2023-08-10
当前采用粪便对生物质灰熔融特性调控的研究较少,小麦秸秆和粪便两种原料灰组成差别较大,其灰熔融温度的变化机制及结渣机理尚未明确,有待研究。本文的创新之处在于:从矿物质转化角度探讨鸡粪对小麦秸秆共燃烧过程中灰熔融温度的变化机制及结渣机理。从而为燃烧条件下秸秆灰熔融温度的调控、粪便清洁转化及其能源利用提供参考。
作者:杨自强1 ,李风海1, 2 ,马名杰1 ,赵 薇1 ,刘雪飞1单位:1. 河南理工大学 化学化工学院;2. 菏泽学院 化学化工学院在经济快速发展的背景下,由于化石燃料的大量使用,造成能源短缺和环境污染问题日益严重,为减轻环境压力和化石燃料消耗,许多国家增加了生物质能源的利用比例。生物质能源因其具有碳中性 (生物质热转化过程中释放的CO2会被生物质的生长所吸收)、可再生性、低氮低硫、分布广泛和储量丰富等优点备受关注。2020 年我国提出在 2030 年实现碳达峰、2060年实现碳中和的“双碳”目标,要实现 这一目标,必须提高生物质发电所占的比例,2020年我国生物质直接燃烧发电量已达到7GW,预计到2030年生物质能源将占可再生能源的50%以上,且 与 2010 年的 CO2 排放量相比,2050年CO2排放量将减少41% ~ 72%。2020 年,中国主要生物质的年产量约为34.94亿t,秸秆类生物质总量约为8.29 亿t, 利用率仅为10.60%,较低的生物质利用率造成能源的浪费。生物质燃烧被广泛认为是减少CO2排放的一种有前景的替代方式,与传统的燃煤相比,生物质燃烧可以将单位热值的CO2净排放量减少93%。秸 秆类生物质燃烧因其具有价格低廉、分布广泛、易获取等优点,在化学产品生产、天然气合成和燃烧发电 等方面应用广泛。然而,生物质通常含有相对较高 质量分数的K、Si 和 Cl,使其灰熔融温度 (AFT) 较低并加速了低温共熔的产生,造成燃烧过程中一些灰相 关问题 (例如:结渣、烧结、团聚和腐蚀等)。这些问题降低了燃烧效率和设备运行的稳定性,严重时甚 至导致工厂设备停车,造成巨大经济损失。为解决生物质燃烧过程的灰渣问题,常规生物质调控方式主要通过与配煤、添加剂、固体废弃物等共 燃来改变生物质灰成分并发生较复杂的化学反应。王立群等通过向木屑灰和水稻秸秆灰中添加贫煤灰,发现混合灰样的灰熔融特性优于单独生物质灰, 贫煤灰的加入降低了混合灰中碱性氧化物的质量分数,高温下混合生成硅灰石 (CaSiO3) 和斜铁辉石 (FeSiO3) 等较高熔点矿物质。OLAGEJ等通过研究4种生物质和2种配煤共燃,发现混合灰样之间的相互影响改变了样品形态,促进了颗粒的快速分解和熔化,缓解了结渣、堵渣问题。WANG等借助磷基添加剂与稻草秸秆混合燃烧,发现在 O2/CO2 气氛下燃烧,900 °C时稻草秸秆灰发生结渣黏连,而2者混 合灰样呈海绵松散状。混合灰样明显疏松的原因是 磷基添加剂的加入生成了高熔点化合物 K2CaP2O7, CO2 影响灰样多孔结构,使其呈多孔膨胀状态。CHIN等通过向油棕生物质中加入高岭土和方解石进行研究,发现2种添加剂都显著改善了生物质的灰熔融性。高岭土降低了灰样的烧结程度,形成了滞留在灰沉积物中的无机元素混合物,而方解石有助于提高灰熔融温度,能够有效地缓解生物质灰的烧结问 题。配煤、添加剂2种方法都可以在一定程度上缓解 生物质灰的结渣、堵渣问题,并提高生物质的灰熔融 温度。但配煤通常因长途运输而导致运输成本增加, 添加剂来调控生物质时,存在添加剂价格昂贵、调控效果不明显等问题。固体废弃物来调控生物质灰熔 融特性是目前研究热点,具有较高的研究价值。固体废弃物包括污泥污泥、畜禽粪便、农林废弃物、食品餐饮垃圾、放射性危险废弃物等。其中畜禽类粪便由于其灰分高、热值低,尚未大规模利用,然而随着我国畜牧业养殖向集约化和规模化发展,2021年我国畜禽类粪便总排放量约39亿t。畜禽类粪便残留的有害有毒物质通过多种路径进入土壤、地下水和大气中,直接或间接造成土地和空气的污染,甚至威胁人类身体健康。目前,我国对于畜禽类粪便的主要处理方法有好氧堆肥法、厌氧沼气池法和热转化法 (燃烧和气化)。好氧堆肥法因牲畜饲料中添加 大量的添加剂,导致粪便中存在大量有毒有害物质, 限制了其用作肥料。厌氧沼气池法会产生难以处 理的沼渣沼液。在欧美等发达国家,畜牧类粪便的 热转化 (燃烧或气化) 已被用作能源和肥料的替代技术。ZHANG等通过纺织印染污泥与牛粪共燃来 弥补污泥热值低、单独燃烧性能差的缺陷,发现共燃烧 减少了 SO2 排放量,混合灰由 SiO2、Fe2O3、CaMgSi2O6、 NaAlSiO4、NaAlSi3O8 和 Na2SO4 组成,由于形成低温共晶,降低了共混物的灰熔融温度,从而使气流床气 化的连续生产成为可能。RABAH等研究了来自苏丹的8种粪便用于合成气生产的可用性。WABNER等探究了树皮和鸡粪的流化床气化过程,发现富含磷的鸡粪促进了磷酸盐的形成,并阻碍了钾长石颗粒中钾的扩散。由于粪便高灰分和畜牧业的分布,其单独燃烧经济效益较差,因此,粪便与生物质共燃烧是 一种经济可行、高效和清洁利用的方法。生物质与粪便共燃具有较大的发展潜力,但考虑到生物质中的高碱金属,以及共燃过程中不同灰分和矿物质相互作用的复杂性,其灰熔融温度 (AFT) 的变化机制及结渣机理尚未明确。鉴于此,笔者对小麦秸秆与鸡粪共燃烧过程灰熔融特性进行研究,并从氧化气氛中 (O2/CO2) 矿物转化的角度探讨变化机制,以期为缓解生物质燃烧过程中结渣、堵渣问题,生物质与粪便的清洁资源化利用提供价值参考。双碳背景下,生物质作为煤炭资源的可替代清洁能源,其高效利用成为目前研究的热点。 通常生物质的碱金属和碱土金属质量分数较高,在燃烧过程中易造成结渣、堵渣问题。为此,在对小麦秸秆 (XM) 燃烧过程中灰熔融温度 (AFT) 及其结渣机理的研究基础上,借助X射线衍射仪 (XRD)、共聚焦拉曼光谱仪 (Raman)、扫描电子显微镜 (SEM) 等方法,结合 FactSage 热力学软件 计算氧化性气氛下随鸡粪 (JF) 的加入小麦秸秆灰熔融过程中矿物质迁移转化行为。研究结果表明: 当添加的鸡粪质量分数>15% 时,变形温度 (DT)>1 000 °C,满足流化床运行要求。随着鸡粪质量 分数的增加,镁黄长石 (Ca2MgSi2O7) 和镁硅钙石 (Ca3MgSi2O8) 等高熔点 (MP) 长石类矿物质的生 成是XM四种特征温度升高的主要原因。从硅酸盐角度分析,鸡粪的加入促使灰样中桥氧键以及 硅酸盐聚合度增加,导致混合灰样的 AFT 升高。根据灰渣的组成和灰熔融特性,并借助 SEM 对 灰渣表面微观形貌进行观察,发现随着鸡粪质量分数的增加,950 °C时灰渣表面由紧密光滑变为 疏松多孔且粗糙,极大程度缓解了生物质结渣、烧结等问题。结合热力学软件 FactSage 计算不同 温度下矿物质组成和液相质量分数,发现加入鸡粪提高了液相总质量分数。高熔点矿物质发生低 温共熔现象,导致 FT 升高范围小于DT。鉴于以上结论,通过实验和热力学计算对生物质燃烧过 程中的 AFT 变化和结渣机理进行研究,以期为生物质能源的规模化应用提供数据支持。![](/d/mmbiz/2023-08-10/Yq4u1yKfuTDvnIFDG1Ey7Pmnjic2O99n5ToRWPhWs2ibBQhVicyQv26qcjgtH8DqqPib6KWw5mATibDCdyK6n9oPr5Q.png)
图 1 固定床管式炉
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图 2 添加 JF 对 XM 灰熔融温度的影响
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图 3 950 ℃ 下混合灰样的 XRD 谱图
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图 4 典型的反褶积函数拉曼光谱及 950 ℃ 下的 R 变化曲线
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图 5 950 ℃ 下不同质量分数灰渣的宏观形貌
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图 6 950 ℃ 下不同质量分数灰渣的 SEM 微观形貌
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图 7 FactSage 计算不同温度下混合灰样的矿物质组成
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图 8 混合灰样随温度升高液相质量分数的变化
杨自强(1998.8-),男,河南理工大学硕士在读,师从李风海教授,已发表学术论文4篇。
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李风海(1974.02-),男,博士,菏泽学院三级教授、化学化工学院副院长,河南理工大学兼职博士生导师。山东省化学工程与工艺专业一流学科、山东省普通本科高校应用型人才培养专业发展支持计划项目负责人、菏泽市有突出贡献的中青年专家、专业技术拔尖人才,菏泽学院能源化工研究所、能源化工与工业重点实验室和资源循环利用与污染物物控制科研创新团队负责人、牡丹学者第一层次人才、中青年学术骨干、“5136”第三层次人才。国际期刊《Fuel》、《Energy》、《Bioresource Technology》等期刊审稿人。
研究方向
主要研究方向是煤与生物质、含碳废弃物共气化;煤灰烧结、熔融流动特性的调控,煤气化、燃烧过程中结渣物的形成机制及预防措施。
主要成果
现主持国家自然科学基金面上项目和山东省自然科学基金面上项目各1项,完成山东省自然基金面上基金2项和煤转化国家重点实验室开放课题 1 项。曾参与国家973项目、国家863项目、中国科学院创新性项目的研究。在《Applied Energy》、《Bioresource Technology》、《Energy》、《Fuel》等国内外学术重要期刊上发表论文100多篇(中科院SCI二区以上48篇),申请国家发明专利10 项,现已授权8项。由化学工业出版社出版《煤灰熔融流动特性调控技术及应用》《煤的流化床气化及应用》等专著4部。研究成果获河南省自然科学优秀学术论文一等奖,山东高校科学技术奖3次,山东省自然科学学术创新奖。2017荣获菏泽市发明专利奖,2018年获菏泽市优秀自然成果一等奖。2020年获菏泽市科技进步二等奖。2022年菏泽市科学技术进步一等奖。
来源:
杨自强,李风海,马名杰,等. 鸡粪对小麦秸秆燃烧过程中结渣影响的机理[J]. 煤炭学报,2023,48(6):2378−2387.
责编:王晓珍 责任编辑:宫在芹