水生生物质水、酸洗预处理对烟煤共燃过程中灰分转化和结渣行为的影响
水生生物质水、酸洗预处理对烟煤共燃过程中灰分转化和结渣行为的影响
关键词:共烧水生生物质预处理结渣倾向灰分转化
本研究以烟煤和两种水生生物——乌头石和轮生水藻为原料，研究了粉煤灰的结渣特性。在此基础上，对蚕豆进行水洗、酸预处理;随后研究了预处理对灰分转化的影响。在滴管炉和SO炉中进行了共烧试验2 烟气中的含量由烟气分析仪测定。利用ICP、XRF、SEM- EDS和XRD等分析技术，以及热化学软件Factsage 7.2，研究了收集到的灰的化学成分和矿物相性质。结果表明，同Ulva lactuca共烧煤最极端的团聚是由于碱金属含量的增加，尤其是k含量的增加。预处理可以有效地降低共烧灰的结渣趋势。与煤共烧时，酸洗对S和碱土金属的去除率较高，但不表现出较低的结渣倾向。所以的2 共烧过程中的排放量小于线性插值计算的值，但远高于SO2 煤单独燃烧时的排放。
1.介绍
生物质作为一种碳中性的可再生能源，受到越来越多的关注，被认为是化石燃料[1]的替代能源。目前，生物质能的最佳利用方式是燃烧。的有限公司2 燃烧过程中释放的co与生长过程中光合作用消耗的相同，不会增加二氧化碳在大气中的积累。与直接使用生物质作为锅炉燃料相比，生物质和煤的共燃引起了更大的兴趣[2]。共燃法可以用来鼓励越来越麻烦的生物质燃料与其他燃料结合使用，扩大可替代化石燃料的可再生燃料原料。混合生物质可以减少CO2 电厂的排放成本更低，现有电厂只需稍加修改[2]就可以将生物质和煤共燃。
除了使用传统的陆基生物质(如麦秸、玉米秸秆、锯末等)作为混合燃料的一部分，水生生物质目前正受到广泛关注。水生生物质包括大型藻类、微藻类，以及突发事件(植物)[1]。与陆基生物量相比，水生生物量不需要占用农田，生长速度更快，产量更高，生物量转化率更高，对极端条件的适应性更好[3,4]。水生生物质在气化和制氢方面的应用较多，但在燃烧方面的应用较少。由于藻类生物质的优势，热化学转化最近受到了关注;尤其是藻类生物质的燃烧。Alves等人[5]通过对两种水生生物的研究指出，水生生物具有成为一种储量丰富、成本低廉的固体生物燃料的潜力。Sun等人[6]研究了藻类生物量和NO的燃烧和污染物排放特性x 通过添加铁基添加剂，有效地减少了排放。Kirtania et al.[7]发现掺入少量藻类对煤与藻类混合燃料的热解有显著影响。共烧是一种典型的生物质转化技术，利用效率高[2]。在共烧过程中使用水生生物质作为混合燃料，也可以克服陆基生物质的一些固有弱点，如地理分布分散、不均匀等时间分布，且产量低。
海藻是一种典型的高灰分、低热值[8]的水生生物质。另外，受藻类生存条件的影响，灰分中氯和碱金属(钾、钠)的含量相对较高[9]。据了解，容易汽化的碱金属和氯会引起灰相关的各种问题，如污垢、结渣、腐蚀、床结块等[10e12]。钾和钠可以大幅度降低灰的熔化温度。Ye等[13]利用单颗粒燃烧法研究了煤与微藻的共燃特性，发现两者之间存在句法效应，促成了点火延迟时间的下降。他们还指出，这种合成效应是由于微藻脱挥发温度较低，碱金属和碱土金属(AAEMs)含量较高所致。草本生物量中氯和碱金属含量也较高[2]，但低于水生生物量。在研究草本生物质与煤的共烧时，大多与灰分有关的问题d 如结渣、污垢和沉积物d 已观测到[11,14e17]。因此，不难推断，当水生生物质与煤共燃时，可能会出现更严重的灰相关问题。
为了解决生物质中氯和碱金属含量高的问题，有学者提出并研究了浸出方法。Vamvaku等[18]对褐煤和水洗预处理的生物质混合燃料进行了热重测试，发现水洗可以提高生物质燃料的性能，降低混合燃料的结渣/结垢倾向。Madanayake et al.[19]发现水洗可以去除生物质中大部分的钾和氯。Skoglund等人[20]水洗海草，也发现了类似的结果。洗涤使海藻更适合燃烧。Hu等[21]用去离子水和酸对海藻进行预处理，研究了样品的热解过程。研究发现，预处理后，海藻灰中的金属离子Kt、Nat、Ca2t、Mg2t明显减少，酸洗效果更好。同时，预处理破坏了海藻的表面结构，出现裂纹、凹坑等“不完整”结构，增加了物质的挥发性。目前，对预处理后的水生生物质与煤共烧后的灰分转化和结垢/结渣特性的研究相对较少。
本研究以Ulva lactuca (UL)和Hydrilla verticillate (HV)两种类型的水生生物质为原料。特别选取了水浸和酸浸两种不同的预处理策略(水洗和酸洗)，对预处理对共烧工艺的影响进行了对比研究。在滴管炉和SO中进行了生物质与煤的共烧实验2 实时记录烟气含量。通过实验表征和分析了煤与水生生物质共燃过程中的形态、矿物成分转变以及灰渣结渣倾向。实验结果为水生生物质与煤的共烧提供了有益的理论参考和结论。
2.实验方法
2.1.材料和预处理
整个实验使用的煤是来自中国山西的大同烟煤(DT)，水生生物量分别来自中国辽宁和浙江的Ulva lactuca和Hydrilla verticillate。生物量用水冲洗，以去除表面的沉积物等污染物。随后，首先将煤和生物质样品放入烤箱中
在105℃下放置24小时，然后通过125目筛网筛至小于0.2 mm的尺寸分数。制备的样品在室温干燥条件下保存。使用前，煤和生物质在105℃下再次干燥2小时。
另外，采用两种不同的方法对莴苣进行预处理d 水洗和酸洗d 对比研究预处理对共烧工艺的影响。水洗采用去离子水，酸洗采用5%盐酸。将UL样品与溶液按1 g: 30 ml的比例在烧杯中混合，用电磁搅拌器搅拌1 h，然后将生物质样品从溶液中过滤出来，用去离子水冲洗。经过酸洗预处理的UL样品，漂洗至溶液中性。同样的方法用于干燥、破碎和筛分。水洗和酸洗预热的UL样品分别简称为water -UL和acid -UL。原料和预处理材料的性能见表1。原材料和预处理材料的形态如图1所示。
生物质样品以20%和40%的质量比与烟煤混合，在使用前在105℃的干燥箱中干燥2小时。混合样品简写为生物质的质量比;如20UL表示混合样品中UL的质量比为20%，烟煤为80%，其他样品以此类推。
2.2.降管炉测试系统
滴管炉(DTF)可以更好地模拟实际炉内的燃烧气氛，提供快速的升温速率(104 K s?1)和更高的燃烧温度。这些燃料混合物在实验室规模的滴管炉中共燃，包括主体和辅助设备，包括给粉机、烟气分析仪和沉积探针。图S1显示了DTF测试系统的示意图。该炉为长2200毫米、内径60毫米的刚玉管，可承受高达1800℃的温度。它被分为三个加热区，所有加热区都使用硅钼(MoSi2)加热元件。温度测定采用b型(Pt/Rh30 e Pt/Rh6热电偶(精度±1 ?C)。引入了温度控制系统的三个区域，以实现1000毫米长的恒温区域。给粉机为日本三共的MEFV-10型，保证了加料均匀，并可通过调节振动频率来控制加料速度。沉积探头采用水冷式，顶部采用刚玉盘集灰。利用德国MRU公司研制的MGA5烟气分析仪监测烟气成分。MGA5烟气分析仪采用非色散红外(NDIR)分析技术，适合中、短期连续过程分析。气体分析仪前的过滤器用于清除烟气中夹带的飞灰。所有的测试都是在1atm和1200℃的温度下进行的。在实验过程中，出口氧浓度控制在4e6%，以确保燃料完全燃尽，并在连续供料系统下稳定燃烧持续1小时以上。
2.3.分析仪器
利用全自动灰熔融温度分析仪(SHR-5000型)测试灰熔融温度，记录4个特征温度:初始变形温度(IDT)、软化温度(ST)、半球温度(HT)和流体温度(FT)。原料灰分中的元素含量通过电感耦合等离子体(ICP, Agilent 700, Agilent)进行分析，灰分通过x射线荧光光谱(XRF, JSX-3400R, JEOL)进行分析。重复实验进行了三次，取平均值以减小误差。利用配备了x射线能谱仪(SEM-EDS, Quanta 450, FEI)和x射线衍射仪(XRD, SmartLab 9 KW, Rigaku)的扫描电子显微镜对燃烧实验中采集的渣样进行进一步表征。在SEM-EDS方面，由于样品必须导电，所以在其表面涂上了一层金膜。XRD的检测范围为10e80?，步长为0.01?，步长为5?$min? 1。然后，用软件Jade6与标准PDF卡进行比较，识别衍射峰。
3.结果与讨论
3.1.预处理对藻类生物量的影响
从表1的材料性质可以看出，水洗和酸洗对UL的影响相似:灰分含量降低，挥发物和固定碳含量增加。值得注意的是，酸洗对UL除灰的影响更大。灰分从21.29降低到3.34%，固定碳含量从4.55提高到19.48%。灰分含量的降低有助于降低[10]结垢结渣的倾向。UL中S的含量为2.46%，远高于烟煤。水洗并未去除UL中的S，这与Ma等人[22]得出的结果一致。但是，酸洗后S含量明显降低。S可以通过Eqs的磺化来减少氯离子沉积造成的腐蚀问题。R1和R2[23]但S含量过高也可能导致SO增加2 在烟气中。此外，预处理还增加了UL的热值。HV与UL相似，但灰分含量较高，硫含量较低，热值在所有材料中最小。
ICP可以检测到大部分金属元素和部分无机元素。为了测定水生生物中的元素含量，采用ICP对不同样品中P、Si和主要金属元素的含量进行了准确的测定;由于ICP的局限性，采用XRF对Cl和S的含量进行补充。结果如图2所示。UL样品中K、Na、Mg、Cl和S的含量较高，而HV样品中Ca、Fe、K、Na、P、Si和Cl的含量较高。UL中高水平的K、Na和Cl表明，它不能有效地用于直接使用，如在热化学转化中，由于碱氯化物相关操作问题[20]的高概率。在Water-UL方面，水溶性碱氯化物盐类的消除是明显的。除了显著减少上述元素越多,酸洗涤去除90%以上的钙和镁,超过50%的美国研究结果表明酸洗涤对碱土金属去除率较高,这与实验获得的结论是一致的陈et al。[24]的内容,铁、磷、HV中Si的含量高于UL。Fe对灰的熔化特性影响较大，一般被认为是一种溶剂矿物
