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水生生物質水、酸洗預處理對煙煤共燃過程中灰分轉化和結渣行為的影響

發布時間:2022-09-15 10:58:22 審核編輯:本站小編下載該Word文檔收藏本文

水生生物質水、酸洗預處理對煙煤共燃過程中灰分轉化和結渣行為的影響

關鍵詞:共燒水生生物質預處理結渣傾向灰分轉化

本研究以煙煤和兩種水生生物——烏頭石和輪生水藻為原料,研究了粉煤灰的結渣特性。在此基礎上,對蠶豆進行水洗、酸預處理;隨后研究了預處理對灰分轉化的影響。在滴管爐和SO爐中進行了共燒試驗2 煙氣中的含量由煙氣分析儀測定。利用ICP、XRF、SEM- EDS和XRD等分析技術,以及熱化學軟件Factsage 7.2,研究了收集到的灰的化學成分和礦物相性質。結果表明,同Ulva lactuca共燒煤最極端的團聚是由于堿金屬含量的增加,尤其是k含量的增加。預處理可以有效地降低共燒灰的結渣趨勢。與煤共燒時,酸洗對S和堿土金屬的去除率較高,但不表現出較低的結渣傾向。所以的2 共燒過程中的排放量小于線性插值計算的值,但遠高于SO2 煤單獨燃燒時的排放。

1.介紹

生物質作為一種碳中性的可再生能源,受到越來越多的關注,被認為是化石燃料[1]的替代能源。目前,生物質能的最佳利用方式是燃燒。的有限公司2 燃燒過程中釋放的co與生長過程中光合作用消耗的相同,不會增加二氧化碳在大氣中的積累。與直接使用生物質作為鍋爐燃料相比,生物質和煤的共燃引起了更大的興趣[2]。共燃法可以用來鼓勵越來越麻煩的生物質燃料與其他燃料結合使用,擴大可替代化石燃料的可再生燃料原料?;旌仙镔|可以減少CO2 電廠的排放成本更低,現有電廠只需稍加修改[2]就可以將生物質和煤共燃。

除了使用傳統的陸基生物質(如麥秸、玉米秸稈、鋸末等)作為混合燃料的一部分,水生生物質目前正受到廣泛關注。水生生物質包括大型藻類、微藻類,以及突發事件(植物)[1]。與陸基生物量相比,水生生物量不需要占用農田,生長速度更快,產量更高,生物量轉化率更高,對極端條件的適應性更好[3,4]。水生生物質在氣化和制氫方面的應用較多,但在燃燒方面的應用較少。由于藻類生物質的優勢,熱化學轉化最近受到了關注;尤其是藻類生物質的燃燒。Alves等人[5]通過對兩種水生生物的研究指出,水生生物具有成為一種儲量豐富、成本低廉的固體生物燃料的潛力。Sun等人[6]研究了藻類生物量和NO的燃燒和污染物排放特性x 通過添加鐵基添加劑,有效地減少了排放。Kirtania et al.[7]發現摻入少量藻類對煤與藻類混合燃料的熱解有顯著影響。共燒是一種典型的生物質轉化技術,利用效率高[2]。在共燒過程中使用水生生物質作為混合燃料,也可以克服陸基生物質的一些固有弱點,如地理分布分散、不均勻等時間分布,且產量低。

海藻是一種典型的高灰分、低熱值[8]的水生生物質。另外,受藻類生存條件的影響,灰分中氯和堿金屬(鉀、鈉)的含量相對較高[9]。據了解,容易汽化的堿金屬和氯會引起灰相關的各種問題,如污垢、結渣、腐蝕、床結塊等[10e12]。鉀和鈉可以大幅度降低灰的熔化溫度。Ye等[13]利用單顆粒燃燒法研究了煤與微藻的共燃特性,發現兩者之間存在句法效應,促成了點火延遲時間的下降。他們還指出,這種合成效應是由于微藻脫揮發溫度較低,堿金屬和堿土金屬(AAEMs)含量較高所致。草本生物量中氯和堿金屬含量也較高[2],但低于水生生物量。在研究草本生物質與煤的共燒時,大多與灰分有關的問題d 如結渣、污垢和沉積物d 已觀測到[11,14e17]。因此,不難推斷,當水生生物質與煤共燃時,可能會出現更嚴重的灰相關問題。

為了解決生物質中氯和堿金屬含量高的問題,有學者提出并研究了浸出方法。Vamvaku等[18]對褐煤和水洗預處理的生物質混合燃料進行了熱重測試,發現水洗可以提高生物質燃料的性能,降低混合燃料的結渣/結垢傾向。Madanayake et al.[19]發現水洗可以去除生物質中大部分的鉀和氯。Skoglund等人[20]水洗海草,也發現了類似的結果。洗滌使海藻更適合燃燒。Hu等[21]用去離子水和酸對海藻進行預處理,研究了樣品的熱解過程。研究發現,預處理后,海藻灰中的金屬離子Kt、Nat、Ca2t、Mg2t明顯減少,酸洗效果更好。同時,預處理破壞了海藻的表面結構,出現裂紋、凹坑等“不完整”結構,增加了物質的揮發性。目前,對預處理后的水生生物質與煤共燒后的灰分轉化和結垢/結渣特性的研究相對較少。

本研究以Ulva lactuca (UL)和Hydrilla verticillate (HV)兩種類型的水生生物質為原料。特別選取了水浸和酸浸兩種不同的預處理策略(水洗和酸洗),對預處理對共燒工藝的影響進行了對比研究。在滴管爐和SO中進行了生物質與煤的共燒實驗2 實時記錄煙氣含量。通過實驗表征和分析了煤與水生生物質共燃過程中的形態、礦物成分轉變以及灰渣結渣傾向。實驗結果為水生生物質與煤的共燒提供了有益的理論參考和結論。

2.實驗方法

2.1.材料和預處理

整個實驗使用的煤是來自中國山西的大同煙煤(DT),水生生物量分別來自中國遼寧和浙江的Ulva lactuca和Hydrilla verticillate。生物量用水沖洗,以去除表面的沉積物等污染物。隨后,首先將煤和生物質樣品放入烤箱中

在105℃下放置24小時,然后通過125目篩網篩至小于0.2 mm的尺寸分數。制備的樣品在室溫干燥條件下保存。使用前,煤和生物質在105℃下再次干燥2小時。

另外,采用兩種不同的方法對萵苣進行預處理d 水洗和酸洗d 對比研究預處理對共燒工藝的影響。水洗采用去離子水,酸洗采用5%鹽酸。將UL樣品與溶液按1 g: 30 ml的比例在燒杯中混合,用電磁攪拌器攪拌1 h,然后將生物質樣品從溶液中過濾出來,用去離子水沖洗。經過酸洗預處理的UL樣品,漂洗至溶液中性。同樣的方法用于干燥、破碎和篩分。水洗和酸洗預熱的UL樣品分別簡稱為water -UL和acid -UL。原料和預處理材料的性能見表1。原材料和預處理材料的形態如圖1所示。

生物質樣品以20%和40%的質量比與煙煤混合,在使用前在105℃的干燥箱中干燥2小時?;旌蠘悠泛唽憺樯镔|的質量比;如20UL表示混合樣品中UL的質量比為20%,煙煤為80%,其他樣品以此類推。

2.2.降管爐測試系統

滴管爐(DTF)可以更好地模擬實際爐內的燃燒氣氛,提供快速的升溫速率(104 K s?1)和更高的燃燒溫度。這些燃料混合物在實驗室規模的滴管爐中共燃,包括主體和輔助設備,包括給粉機、煙氣分析儀和沉積探針。圖S1顯示了DTF測試系統的示意圖。該爐為長2200毫米、內徑60毫米的剛玉管,可承受高達1800℃的溫度。它被分為三個加熱區,所有加熱區都使用硅鉬(MoSi2)加熱元件。溫度測定采用b型(Pt/Rh30 e Pt/Rh6熱電偶(精度±1 ?C)。引入了溫度控制系統的三個區域,以實現1000毫米長的恒溫區域。給粉機為日本三共的MEFV-10型,保證了加料均勻,并可通過調節振動頻率來控制加料速度。沉積探頭采用水冷式,頂部采用剛玉盤集灰。利用德國MRU公司研制的MGA5煙氣分析儀監測煙氣成分。MGA5煙氣分析儀采用非色散紅外(NDIR)分析技術,適合中、短期連續過程分析。氣體分析儀前的過濾器用于清除煙氣中夾帶的飛灰。所有的測試都是在1atm和1200℃的溫度下進行的。在實驗過程中,出口氧濃度控制在4e6%,以確保燃料完全燃盡,并在連續供料系統下穩定燃燒持續1小時以上。

2.3.分析儀器

利用全自動灰熔融溫度分析儀(SHR-5000型)測試灰熔融溫度,記錄4個特征溫度:初始變形溫度(IDT)、軟化溫度(ST)、半球溫度(HT)和流體溫度(FT)。原料灰分中的元素含量通過電感耦合等離子體(ICP, Agilent 700, Agilent)進行分析,灰分通過x射線熒光光譜(XRF, JSX-3400R, JEOL)進行分析。重復實驗進行了三次,取平均值以減小誤差。利用配備了x射線能譜儀(SEM-EDS, Quanta 450, FEI)和x射線衍射儀(XRD, SmartLab 9 KW, Rigaku)的掃描電子顯微鏡對燃燒實驗中采集的渣樣進行進一步表征。在SEM-EDS方面,由于樣品必須導電,所以在其表面涂上了一層金膜。XRD的檢測范圍為10e80?,步長為0.01?,步長為5?$min? 1。然后,用軟件Jade6與標準PDF卡進行比較,識別衍射峰。

3.結果與討論

3.1.預處理對藻類生物量的影響

從表1的材料性質可以看出,水洗和酸洗對UL的影響相似:灰分含量降低,揮發物和固定碳含量增加。值得注意的是,酸洗對UL除灰的影響更大?;曳謴?1.29降低到3.34%,固定碳含量從4.55提高到19.48%?;曳趾康慕档陀兄诮档蚚10]結垢結渣的傾向。UL中S的含量為2.46%,遠高于煙煤。水洗并未去除UL中的S,這與Ma等人[22]得出的結果一致。但是,酸洗后S含量明顯降低。S可以通過Eqs的磺化來減少氯離子沉積造成的腐蝕問題。R1和R2[23]但S含量過高也可能導致SO增加2 在煙氣中。此外,預處理還增加了UL的熱值。HV與UL相似,但灰分含量較高,硫含量較低,熱值在所有材料中最小。

ICP可以檢測到大部分金屬元素和部分無機元素。為了測定水生生物中的元素含量,采用ICP對不同樣品中P、Si和主要金屬元素的含量進行了準確的測定;由于ICP的局限性,采用XRF對Cl和S的含量進行補充。結果如圖2所示。UL樣品中K、Na、Mg、Cl和S的含量較高,而HV樣品中Ca、Fe、K、Na、P、Si和Cl的含量較高。UL中高水平的K、Na和Cl表明,它不能有效地用于直接使用,如在熱化學轉化中,由于堿氯化物相關操作問題[20]的高概率。在Water-UL方面,水溶性堿氯化物鹽類的消除是明顯的。除了顯著減少上述元素越多,酸洗滌去除90%以上的鈣和鎂,超過50%的美國研究結果表明酸洗滌對堿土金屬去除率較高,這與實驗獲得的結論是一致的陳et al。[24]的內容,鐵、磷、HV中Si的含量高于UL。Fe對灰的熔化特性影響較大,一般被認為是一種溶劑礦物

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