磷基添加剂对生物质燃烧颗粒物排放特性影响的实验研究

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生物质作为一种资源储量丰富、低碳环保的可再生能源,其大规模利用可有效缓解化石能源使用带来的能源危机和环境污染。但生物质在燃烧过程中会排放一定量的颗粒物,加剧雾霾等环境污染问题,严重影响人们的身心健康。在燃煤领域,通过在燃料中掺混添加剂可在不同程度上控制燃煤颗粒物排放,目前已取得一定成效,但传统的钙基添加剂、硅铝基添加剂对于生物质颗粒物的减排效果较为一般。而磷基添加剂与生物质中的碱金属有较高的反应活性,在相对较低温度即可反应生成磷酸盐化合物,并可以改善灰的熔融特性,但当前磷基添加剂对生物质燃烧过程颗粒物排放特性的影响尚未有研究。鉴于此,本研究依托国家自然科学基金“生物质成型燃料燃烧颗粒物形成机理研究”及国家青年科学基金项目“富磷农业废弃物气化过程磷迁徙转化及富集调控机制研究”,研究了常见的四种磷基添加剂在不同添加比例下对生物质燃烧过程中颗粒物排放特性的影响,确定了颗粒物减排效果最佳的添加比例,并研究了在生物质烘焙过程中引入磷基添加剂对后续燃烧过程中颗粒物排放特性的影响。本文的主要研究内容如下:首先,使用立式固定床反应器进行玉米秸秆燃烧实验,采用低压撞击器(DLPI)收集燃烧产生的颗粒物,研究了NH4H2PO4(ADP)添加剂对玉米秆燃烧过程中颗粒物排放特性的影响以及不同添加比例对颗粒物排放的影响。结果发现,玉米秸杆原样燃烧产生的颗粒物呈双峰分布并主要由亚微米颗粒物(PM1)组成。添加NH4H2PO4后颗粒物仍呈双峰分布并主要以亚微米颗粒物(PM1)为主,但NH4H2PO4的添加可有效减少总颗粒物排放量PM10尤其是PM1的排放量,并且减排效果与P/K摩尔比密切相关。当P/K摩尔比为1时,PM1和PM10的减排效果最好,分别达到44.43%和30.70%。接着,鉴于玉米杆中碱土金属含量低,为了使添加剂与碱金属盐反应主要形成高熔点的K-Ca/Mg磷酸盐,研究了不同磷基钙盐CaHPO4(DP)、Ca(H2PO42(CDP)、Ca3(PO42(TCP)在不同添加比例下对玉米秆燃烧颗粒物排放特性的影响。发现添加CDP、DP、TCP后玉米秆燃烧产生的颗粒物质量粒径分布仍为双峰分布,且主要以亚微米颗粒物(PM1)为主。CDP、DP、TCP的添加均在不同程度上降低了颗粒物总量PM10尤其是PM1的排放量,其中CDP的减排效果明显好于ADP、DP和TCP,且当P/K摩尔比为1时,CDP的减排效果最好,减排PM1高达51.93%,PM10减排率为44.09%。最后,研究了烘焙对玉米秆燃烧颗粒物的排放影响以及在烘焙过程中添加ADP对后续燃烧颗粒物排放的影响。研究发现,玉米秆烘焙后燃烧PM1和PM1-10的排量与原样相比均有不同幅度升高,并且PM的增幅比例随烘焙温度的升高而升高。当烘焙温度为300℃时,PM1和PM1-10的排放量分别较原样增加了76.52%和183.59%。ADP作为添加剂与玉米秆混合烘焙一定程度上降低了产物的质量产率、能量产率及热值,且使后续燃烧过程中产生的总颗粒物PM10产量下降,特别是亚微米颗粒物PM1产量下降更为明显。烘焙温度为300℃,P/K摩尔比为1时减排效果最佳,相较玉米秆300℃烘焙可减排PM1 28.81%及PM100 20.13%。本章研究成果可为生物质燃烧供热和发电的规模化应用提供理论指导。
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