碱金属析出形式进行了分析。使用水平管式炉在惰性气氛下(N2)进行了300℃~1000℃的玉米秸秆热解实验,在O2浓度为30%的反应气氛下进行了400℃、600℃、800℃和炉内停留时间为30s~720s的燃烧实验。分析测试主要包括:样品中碱金属的含量测试分析(采用电感耦合等离子体原子发射光谱ICP-AES)、碱金属的赋存形式分析、样品表面的微观物理结构(扫描电镜SEM)、AAEMs分布情况(X-射线能谱分析EDX)、灰样碱金属化合物种类分析(D/max-r B大功率旋转阳极X射线衍射仪XRD),并利用CO2烟气分析仪对生物质秸秆的热解情况进行在线监测。热解实验发现,300℃~500℃析出CO2持续时间较长且热解转化率较高。600℃~1000℃析出时间在60s左右,与实验现象出气口的白烟(主要成分为焦油)出现时间及持续时间一致,该过程伴有碱金属的析出。生物质内富钾少钠,低于200℃时主要是生物质秸秆的干燥阶段,此阶段有少量K析出;300℃~400℃碱金属K迅速释放,总量不到秸秆中总钾的10%;400℃~600℃碱金属K的释放速度变慢;热解温度大于600℃时碱金属K的释放量较高,在600℃~800℃之间释放了将近20%;1000℃时碱金属K的释放量已经达到了53%。。碱金属Na和K的释放特性类似,但是含量少于K。Ca和Mg在热解过程中相对稳定。对400℃~800℃的生物质燃烧灰样进行了元素分析,结果表明:秸秆具有很快的燃烧速度,并且温度越高燃烧产物的结渣性越强。与燃烧失重率的变化趋势相反,400℃~600℃段燃烧失重率的增速大于600℃~800℃段,而碱金属K的固留率的变化趋势与之相反。实验发现,温度为400℃时在120s达到碱金属K的最大析出量,800℃在60s就达到了最大析出量,随后保持稳定。最后本文对热解和燃烧产物进行了微观物理结构的分析和碱金属赋存形式的分析。300℃~700℃热解焦样表面出现孔洞但仍保持着原样的纤维结构,表面富集K元素,温度升高出现熔融态,并且出现了多Si和多O的现象。800℃燃烧灰样的Si含量高达15.06%,主要以Si O2形式存在,因而样品体现出棱角分明的特点。化学分馏实验结果表明,K大多以可溶盐和可进行离子交换的形式存在,且90.91%的K以水溶形式存在,具有移动性强的特点。300℃~500℃热解温度下主要为有机K的析出,600℃~800℃热解温度下主要以可溶盐形式析出,且以硫酸钾、硅酸钾形式析出量极少,主要以氯化钾的形式析出。 【关键词】：秸秆 热解 碱金属 析出转化特性 化学分馏
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景及研究意义10
• 1.2 生物质能源的利用现状10-16
• 1.2.1 生物质能的特点13-14
• 1.2.2 当前生物质利用技术概述14-15
• 1.2.3 秸秆热利用过程中碱金属的问题15-16
• 1.3 课题研究现状16-19
• 1.3.1 国外研究现状16-18
• 1.3.2 国内研究现状18-19
• 1.3.3 国内外文献综述简析19
• 1.4 主要研究内容19-21
• 第2章 实验系统及样品的制备与分析21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 实验系统流程21-25
• 2.2.1 实验设备的设计21-25
• 2.3 生物质样品及分析测试25-26
• 2.3.1 生物质原料的制备及分析25-26
• 2.4 实验过程及方法26-30
• 2.4.1 碱金属含量的测定26-28
• 2.4.2 赋存形式的测定28-29
• 2.4.3 样品表面形貌29
• 2.4.4 实验系统关键环节29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 热力转换过程中碱金属的实验分析31-48
• 3.1 引言31
• 3.2 实验样品和试验方法31-32
• 3.2.1 热解实验过程31-32
• 3.2.2 燃烧实验过程32
• 3.3 热解过程中AAEMs的析出特性32-39
• 3.3.1 不同温度下的热解转换率32-33
• 3.3.2 不同温度下热解过程中CO2 析出率33-36
• 3.3.3 不同温度下热解过程中AAEMs的释放特性36-39
• 3.4 燃烧过程中AAEMs的析出特性39-47
• 3.4.1 燃烧特性39-44
• 3.4.2 碱金属K析出特性44-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 碱金属的赋存形式及焦样物理结构48-69
• 4.1 引言48
• 4.2 热解和燃烧样品颗粒结构及表面化学分析48-62
• 4.2.1 热解焦样颗粒结构及化学分析48-58
• 4.2.2 燃烧灰样颗粒结构及化学分析58-62
• 4.3 碱金属的赋存形式分析62-67
• 4.3.1 化学分馏实验62-65
• 4.3.2 碱金属的赋存形式分析65-67
• 4.4 本章小结67-69
• 结论69-71
• 参考文献71-76
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果76-78
• 致谢78

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