不同燃烧条件下生物质灰肥特性的矩阵描述与研究

发布时间：2020-06-30 18:40

【摘要】：生物质燃烧后的固体产物-生物质灰,包含植物生长所必需的几乎所有的营养元素。生物质灰作为肥料还田利用,可减少固废存放场地和处理费用,减少农业化肥使用和生产成本,促进农业生态系统中营养元素的循环和维护生态平衡,对可持续发展具有非常重要的意义。然而,关于生物质灰肥特性的检测和表征方法以及燃烧条件对灰肥特性影响方面的研究仍十分缺乏。本文以玉米秸为实验物料,对这两方面进行了研究,主要工作内容及结果如下:(1)通过文献分析和实验,建立了以顺序浸出为基础,能够检测灰中营养元素种类、含量的检测方法和描述灰肥特性的矩阵表征方法。具体如下:通过对生物质灰溶解性的大量实验,选择了以去离子水、体积比为1:10的0.5 mol/L的乙酸-乙酸铵溶液、2%的柠檬酸溶液为浸出溶剂,建立了生物质灰的顺序浸出和使用X射线荧光光谱仪对不溶灰中各营养元素含量测定的灰肥检测方法;根据生物质灰中营养元素种类和赋存形态多的特点,提出了以灰中主要营养元素(钾、磷、钙等)种类为矩阵行元素,以灰中营养元素的总量、顺序浸出溶量(速效含量、缓效含量、长效含量等释放特性)为矩阵列元素的矩阵表征方法。(2)搭建了以卧式管式炉为基础的燃烧实验台(包括燃烧设备、供风系统、测量系统、数据采集系统等),在此实验台中进行了不同燃烧条件(温度、颗粒尺寸、空气流量)对玉米秸成型颗粒燃烧过程影响的实验,并对不同温度下的玉米秸成型颗粒灰进行了肥性检测。结果表明:1)当温度高于700℃时,继续升高温度对于燃烧过程的影响不大;颗粒尺寸和空气流量对于燃烧过程的影响很小,几乎可以忽略不计;玉米秸成型颗粒燃烧比木质颗粒燃烧所需要的二次风少,滞留时间长;2)对比颗粒灰与粉体灰的水溶性,发现颗粒灰的水溶性较低,均13%,在700℃以下,粉体灰的溶解性是颗粒灰的2倍以上,这说明颗粒内部温度与炉温不一致;通过对植物在生长过程中所需钾元素的量与灰肥矩阵的比较和计算,发现低温灰(500℃)作为肥料应用有很大的潜能,单位面积土地产生的玉米秸全部返田,能够满足植物生长过程中所需钾元素的量(玉米秸成型颗粒灰提供34%的钾,土壤提供66%)。(3)在马弗炉和卧式管式炉中对玉米秸粉进行了不同温度、停留时间的燃烧实验,并将所得的灰进行了肥性检测。结果表明:温度对灰中金属营养元素溶解性(钾、钙、镁)的影响要大于对非金属营养元素(磷、硫)的影响;温度对灰中营养元素总含量的影响不大,而对于灰中营养元素释放特性的影响较大,这说明灰中的营养元素随温度的升高发生了相变;通过对比玉米秸成型颗粒灰和粉体灰的肥性矩阵可知,颗粒灰中各营养元素的总量和可溶解的量都远小于粉体灰的,550℃的粉体灰中的K总含量、可溶含量分别要相比颗粒灰的大80%、148%。(4)对不同温度、停留时间下的玉米秸粉灰肥性数据进行分析,结果发现:仅使用动力学方程对生物质灰肥的变化规律难以进行描述。下一步将研究扩散等流动特性对生物质灰肥特性的影响。
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK6
【图文】：

营养元素,生物质,研究现状,生物质燃烧

图 1.2 营养元素在农业系统中的循环Fig 1. 2 Recycling of nutrients in the agricultural system生物质灰的研究现状生物质灰特性的研究现状物质在燃烧过程中会产生大量的灰[14, 19]，生物质灰是生物质在燃烧后产生有机-无机混合物（固废）。世界上每年约有 70 亿吨生物质燃烧，会产生

灰化,油菜,扫描电子显微镜

基本不存在团聚体；图中的e-g，灰分出现结渣，团聚体增多；图中的 h，灰样表面积凹孔多，灰样疏松，颗粒分散，灰样的比表面积大。图1.5 不同灰化条件下油菜灰样扫描电子显微镜扫描结果[40]Fig. 1.5 Scanning electron microscope results of ashsample of rape straw under different conditions[40]余春江[41]等人针对生物质热解过程中的 K、Cl、S、Si、Ca 等的转化和析出进行了研究，结果发现，热解在 1200 s 结束后，分别有 27.29%的 KOH 和 6.62%的 KCl 通过蒸发进入气相。在这里，灰中元素析出量的多少主要取决于热解时间。Biricik[42]等人将小麦秸秆在570~670 ℃下进行煅烧，发现煅烧 5 h 得到的灰的性能是最好的，将其添加到混凝土中，这时的混凝土的性能最优。从上述可知，燃烧时间和燃烧温度都是影响燃烧过程的主要因素。燃烧时间不但决定了燃烧过程是否完成

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