烘焙对玉米秆Cl、S及AAEMs迁徙转化特性影响的研究

发布时间：2020-06-26 14:57

【摘要】：我国是农业大国,每年产生的农业废弃物总量高居世界首位,农业废弃物的田间焚烧、丢弃造成了巨大的空气污染和资源浪费。同时以燃煤为能源的火力发电方式产生了大量的CO_2,因此若利用可再生的农业废弃物作为能源便可达到较好的经济效益。然而农业废弃物氯及碱金属含量高,在热利用过程中会带来严重的积灰、结渣、腐蚀等问题,严重威胁设备的安全、高效运行。高温时,氯的存在还会促进碱金属的释放,加重结渣腐蚀等问题,因此降低燃料中的氯含量就成为了解决结渣腐蚀等问题的关键。烘焙是一种有效的生物质预处理手段,能够降低水分,增强疏水性、可磨性,提高能量密度,有效提升生物质的品质。然而当前研究对烘焙过程中氯、硫、碱金属和碱土金属的释放赋存转化特性研究不足,若能在改善生物质燃料特性的同时,降低氯、硫含量并改善碱金属的反应特性,则可以大大拓宽烘焙后生物质的能源化利用。鉴于此,本研究依托国家自然科学基金“生物质成型燃料燃烧颗粒物形成机理研究”和国家青年科学基金项目“富磷农业废弃物气化耦合磷迁徙转化及富集调控机制研究”,研究了高氯生物质玉米秆在烘焙过程中氯、硫、碱和碱土金属的迁徙转化特性,并提出混合烘焙和磷基添加剂两种调控手段促进烘焙过程中氯的释放,来解决后续热转化过程中氯造成的腐蚀和积灰等问题。本文的主要研究内容如下:首先,使用卧式炉固定床反应器对玉米秆进行烘焙,利用高温燃烧水解——离子色谱法检测固体产物氯含量,采用XPS分析氯赋存形态,消解、化学分馏等方法检测碱和碱土金属含量及赋存形态。结果表明玉米秆中的氯主要以碱金属氯化物形式存在,烘焙后无机氯减少,有机结合氯增加。随烘焙温度升高,氯的释放率及含量增大,300℃玉米秆氯的释放率约为40%;硫的释放率增大,但产物中硫含量减少。玉米秆中碱金属K最为丰富,碱土金属Ca、Mg含量相当,Na含量极低。烘焙过程中碱及碱土金属释放率均较低,但赋存形态明显变化,烘焙会使K的离子交换态比例增加,Ca、Mg的离子交换态和酸溶态比例增加。随后,使用KCl湿混合纤维素、半纤维素和木质素的方法,研究了生物质三组分纤维素、半纤维素和木质素对氯释放的影响,以及三组分对实际生物质玉米秆中氯释放的影响。结果表明,生物质三组分能促进KCl中氯的释放,氯释放促进效果木质素木聚糖纤维素,但纤维素对氯的释放作用受烘焙温度影响明显,而木质素和木聚糖受温度影响较小。对于玉米秆,研究发现木质素和木聚糖能明显促进玉米秆中氯的释放,并且木质素的促进效果更好,当木质素掺混量达到20%后,木质素含量不再影响氯释放率,此时氯释放率为60%。木聚糖和纤维素也能促进混合样品中硫的释放,并且硫的释放率与木聚糖和纤维素添加量呈线性关系。最后,采用湿混合的方式添加磷酸二氢铵(ADP),研究了ADP添加量对玉米秆不同烘焙温度下氯释放的影响。结果表明ADP的添加能够明显促进玉米秆中氯的释放,氯的释放率最大可达88.4%,烘焙固体产物中的氯含量也大幅降低至1.5mg/g左右,但固体产物中无机氯含量减少,有机氯相对含量明显上升,同时还发现,ADP的添加能一定程度的促进玉米秆中硫的释放,但硫的释放率不随ADP添加量而改变,ADP的添加明显促进了离子交换态Mg的释放,对K、Ca的释放率促进效果不明显,但使Ca由离子交换态向酸溶态转化。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK6
【图文】：

热化学转化,转化技术,生物质,热解

华中科技大学硕士学位论文物质的利用对于解决能源危机、环境污染、全球气候变化及经济发展等问用，2019 年发布的《BP 世界能源公告》中表明可再生能源的消耗增长最040 年将成为全球消耗最多的能源。但鉴于生物质存在的诸多缺点，世界对生物质的研究。物质利用技术物质的利用主要包括物理转化技术、热化学转化技术、生物化学转化技术技术，如图 1-1 所示不同利用技术各有各的特点。

生物质,丙烷基,碳碳键,半纤维素

图 1-2 烘焙过程中生物质三组分的反应机制三种组分中半纤维素热稳定性最差，而木质素主要由三种苯丙含有较多碳碳双键，苯环之间通过碳碳键和碳氧键连接，碳碳而纤维素中糖苷键低温下分解速度慢，糖链末端吡喃环逐级降分解。Wang 等研究了不同木质生物质的烘焙过程认为，低温纤维素发生脱乙酰基和解聚反应，半纤维素的主要成分木聚糖焙温度升高时，木聚糖大量解聚，其他单糖裂解明显；此时的改变以及木质素中芳基醚和丙烷基支链的裂解[30, 31]。烘焙产物包括固、液、气三种，其中固体产物占比最大，并且产率明显下降，气体产率明显提升。烘焙后，固体产物品质有秆类生物质烘焙处理发现固体产物的碳含量明显提升，水分和提升[32]。邓剑等也发现了相似的规律，同时他还发现固体产物改善，更加便于储存运输[33]。Chen 等[34, 35]研究发现柳桉木 2

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