抗結(jié)渣生物質(zhì)燃料研究進(jìn)展

抗結(jié)渣生物質(zhì)燃料研究進(jìn)展摘要生物質(zhì)作為價(jià)格低廉、來源廣泛的綠色能源，具有巨大的利用潛力。但由于生物質(zhì)本身堿金屬(主要為鉀)含量較高，在燃燒利用過程中存在如堿結(jié)渣、灰分融合、團(tuán)聚、腐蝕等問題。其中，結(jié)渣存在于整個(gè)生物質(zhì)利用過程中，形成極難處理的結(jié)塊與沉淀，對(duì)鍋爐本身及運(yùn)行造成危害。因此，抗結(jié)渣生物質(zhì)燃料是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效利用的可行手段。目前可通過添加劑、共燃、化學(xué)預(yù)處理、涂層等方式改變生物質(zhì)利用過程中堿金屬氯化物、硫酸鹽、硅酸鹽的生成和轉(zhuǎn)化途徑，以解決生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化利用過程中的結(jié)渣問題。其中利用添加劑與生物質(zhì)受熱反應(yīng)生成新的高熔融點(diǎn)產(chǎn)物的處理方式具有較好抗結(jié)渣效果。筆者介紹了生物質(zhì)中堿金屬的存在形式及其熱轉(zhuǎn)化過程中鉀的釋放路徑、遷移規(guī)律，概括了生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化利用過程中的結(jié)渣機(jī)制，總結(jié)了鋁基、鈣基、磷基3種添加劑在生物質(zhì)抗結(jié)渣過程中的作用機(jī)理。使用添加劑可使生物質(zhì)燃料達(dá)到較好的抗結(jié)渣效果，磷基添加劑可較好地解決煙道與爐底結(jié)渣問題，鈣基添加劑只能解決爐底結(jié)渣但會(huì)造成嚴(yán)重的煙道結(jié)渣，鋁基添加劑雖能達(dá)到與磷基相近的結(jié)果，但成本較高且作用效果隨溫度的升高而減弱。未來抗結(jié)渣生物質(zhì)燃料的研究方向可從新型添加劑出發(fā)，尋找既可固定氣相中的鉀，也能與灰渣中硅酸鉀形成高熔融點(diǎn)物質(zhì)的單一化合物或混合礦物質(zhì)添加劑；另一方面也應(yīng)考慮添加劑與生物質(zhì)混合后的成型問題，開發(fā)具備高機(jī)械強(qiáng)度的抗結(jié)渣成型生物質(zhì)。最后介紹了上海理工大學(xué)碳基燃料潔凈轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室在抗結(jié)渣高機(jī)械強(qiáng)度生物質(zhì)成型燃料方面的進(jìn)展。以期為抗結(jié)渣生物質(zhì)成型燃料的研究與開發(fā)提供一定的參考。文中插圖

圖1秸稈在熱轉(zhuǎn)化過程中鉀的遷移規(guī)律

圖2抗結(jié)渣碳酸鈣添加劑爐內(nèi)作用機(jī)理

圖3磷基添加劑爐內(nèi)作用機(jī)理

圖4添加磷酸制備抗結(jié)渣高機(jī)械強(qiáng)度生物質(zhì)成型炭燃料工藝路線

圖5生物質(zhì)添加磷酸前后制得的成型炭表觀密度和抗壓強(qiáng)度對(duì)比結(jié)語與展望生物質(zhì)作為價(jià)格低廉、來源廣泛的綠色能源，具有巨大利用潛力。但由于其利用過程中的嚴(yán)重結(jié)渣問題使該能源的利用受到極大挑戰(zhàn)。因此，抗結(jié)渣生物質(zhì)燃料的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效利用的可行手段。導(dǎo)致生物質(zhì)結(jié)渣的元素K、Cl、S、Si主要以鹽的形式存在于生物質(zhì)中，其中K作為生物質(zhì)中大量存在的堿金屬元素是結(jié)渣的主要原因。生物質(zhì)中少量鉀以有機(jī)形式存在，受熱后以鉀離子形式釋放到氣體中；大量的鉀則以無機(jī)形式存在，受溫度影響與其他元素在生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。在生物質(zhì)利用過程中，K以KCl、KOH、K2SO4存在于煙氣中造成煙道結(jié)渣，以K2SiO3存在于灰渣中則造成爐底結(jié)渣。目前主要利用3種添加劑與生物質(zhì)摻燒以達(dá)到抗結(jié)渣效果：鋁基添加劑可固定氣相中的鉀并與硅酸鉀反應(yīng)生成高熔融點(diǎn)物質(zhì)，但其固定鉀能力隨著溫度升高而減弱，同時(shí)高嶺土價(jià)格較貴，經(jīng)濟(jì)性較差；鈣基添加劑可與硅酸鉀反應(yīng)生成高熔點(diǎn)物質(zhì)，但不具備固定鉀的能力，從而使更多鉀釋放至煙氣中，導(dǎo)致煙道結(jié)渣更為嚴(yán)重；磷基添加劑既可將氣相中的鉀固定在灰中，也可與硅酸鉀反應(yīng)生成高熔融點(diǎn)物質(zhì)。同時(shí)，磷基添加劑還可提高生物質(zhì)成型燃料及其成型炭的機(jī)械強(qiáng)度。未來抗結(jié)渣生物質(zhì)燃料的研究方向可從尋找新型價(jià)廉添加劑的方向出發(fā)，要求該添加