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;隨後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於鹼金屬含量的增加，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和鹼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於線性插值計算的值，但遠高於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。混合生物質可以減少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，水生生物量不需要佔用農田，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。由於藻類生物質的優勢，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，如地理分佈分散、不均勻等時間分佈，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，灰分中氯和鹼金屬(鉀、鈉)的含量相對較高[9]。據瞭解，容易汽化的鹼金屬和氯會引起灰相關的各種問題，如污垢、結渣、腐蝕、牀結塊等[10e12]。鉀和鈉可以大幅度降低灰的熔化温度。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，這種合成效應是由於微藻脱揮發温度較低，鹼金屬和鹼土金屬(AAEMs)含量較高所致。草本生物量中氯和鹼金屬含量也較高[2]，但低於水生生物量。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鹼金屬含量高的問題，有學者提出並研究了浸出方法。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，預處理後，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，對預處理後的水生生物質與煤共燒後的灰分轉化和結垢/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。通過實驗表徵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。隨後，首先將煤和生物質樣品放入烤箱中
在105℃下放置24小時，然後通過125目篩網篩至小於0.2 mm的尺寸分數。製備的樣品在室温乾燥條件下保存。使用前，煤和生物質在105℃下再次乾燥2小時。
另外，採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。水洗採用去離子水，酸洗採用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，然後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。同樣的方法用於乾燥、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℃的乾燥箱中乾燥2小時。混合樣品簡寫為生物質的質量比;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，提供快速的升温速率(104 K s?1)和更高的燃燒温度。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℃的温度。它被分為三個加熱區，所有加熱區都使用硅鉬(MoSi2)加熱元件。温度測定採用b型(Pt/Rh30 e Pt/Rh6熱電偶(精度±1 ?C)。引入了温度控制系統的三個區域，以實現1000毫米長的恆温區域。給粉機為日本三共的MEFV-10型，保證了加料均勻，並可通過調節振動頻率來控制加料速度。沉積探頭採用水冷式，頂部採用剛玉盤集灰。利用德國MRU公司研製的MGA5煙氣分析儀監測煙氣成分。MGA5煙氣分析儀採用非色散紅外(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於清除煙氣中夾帶的飛灰。所有的測試都是在1atm和1200℃的温度下進行的。在實驗過程中，出口氧濃度控制在4e6%，以確保燃料完全燃盡，並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
利用全自動灰熔融温度分析儀(SHR-5000型)測試灰熔融温度，記錄4個特徵温度:初始變形温度(IDT)、軟化温度(ST)、半球温度(HT)和流體温度(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。重複實驗進行了三次，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採集的渣樣進行進一步表徵。在SEM-EDS方面，由於樣品必須導電，所以在其表面塗上了一層金膜。XRD的檢測範圍為10e80?，步長為0.01?，步長為5?$min? 1。然後，用軟件Jade6與標準PDF卡進行比較，識別衍射峯。
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。灰分從21.29降低到3.34%，固定碳含量從4.55提高到19.48%。灰分含量的降低有助於降低[10]結垢結渣的傾向。UL中S的含量為2.46%，遠高於煙煤。水洗並未去除UL中的S，這與Ma等人[22]得出的結果一致。但是，酸洗後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，採用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;由於ICP的侷限性，採用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，它不能有效地用於直接使用，如在熱化學轉化中，由於鹼氯化物相關操作問題[20]的高概率。在Water-UL方面，水溶性鹼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鹼土金屬去除率較高,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的含量高於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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