农业秸秆热转化过程中无机元素的析出规律

作     者：钱柯贞 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈汉平;杨海平

授予年度：2011年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：秸秆 碱金属 碱土金属 无机元素 析出转化特性 

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NH、HCN和NO。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CO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KCl(g)、KCl(g)、KOH(g)、KCN(g)、K(g)是钾主要的析出方式。钠以NaCl(g)、NaCl(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MgSiO、MgCO、Mg2SiO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、SiO、CaCO;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。