李清清 周宇峰 成亞 魏鑫

摘要：近些年有學者對生物質(zhì)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?shù)練ず陀衩捉斩捯黄鹑紵龝r，會生成難溶性硅酸鉀，從而減少鉀的釋放;生物質(zhì)中的鉀的遷移會隨煤中礦物質(zhì)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(chǎn)生結(jié)果進行了系統(tǒng)綜述。

關鍵詞：鉀;遷移規(guī)律;溫度

引言

近些年來，全球資源逐漸匱乏使得生物質(zhì)漸漸被人們重視，生物質(zhì)中有很多元素我們可以利用，有些在燃燒之后會對環(huán)境產(chǎn)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(zhì)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(zhì)燃燒產(chǎn)生的變化。

1.在不同溫度下，鉀的析出情況

對生物質(zhì)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(zhì)熱轉(zhuǎn)化過程中堿金屬的釋放產(chǎn)生影響[1];李松陽[2]等試驗可知生物質(zhì)中的堿金屬主要以鉀元素為主;通過張震[3]等研究生物質(zhì)中的堿金屬促進煤的熱解，半焦產(chǎn)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(zhì)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(qū)溫度的影響極大;隨著溫度升高，灰質(zhì)中鉀的含量減少，氣相析出的鉀含量增多，但高溫區(qū)難溶性鉀也會增多。

2.稻殼中鉀元素析出情況

生物質(zhì)燃燒過程中產(chǎn)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(jīng)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(zhì)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(chǎn)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(fā)。

由于稻殼中的二氧化硅會使設備上面結(jié)渣，用水熱化處理，使得硅從中脫除下來，生物質(zhì)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(xiàn)資源再次利用。

3.生物質(zhì)和煤一起燃燒

目前有關生物質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)化規(guī)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(zhì)混燃過程灰質(zhì)中的鉀主要來源于生物質(zhì)，煤中的Ca會更容易與S等元素結(jié)合生成CaSO4，鉀更容易與 Cl結(jié)合生成KCl，促使鉀的釋。混合燃料中Ca含量隨著生物質(zhì)摻混比例的增多而逐漸減小，且生物質(zhì)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(zhì)混合快速熱解過程中發(fā)生了協(xié)同作用，促進了焦的分解，焦的產(chǎn)率隨著生物質(zhì)含量的增加而降低;宋云彩[10]等研究得出生物質(zhì)堿金屬在反應器內(nèi)的傳質(zhì)過程是影響傳質(zhì)的主要阻力，煤焦的孔結(jié)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(zhì)阻力基本可以忽略。

從現(xiàn)有文獻總結(jié)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(zhì)，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(zhì)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(chǎn)中對燃燒器具產(chǎn)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(zhì)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.

[2]李松陽，劉建坤，陳越，丁文濤，張大雷.秸稈中鉀元素對生物質(zhì)成灰特性的影響研究[J].太陽能學報，20119，40（5）：1324-1330.

[3]張震，張晶，李榮鑫，國俊峰，龍鈺.堿金屬對煤與生物質(zhì)熱解后微觀結(jié)構的影響[J].科技與創(chuàng)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(zhì)燃燒中K、Cl遷移轉(zhuǎn)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(zhì)混煤燃燒過程中鉀的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[J].燃料化學學報，2020，48（8）：929-936.

[7]陳均，李思，陳新孝.生物質(zhì)灰的特性及綜合利用[J].科學技術創(chuàng)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(zhì)共熱解共氣化過程中硫、氮的遷移規(guī)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(zhì)共熱解過程中生物質(zhì)堿金屬鉀遷移規(guī)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(nóng)安人，副教授，博士。

（吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院 吉林長春 130000）