CN106433845A - 一种生物质燃料固钾方法 - Google Patents

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罗芳艳
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许严
邱轶
邓国民
姚凯
陈韬
钱婷
滕叶
高琪娜
陈雪丹
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Abstract

本发明涉及一种生物质燃料固钾方法，其包括预处理、干燥处理和高温利用步骤：其中预处理为向含有钾元素的生物质燃料上均匀喷洒硅溶胶溶液或将生物质燃料浸泡在硅溶胶溶液中。本发明方法可有效实现钾的固化，有利于提高反应效率和改善了生物质燃料中含钾组分在燃烧过程中对锅炉等设备造成不良影响。此外，本发明方法简单，所采用的硅溶胶价格便宜，成本低。

Description

一种生物质燃料固钾方法
技术领域
本发明涉及一种固化生物质燃料中钾的方法及由该方法所得的生物质燃料。
背景技术
生物质是继煤炭、石油、天然气后的第四位能源，其贡献占全世界一次能源消费的14％，且生物质能具有二氧化碳近零排放的特点，所以充分开发和利用生物质资源对缓解能源供应紧张和减少温室气体排放等具有重要意义。生物质在我国全部能源消耗中约占20％，每年生物质资源总量折合成标准煤燃料2-4亿吨，具有极大的开发潜力，足以补充我国的能源缺口。
生物质直接燃烧是最普通的生物质能转化技术，但大多数生物质锅炉在运行过程中均会出现较为严重的结渣问题。其主要原因是，在燃烧过程中，生物质中含有的钾以气态的形式析出，这些气态的含钾化合物在换热器表面上被冷却，形成粘稠的熔融态物质粘附在受热面上，并继续捕集烟气中的固体颗粒，形成结渣。目前针对生物质锅炉碱金属结渣问题，所采用的解决方法主要是将换热器材料换成防腐蚀材料，但这种方法价格昂贵，且不能从源头上解决碱金属造成的结渣问题。
高温环境下利用生物质燃料易造成沾污、结渣和积灰问题，目前关于生物质燃料沾污、结渣和积灰的控制技术仍存在不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种生物质燃料固钾方法，其可显著改善生物质燃料中含钾组分在高温环境中对锅炉等设备造成不良影响的问题。
本发明同时还提供一种改进的生物质燃料，其应用可显著改善生物质锅炉设备的结渣和腐蚀。
为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：
一种生物质燃料固钾方法，其包括以下步骤：
步骤1，预处理：向含有钾元素的生物质燃料上均匀喷洒硅溶胶溶液或将生物质燃料浸泡在硅溶胶溶液中，得到预处理完成的生物质燃料；
步骤2，干燥处理：对预处理完成的生物质燃料进行干燥处理，得到干燥完成的生物质燃料；
步骤3，将干燥完成生物质燃料送入高温环境中利用，在该过程中，所述二氧化硅与所述含钾组分发生反应生成熔点高且不易挥发的含钾物质。
根据本发明，步骤1中，所述硅溶胶溶液可以为硅溶胶水溶液或其他溶液，优选硅溶胶水溶液。
进一步地，步骤1中，所述硅溶胶溶液中二氧化硅的质量含量为1％～90％。作为本发明的一个优选方案，所述硅溶胶溶液中二氧化硅的质量含量为10％～60％。更优选20％～40％。
优选地，步骤1中，所述硅溶胶溶液的用量按照每摩尔的活性含钾组分使用2～4摩尔的二氧化硅来确定。
优选地，步骤1中，所述硅溶胶溶液为钠和/或钾元素含量低于0.05wt％的硅溶胶溶液。
优选地，步骤2中，所述干燥处理为热风处理。进一步地，热风处理的温度为100～110摄氏度，具体例如105摄氏度。
本发明还提供一种不易结渣的生物质燃料，其由生物质燃料经过如下步骤制得：
步骤1，预处理：向含有钾元素的生物质燃料上均匀喷洒硅溶胶溶液或将生物质燃料浸泡在硅溶胶溶液中，得到预处理完成的生物质燃料；
步骤2，干燥处理：对预处理完成的生物质燃料进行干燥处理，得到干燥完成的生物质燃料，即为所述不易结渣的生物质燃料。
本发明的不易结渣的生物质燃料在高温环境下，二氧化硅与所述含钾组分发生反应生成熔点高且不易挥发的含钾物质，因此可有效改善结渣问题，防止结渣对于设备例如生物质锅炉设备的不利影响。
根据本发明的第三个方面，本发明还提供上述的不易结渣的生物质燃料在生物质锅炉中的应用。
根据本发明，硅溶胶溶液亦称硅酸溶胶，是纳米级二氧化硅颗粒在水或其他溶液中的分散液。
由于采取以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：
通过使用本发明提供的方法，对生物质燃料喷洒硅溶胶溶液，或将生物质燃料浸泡在硅溶胶溶液中一定时间，由于硅溶胶溶液具有很好的渗透性，其渗透性接近于水。因此，能够通过生物质燃料表面渗透到生物质燃料颗粒内部，与生物质燃料中的含钾组分接触充分，二氧化硅留存于生物质燃料颗粒内部孔隙和表面，并在高温环境中与生物质燃料中的活性含钾组分第一时间发生化学反应生成硅酸钾、硅铝酸钾等熔点高、不易挥发的含钾物质，并且该含钾物质会留存于灰渣中被后续除尘设备捕获，不仅大大减少了烟气中的气相钾的含量，提高了生物质燃料的灰熔点，而且由于生成的飞灰中硅酸盐成分高进一步降低了飞灰粘性，降低了结渣倾向，减轻了生物质燃料燃烧引起的结渣和对设备的腐蚀，因此，改善了生物质燃料中含钾组分在燃烧过程中对锅炉等设备造成不良影响。此外，本发明方法简单，所采用的硅溶胶价格便宜，成本低。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明不限于以下实施例。以下实施例中，在没有特别说明时，所述表示含量的“％”为质量百分含量。实施例中未注明的条件为常规实验条件。以下实施例中采用的硅溶胶溶液中K和Na含量低于0.05wt％。实施例中有4种燃料组合方式：1)75％玉米秸秆+25％棉秆，钾元素含量2.81％；2)75％玉米秸秆+25％木屑，钾元素含量3.35％；3)75％水稻秸秆+25％棉秆，钾元素含量1.16％；4)75％水稻秸秆+25％木屑，钾元素含量1.53％。4种燃料组成各取一份，在900℃下进行燃烧试验，对所得灰样进行钾含量测定和灰熔融点测定，以作对比。实施例喷洒试验中，因硅溶胶溶液量少，可适当加入超纯水，保证喷洒能够覆盖生物质燃料的表面。实施例浸泡试验中，因硅溶胶溶液量少，可适当加入超纯水，直至浸没生物质燃料。将生物质燃料使用低温灰化仪进行低温灰化处理，低温灰化所得灰样中钾的含量可近似为生物质燃料中钾的含量。对低温灰化所得灰样和燃烧后的灰样分别使用微波消解仪进行消解，所得消解液使用电感耦合等离子体发射光谱仪对消解液进行分析，得到生物质燃料和燃烧后灰样中钾的含量。钾的析出量通过生物质燃料中的钾含量和燃烧灰样中钾含量之差得出。钾的析出比例由钾的析出量和生物质燃料中的钾含量之比得到。另外，对生物质燃料燃烧后的灰样进行灰熔融点测试，结果参见表1。
实施例1
一种生物质燃料固钾方法，实施如下：向10kg生物质燃料(75％玉米秸秆+25％棉秆，钾元素含量2.81％)上均匀喷洒10％的硅溶胶溶液8.65kg(硅溶胶溶液的用量按照每摩尔的活性含钾组分使用2摩尔的二氧化硅来确定)，喷洒完毕后，放置2h，进行热风(温度105℃)干燥处理，得到干燥完成的生物质燃料，将该生物质燃料应用于马弗炉中，在约温度900℃下进行燃烧，将所得灰样进行钾含量检测和灰熔融点测试，相应数据结果参见表1。
实施例2
一种生物质燃料固钾方法，实施如下：向10kg生物质燃料(75％玉米秸秆+25％木屑，钾元素含量3.35％)上均匀喷洒40％的硅溶胶溶液3.87kg(硅溶胶溶液的用量按照每摩尔的活性含钾组分使用3摩尔的二氧化硅来确定)，喷洒完毕后，放置2h，进行热风(温度105℃)干燥处理，得到干燥完成的生物质燃料，将该生物质燃料应用于马弗炉中，在约温度900℃下进行燃烧，将所得灰样进行钾含量检测和灰熔融点测试，相应数据结果参见表1。
实施例3
一种生物质燃料固钾方法，实施如下：向10kg生物质燃料(75％玉米秸秆+25％棉秆，钾元素含量2.81％)上均匀喷洒80％的硅溶胶溶液2.16kg(硅溶胶溶液的用量按照每摩尔的活性含钾组分使用4摩尔的二氧化硅来确定)，喷洒完毕后，放置2h，进行热风(温度105℃)干燥处理，得到干燥完成的生物质燃料，将该生物质燃料应用于马弗炉中，在约温度900℃下进行燃烧，将所得灰样进行钾含量检测和灰熔融点测试，相应数据结果参见表1。
实施例4
一种生物质燃料固钾方法，实施如下：将10kg生物质燃料(75％水稻秸秆+25％棉秆，钾元素含量1.16％)浸泡在40％的硅溶胶溶液1.34kg中(硅溶胶溶液的用量按照每摩尔的活性含钾组分使用3摩尔的二氧化硅来确定)，浸泡1h，进行热风(温度105℃)干燥处理，得到干燥完成的生物质燃料，将该生物质燃料应用于马弗炉中，在约温度900℃下进行燃烧，将所得灰样进行钾含量检测和灰熔融点测试，相应数据结果参见表1。
实施例5
一种生物质燃料固钾方法，实施如下：将10kg生物质燃料(75％水稻秸秆+25％木屑，钾元素含量1.53％)浸泡在20％的硅溶胶溶液3.53kg中(硅溶胶溶液的用量按照每摩尔的活性含钾组分使用3摩尔的二氧化硅来确定)，浸泡1h，进行热风(温度105℃)干燥处理，得到干燥完成的生物质燃料，将该生物质燃料应用于马弗炉中，在约温度900℃下进行燃烧，将所得灰样进行钾含量检测和灰熔融点测试，相应数据结果参见表1。
对比例1
本例基本同实施例1，不同的是，硅溶胶溶液的用量按照每摩尔的活性含钾组分使用1.5摩尔的二氧化硅来确定。将该生物质燃料应用于马弗炉中，在约温度900℃下进行燃烧，将所得灰样进行钾含量检测和灰熔融点测试，相应数据结果参见表1。
对比例2
本例采用与与实施例1相同的生物质燃料，不经过任何处理，直接将该生物质燃料应用于马弗炉中，在约温度900℃下进行燃烧，将所得灰样进行钾含量检测和灰熔融点测试，相应数据结果参见表1。
表1
从表1可以看出，与对比例2相比，各实施例钾析出比例均有所下降，灰熔点均有所提高。从钾的析出比例来看，实施例4和实施例5效果最好，说明硅溶胶浸泡处理比硅溶胶喷洒效果更好。从实施例1、实施例3和对比例1可以看出，二氧化硅与钾元素的摩尔比从1.5增加到4，钾的析出比例逐渐下降，说明二氧化硅与钾元素的摩尔比为4时能取得较好的效果，此时钾的析出减少了一半以上。从实施例2和实施例4来看，二氧化硅与钾元素的摩尔比为4时，生物质燃料处理前钾析出比例相近，硅溶胶浸泡处理后，钾析出比例比硅溶胶喷洒低17.71％。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种生物质燃料固钾方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，预处理：向含有钾元素的生物质燃料上均匀喷洒硅溶胶溶液或将生物质燃料浸泡在硅溶胶溶液中，得到预处理完成的生物质燃料；
步骤2，干燥处理：对预处理完成的生物质燃料进行干燥处理，得到干燥完成的生物质燃料；
步骤3，将干燥完成生物质燃料送入高温环境中利用，在该过程中，所述二氧化硅与所述含钾组分发生反应生成熔点高且不易挥发的含钾物质。
2.根据权利要求1所述的生物质燃料固钾方法，其特征在于，步骤1中，所述硅溶胶溶液为硅溶胶水溶液。
3.根据权利要求1所述的生物质燃料固钾方法，其特征在于，步骤1中，所述硅溶胶溶液中二氧化硅的质量含量为1％～90％。
4.根据权利要求3所述的生物质燃料固钾方法，其特征在于，步骤1中，所述硅溶胶溶液中二氧化硅的质量含量为10％～60％。
5.根据权利要求1所述的生物质燃料固钾方法，其特征在于，步骤1中，所述硅溶胶溶液的用量按照每摩尔的活性含钾组分使用2～4摩尔的二氧化硅来确定。
6.根据权利要求1所述的生物质燃料固钾方法，其特征在于，步骤1中，所述硅溶胶溶液为钠和/或钾元素含量低于0.05wt％的硅溶胶溶液。
7.根据权利要求1所述的生物质燃料固钾方法，其特征在于，步骤2中，所述干燥处理为热风处理。
8.根据权利要求7所述的生物质燃料固钾方法，其特征在于，所述热风处理的温度为100～110摄氏度。
9.一种不易结渣的生物质燃料，其特征在于：它由生物质燃料经过如下步骤制得：
步骤1，预处理：向含有钾元素的生物质燃料上均匀喷洒硅溶胶溶液或将生物质燃料浸泡在硅溶胶溶液中，得到预处理完成的生物质燃料；
步骤2，干燥处理：对预处理完成的生物质燃料进行干燥处理，得到干燥完成的生物质燃料，即为所述不易结渣的生物质燃料。
10.如权利要求9所述的不易结渣的生物质燃料在生物质锅炉中的应用。
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