基于生物质低温受控燃烧的碱金属协同环境固定化机理研究

生物质原料具有高碱金属含量，在燃烧利用过程中存在床料聚团、受热面沾污腐蚀等问题，成为阻碍生物质燃料广泛利用的主要因素。本课题以秸秆、稻杆为研究对象，基于生物质低温受控燃烧方式，研究碱金属协同环境(生物质、催化剂、床料、气氛)低温固定化机制。在O2/CO2气氛下进行生物质催化热解燃烧规律研究，检测和分析碱金属(钾为主)及其相关元素在燃烧产物中的分布和存在形态。基于有机钾析出规律和生物质热解特性，结合低温析出气相碱金属在床料中富集实验和形态检测，探讨有机钾析出转化机制。通过空间离散，构建局域准平衡系统，采用数值拼贴方法，联合热解燃烧动力学和热化学平衡计算，动态再现生物质热解与碱金属转化耦合，半焦与碱金属相互依存，燃烧与催化相互协同这一复杂物理化学过程，分析碱金属催化燃烧与自身演化的协同过程，揭示其低温固定化机制，为生物质利用技术的发展提供一定的理论依据。

生物质原料具有高碱金属含量特点，在燃烧利用过程中存在燃料聚团、受热面沾污腐蚀等问题，成为阻碍生物质燃料广泛利用的主要因素。本课题以南方典型生物质原料为研究对象，基于生物质低温受控燃烧方式，研究碱金属协同环境(生物质、催化剂、床料、气氛)低温固定化机制。.采用热重分析仪对中国南方典型生物质进行热重分析，研究在不同气氛中，生物质热解和燃烧特性，获得了着火点、碳转化率、燃尽温度等燃烧特性；并研究了添加剂对生物质热解、燃烧过程的催化效果；采用积分法获得了各物料的热解和燃烧动力学参数。.在管式炉中进行生物质低温燃烧试验，获得了燃烧温度及燃烧时间对燃烧过程的影响。采用ICP、SEM/EDX、XRD检测燃烧残留物中的碱金属，分析了K及其相关元素低温燃烧过程中分布和析出规律。分析发现低温下氯具有比碱金属更高的挥发性，燃烧初期，K的释放表现为热稳定性差的有机钾随生物质挥发份快速析出；随着燃烧温度的提高，钾的释放则主要为无机盐蒸汽的形式逃逸。.为研究减缓碱金属相关腐蚀问题的措施，着重分析添加剂作用下生物质中钾迁移过程受催化剂和气氛的影响。研究认为添加的Al2O3可与KCl反应生成K2O•Al2O3•2SiO2等高熔点化合物，从而降低碱金属在气相的析出。.采用factsage模拟与动力学计算项结合的方法，将动力学模拟与热化学平衡计算联合，分析了低温燃烧过程中碱金属转化规律和机理。研究发现低温下钾K主要以KCl(s)、K2SO4(s)、K2Si4O9(s)固态形式存在，随温度的升高，由于KCl蒸汽压的增加，KCl(s)向KCl(g)、(KCl)2(g)和KCl(salat)转化，低温有利于钾元素以水溶盐的形式固留在生物质残留物中。温度的进一步升高，使KCl盐颗粒随有机质向外扩散与表面硅接触，形成硅酸钾K2O(SiO2)n，该物质将受热发生熔融，形成残留物表面的熔融产物，因此，生物质内部高硅含量或者认为掺混硅添加剂将有利于抑制气态K的释放，将碱金属固留在残渣中。