生物質燃燒后堿金屬鉀的遷移規律發展現狀

李清清 周宇峰 成亞 魏鑫

摘要：近些年有學者對生物質再利用進行了不同的研究，以期更好地應對能源危機。在一些實驗中可知，隨著溫度升高，水溶性鉀不斷減少，難溶性鉀和氣相中析出的鉀含量升高;當稻殼和玉米秸稈一起燃燒時，會生成難溶性硅酸鉀，從而減少鉀的釋放;生物質中的鉀的遷移會隨煤中礦物質含量增加而增加。本文基于對不同條件下堿金屬鉀析出的研究，對產生結果進行了系統綜述。

關鍵詞：鉀;遷移規律;溫度

引言

近些年來，全球資源逐漸匱乏使得生物質漸漸被人們重視，生物質中有很多元素我們可以利用，有些在燃燒之后會對環境產生影響，類如Cd、Pb、As、Hg等元素。堿金屬元素雖無三致作用，但其含量過高會帶來灰沉積和腐蝕等問題，在生物質能源利用過程中應予以重視。

本文首先分析不同溫度條件堿金屬鉀的析出情況，進一步分析稻殼中鉀元素的析出情況，基于上面的分析，探討煤與生物質燃燒產生的變化。

1.在不同溫度下，鉀的析出情況

對生物質在不同溫度下鉀的析出研究，其元素組成和含量都會對生物質熱轉化過程中堿金屬的釋放產生影響[1];李松陽[2]等試驗可知生物質中的堿金屬主要以鉀元素為主;通過張震[3]等研究生物質中的堿金屬促進煤的熱解，半焦產率均有所下降，隨溫度升高，芳香層間距增大，定向程度與尺寸均減小;閆偉杰[4]等試驗中可知鉀的特性輻射強度與溫度的變化趨勢一致，呈正相關性，溫度峰值與堿金屬輻射強度峰值對應的時刻相同;劉璐[5]等與周駿[6]等人得知隨著燃燒溫度升高，灰中鉀含量升高，850℃時含量最高，隨著溫度不斷升高，鉀含量變化速率減小，含量會下降。

研究表明，生物質燃料鉀的析出率隨著燃燒溫度升高而增大，溫度越高，增長速度越快，在高溫區溫度的影響極大;隨著溫度升高，灰質中鉀的含量減少，氣相析出的鉀含量增多，但高溫區難溶性鉀也會增多。

2.稻殼中鉀元素析出情況

生物質燃燒過程中產生的鉀，會對受熱面的沉積以及使設備腐蝕，造成一定程度的經濟損失。

由陳均[7]等人試驗可知，稻殼中的二氧化硅和鉀含量相比別的生物質高;龍紀淼[1]等研究表明，因稻殼中硅含量高，當玉米秸稈燃燒時加入適量的稻殼，與不加稻殼同等溫度燃燒時間條件下，加入稻殼，鉀析出量減少，溫度越高，產生影響越大;董向元[8]等試驗表明，隨著反應強度變化，稻桿水熱焦中鉀的殘留率呈下降趨勢;李松陽[2]等得出對稻桿酸洗后灰中鉀明顯減少，鉀是影響灰熔點的重要因素，在稻殼燃燒過程中，部分鉀灰隨煙氣而揮發。

由于稻殼中的二氧化硅會使設備上面結渣，用水熱化處理，使得硅從中脫除下來，生物質灰中含有生物生長的鉀元素，可以將灰回放田里，施加肥性，實現資源再次利用。

3.生物質和煤一起燃燒

目前有關生物質和煤共燃的研究主要關注其共燒過程中灰分沉積和灰融特性，特點是既能減少CO2、SOx和NOx的排放，又可改善生物質資源本身高水分、低熱值等不利于單獨熱解狀況，而關于混燃過程中鉀的釋放、轉化規律的研究還非常有限。

周駿[4]等試驗說明煤中鉀含量太少，認為煤和生物質混燃過程灰質中的鉀主要來源于生物質，煤中的Ca會更容易與S等元素結合生成CaSO4，鉀更容易與 Cl結合生成KCl，促使鉀的釋。混合燃料中Ca含量隨著生物質摻混比例的增多而逐漸減小，且生物質中的Si含量較高，鉀更容易與Al、Si等元素反應，使更多的鉀被固定在灰樣中從而抑制鉀的釋放;何玉遠[9]的試驗表明煤與生物質混合快速熱解過程中發生了協同作用，促進了焦的分解，焦的產率隨著生物質含量的增加而降低;宋云彩[10]等研究得出生物質堿金屬在反應器內的傳質過程是影響傳質的主要阻力，煤焦的孔結構特性對堿金屬再分配不造成阻力，堿金屬進入半焦后的傳質阻力基本可以忽略。

從現有文獻總結得知當溫度升高時，鉀的釋放率較快，成灰率快速下降;當鉀的釋放速率隨溫度升高變化緩慢時，成灰率也隨溫度升高而緩慢下降，鉀會和煤中的一些元素生成難溶性物質，說明溫度使鉀相關化合物的分解和釋放也是導致成灰率變化的原因。

4.展望

生物質中水溶性鉀含量在燃燒過程中隨溫度升高，析出率升高，當達到一定溫度時，水溶性鉀的析出速率變慢，難溶性硅酸鉀生成，使得生產中對燃燒器具產生影響，我們可以在燃燒過程中避免有Si和Al反應導致難溶性鉀生成，將燃燒后的灰可以當做肥料，給植物補充鉀等元素。

參考文獻：

[1]龍紀淼，葉家銘，宋鑫，鄧磊，車得福.生物質燃燒過程中K元素的遷移特性[J].燃燒科學與技術，2018，24（5）：471-476.

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[3]張震，張晶，李榮鑫，國俊峰，龍鈺.堿金屬對煤與生物質熱解后微觀結構的影響[J].科技與創新，2020，11：158-162.

[4]閆偉杰，李框宇，于凌波，黃顯良，孫安泰.基于自輻射光譜的火焰溫度和堿金屬釋放特性同時檢測[J].燃燒科學與技術，2020，26（3）：242-247.

[5]劉璐.粉煤灰對生物質燃燒中K、Cl遷移轉化影響及作用機理研究[D].山東大學碩士學位論文，2019，21-28.

[6]周駿，劉倩，鐘文琪，余作偉.生物質混煤燃燒過程中鉀的遷移轉化規律[J].燃料化學學報，2020，48（8）：929-936.

[7]陳均，李思，陳新孝.生物質灰的特性及綜合利用[J].科學技術創新，2020（02）：50-51.

[8]董向元，郭淑青，王紅艷，王折折，高新杰，王樹中.稻稈水熱碳化過程中堿（土）金屬的遷移[J].太陽能學報，2021，42（1）：355-360.

[9]何玉遠.煤與生物質共熱解共氣化過程中硫、氮的遷移規律研究[D].鄭州大學博士學位論文，2018，118-132.

[10]宋云彩，李喬同，劉志武，吳少杰，張璐，張羊，馮杰.煤/生物質共熱解過程中生物質堿金屬鉀遷移規律[J].太原理工大學學報，2018，49（6）：827-832.

作者簡介：李清清（1996-），女，甘肅寧縣人，研究生。

通訊作者：李娜（1983-），女，吉林農安人，副教授，博士。

（吉林建筑大學 市政與環境工程學院 吉林長春 130000）