秸稈熱利用過程中氮的遷移機理研究.pdf

1、秸稈是我國主要的生物質(zhì)資源。目前，秸稈氣化和直燃已成為秸稈大規(guī)模資源化利用的重要技術(shù)。隨著秸稈氣化和直燃技術(shù)的發(fā)展及環(huán)保要求的日趨嚴格，氣化及燃燒過程中NOx的排放已引起人們的關(guān)注。本文在熱重分析儀和管式爐上，首次系統(tǒng)地對秸稈熱解和燃燒過程中NOx及其前驅(qū)物的生成規(guī)律等基礎(chǔ)問題進行了研究。主要研究結(jié)果如下：
　　 （1）秸稈熱解過程中氮的遷移
　　 選擇麥稈、稻稈、棉稈、玉米稈等典型秸稈作為研究對象，考察不同種類秸稈熱解

2、過程中含氮氣體析出的規(guī)律。研究結(jié)果表明，慢速熱解過程中，NH3和HCN是秸稈的主要含氮氣體；快速升溫熱解時，HCN的生成量明顯比NH3大。秸稈種類不同，氮向HCN、NH3及HNCO轉(zhuǎn)化的選擇性不同。棉稈中摻入麥稈混合熱解，氮向HNCO的轉(zhuǎn)化減小。
　　 系統(tǒng)考察了升溫速率、樣品粒徑、氣氛等試驗條件對秸稈氮轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律。隨升溫速率增大，HCN和NH3的生成量減小，HNCO的析出量增加；秸稈粒徑較大時，氮主要轉(zhuǎn)化為NH3，粒徑較小

3、時，氮選擇性轉(zhuǎn)化為HCN及HNCO。氣氛中有O2存在時，秸稈氮主要轉(zhuǎn)化為HCN與HNCO，含氮氣體的析出總量增加。氣氛中的CO2降低HCN的析出量，抑制秸稈氮向HNCO的轉(zhuǎn)化，促進氮轉(zhuǎn)化為NH3，含氮氣體的析出總量減??；隨溫度升高，秸稈氮向HCN的轉(zhuǎn)化增加。
　　 揭示了秸稈中礦物質(zhì)對秸稈氮遷移特性的影響機理。秸稈內(nèi)在K抑制NOx前驅(qū)物的析出，內(nèi)在Ca增加NOx前驅(qū)物的析出，尤其是促進秸稈氮選擇性轉(zhuǎn)化為HNCO。添加K、Ca后，

4、含氮氣體的析出總量均減小。添加Fe、Al或Si降低了麥稈含氮氣體的析出量；Fe或Si抑制了麥稈氮向HCN的轉(zhuǎn)化，而Al對HCN的析出影響不明顯。
　　 （2）含氮模型化合物熱解過程中氮的遷移
　　 提出利用氨基酸作為秸稈氮的模型化合物，研究它們熱解過程中氮遷移特性的新思路。由于不同氨基酸的結(jié)構(gòu)不同，熱解過程中含氮氣體的析出特性不同，氮的選擇性轉(zhuǎn)化路徑也不同；氣氛中O2和CO2的引入對氨基酸氮轉(zhuǎn)化的選擇性影響不盡相同，O2

5、促進氨基酸熱解過程中NO和HNCO的析出，CO2抑制HCN和HNCO的生成。
　　 引入利用模型化合物與秸稈主要組分模擬真實秸稈的概念，系統(tǒng)考察了模型化合物與纖維素、半纖維素及木質(zhì)素混合熱解過程中的相互作用。分析了纖維素、半纖維素及木質(zhì)素對氮轉(zhuǎn)化的不同影響機理，總結(jié)了混合熱解時模型化合物氮析出的共性規(guī)律。
　　 研究了秸稈中主要礦物質(zhì)成分對模型化合物氮析出的影響，揭示了礦物質(zhì)成分與模型化合物之間的相互作用，并分析了發(fā)生作

6、用的機理。
　　 綜合考慮模型化合物與纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及礦物質(zhì)等秸稈主要組分的相互作用可以有效預(yù)測秸稈氮的遷移特性。不同秸稈中主要組分對氦轉(zhuǎn)化的作用不盡相同。總體來說，麥稈中的木質(zhì)素對氮轉(zhuǎn)化的影響不大，而稻稈中木質(zhì)素對氮轉(zhuǎn)化的影響很明顯；麥稈中纖維素對氮轉(zhuǎn)化的影響最大，而稻稈中半纖維素對氮轉(zhuǎn)化的影響最大。
　　 （3）秸稈燃燒過程氮的遷移
　　 針對麥稈、稻稈、玉米稈及棉稈等兩大類4種典型秸稈的研究表明，

7、不同秸稈燃燒過程中NO的生成量與轉(zhuǎn)化率不同，棉稈中超過70％的燃料氮轉(zhuǎn)化為NO，而麥稈中只有37％的燃料氮轉(zhuǎn)化為NO。麥稈與棉稈混合燃燒時，燃料氮向NO的轉(zhuǎn)化率提高。秸稈燃燒過程中摻入石灰石促進了NO的生成，降低了N2O的生成，有利于利用現(xiàn)有脫銷技術(shù)實現(xiàn)對NOx和N2O排放的控制。氣氛中SO2的存在抑制了NO的生成量。
　　 （4）秸稈與其它燃料混合熱解過程氮的遷移
　　 研究了秸稈分別與城市生活垃圾、污泥和煤混合熱解過

8、程中NOx前驅(qū)物的生成規(guī)律，探明秸稈質(zhì)量份額對混合物氮轉(zhuǎn)化路徑的影響。HCN及HNCO是城市生活垃圾和石化污泥熱解的主要含氮氣體，秸稈與其混合熱解過程中，HNCO份額顯著減小，HCN及NH3逐漸增長為混合物的主要含氮氣體。無煙煤和煙煤單獨熱解過程中HCN的析出量比NH3高，燃料氮向HCN及NH3的轉(zhuǎn)化率較低，隨著麥稈質(zhì)量份額增加，混合燃料氮轉(zhuǎn)化為HCN及NH3的份額明顯增加。上述結(jié)果為秸稈與其它燃料混燒發(fā)電時控制N2O和NO的排放，優(yōu)選