灰化温度对秸秆灰溶解特性影响的实验研究

发布时间：2020-09-14 11:03

　　随着可再生能源利用技术的快速发展,生物质能源的利用越来越受到研究者的关注。秸秆是我国主要的生物质能源,每年产约8亿吨。目前,燃烧等热化学转化技术是秸秆等生物质能应用的主要方式。这些过程会产生大量的灰,秸秆灰中含有钾、磷、钙、镁等农作物生长所需要的多种营养元素,若其能有效还田,可实现这些营养元素在农业生态系统中的循环。然而,秸秆燃烧时温度过高,特别是固相成灰物质温度(灰化温度)过高时,秸秆灰会出现软化、结渣和烧结等现象。烧结灰中营养元素不能在土壤中溶解,从而无法被作物吸收。因此,研究灰化温度对秸秆灰溶解特性的影响,对秸秆灰的还田应用以及实现秸秆能源化可持续应用均具有十分重要的意义。本文以我国三种典型作物秸秆—玉米秸、麦秸和稻秸—为例,在预实验及分析生物质热化学转化技术常用温度的基础上,选择400-800°C灰化温度制灰,采用X射线荧光光谱(XRF),辅以场发射扫描电子显微镜(SEM)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、火焰光度计(FP)和钾离子选择性电极(PISE)分析手段,结合质量守恒法,研究了灰化温度对秸秆灰水溶性、秸秆中营养可循环含量的影响,分析了这些参数与温度的平衡关系,探讨了玉米秸灰中水溶速效钾含量与温度和停留时间的关系。主要研究内容和结果如下:(1)研究了灰化温度对三种秸秆灰及灰中主要营养元素水溶性的影响。结果表明,不同灰化温度下,三种秸秆灰水溶性由大到小基本遵循:麦秸灰玉米秸灰稻秸灰;在三种秸秆灰中,钾、钠、硫和氯是水易溶性元素,磷、钙、镁、硅、铁和铝是水不溶性元素;随着灰化温度从400°C升高至800°C,玉米秸灰、麦秸灰和稻秸灰的水溶性分别从约38%、50%和38%降至约10%、9%和6%,三种灰中钾的水溶性分别从约82%、85%和85%降至约32%、48%和15%;硫的水溶性均在75%以上;钠和氯的水溶性不同程度地随温度升高而降低。(2)研究了灰化温度对三种秸秆中养分可循环含量和玉米秸中钾可循环含量的影响。结果表明,不同灰化温度下,三种秸秆中养分可循环含量差异不显著;随着温度从400°C升高至800°C,玉米秸、麦秸和稻秸中可循环物质质量分数分别从4.2%、4.9%和5.2%降至0.8%、0.6%和0.7%,玉米秸中钾的可循环含量从约89%降至约20%。可见,低温燃烧可有效提高秸秆中养分(钾)在自然界中循环的比例。(3)分析了三种秸秆灰水溶性、灰中钾水溶性和水溶速效钾含量与温度的平衡关系。结果表明,随温度从400°C升高至600°C时,玉米秸灰和麦秸灰水溶性、灰中钾水溶性和水溶速效钾含量均缓慢下降;当从600°C升至700°C时,三者均快速下降;当温度高于700°C时,随着温度升高,它们基本稳定不变;稻秸灰的这些参数随温度升高呈线性下降的变化趋势。(4)探讨了不同温度下,停留时间对玉米秸灰及灰中钾水溶性的影响。结果发现,不同温度下,停留时间对玉米秸灰及钾水溶性的影响程度差异较大;600°C以下,停留时间对灰及钾水溶性的影响较小;700°C时,随停留时间从10min延长至240min,灰及钾水溶性分别从约18%和49%降至约8%和29%;在800°C停留时间从10min延长至120min时,灰及钾水溶性分别从约11%和42%降至约7%和31%,当停留时间继续延长时,二者水溶性基本保持不变。
【学位单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TK6
【部分图文】：

生物质燃烧,固体,机理,生物质

索生物质灰的肥料特性，能够为可循环的生物质高效燃烧。另外，探索灰肥性的研究，对实现生物质能源的可持续应利用，以及我国经济增长和农业可持续发展均具有十分重要状质中的成灰物质、半纤维素、木质素、水分、灰分等是生物质能的主要成分物质种类、生长时期、生长条件等因素。Vassilev[13]、Van Lo生物质灰有两种来源：一是生物质本身固有的无机成分，其二是生物质生长过程或加工处理过程中掺混进去的杂质，如图 1.1 所示，在生物灰（渣）形成过程中，上述各成分之间现象，且生物质固有成分比杂质的活性强，特别是在固定碳类容易析出和发生化学反应[17]。

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东理工大学硕士学位论文第一章绪烧温度的升高，三种秸秆灰量均逐渐降低。这说明，随着温度的升高，生物质灰的养分含量可能在降低。另外，当温度一定时，不同生物质的成灰量也有一定的差异。如庄会永[81]等采陆地生物群落调查观测与分析》方法（550°C 灼烧处理 8h 至恒重）检测了 18 种物秸秆的灰分含量，结果如图 1.3 所示。从图中可以看出，18 种农作物秸秆的平分含量为 3.7%～20.2%，其中甘薯、竹笋、水稻、花生、苜蓿、小米的灰分含量 10%以上。可见，不同生物质灰的养分含量或肥性可能存在较大的差异。有研究还表明[83]，随着灰化温度从 400°C 升至 900°C（温度间隔为 100°C），灰的成灰率和外观颜色变化较小；棉秆成灰率显著下降；竹子成灰率变化较小，灰颜色由灰色变为浅绿色；麦秸成灰率和外观形貌均发生较大变化，特别是当温于 600°C 时成灰率显著下降的同时灰分出现收缩板结，甚至在 700°C 时发生熔象，这将严重导致灰的肥性失效。

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灰肥性（特别是 K 的速效性或水溶性）影响的研究几乎没有。.4 现有研究总结和存在问题综合以上文献分析可以看出，国内外学者对生物质中的成灰物质已有较深的，而且对生物质灰中养分的还田利用及其燃烧过程中温度对灰特性的影响均已经了大量的研究工作，并取得了较大的进展。然而，生物质灰还田利用技术的研究较短，现有研究工作依然存在许多不足，关于生物质燃烧条件对灰还田应用的影响前还尚未有系统的报道。生物质燃烧过程非常复杂，其灰特性不仅受燃烧温度的影响，且受停留时间的，进而影响灰还田过程中的肥性。图 1.5 示意了秸秆可持续燃烧应用时物质循环量流，目前生物质燃烧技术开发还未重视固体物质灰在农业生态系统中的循环，影响燃烧技术的可持续性并可能会导致生态平衡破坏、环境污染等问题。本课题于固体物质循环，来研究灰化温度对秸秆灰肥性的影响。为秸秆作为能源和肥料持续应用开发奠定理论基础，将引导秸秆燃烧应用技术的发展方向。

【参考文献】