餐厨垃圾制生物煤试验初探

文章以校园餐厨垃圾为原料，以水热炭化的方法处理餐厨垃圾，对得到的水热炭化固体产物生物煤的特性参数进行测定，得出生物煤的热值及灰分均达到GB／T17608—2006精煤的一级标准。通过3水平3因素正交试验，对水热炭化工艺条件进行优化，得到影响因素的主次顺序为温度〉pH〉反应时间，合适的工艺条件为180℃，pH为4，反应时间为3h。在温度160—220℃范围内，随着反应温度的增高，生物煤的热值增加，而其转化率则是先增高，后趋于平缓，最后急速下降。在优化工艺条件下对餐厨垃圾进行水热炭化，得到生物煤热值为30．18MJ／kg，转化率为54．08％。对餐厨垃圾及优化条件下得到的生物煤进行元素分析，得出经过水热炭化后，碳的质量百分含量从49．00％提高到65．93％，而氧元素的质量分数降低了17．98％。同时，水热炭化改变了餐厨垃圾的极性及芳香性。

煤矿采动影响体微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同充填关键技术

煤矿采空区是我国实现“双碳”目标的重要突破口,煤炭开采形成的、能够富集煤层气、为后期微生物活动和矿化充填提供底物和空间的地质体定义为采动影响体。以采动影响体为研究对象,提出了采动影响体微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同矿化充填关键技术,并从必要性和可行性2个方面阐述了该技术在采动影响体资源二次开发、CO_(2)安全封存以及燃煤电厂粉煤灰固废高效处置等的广阔前景。其总体思路是将采动影响体作为一个厌氧发酵“工厂”,高产高效产甲烷菌群作为“劳动者”对“工厂”已有的原材料——残煤、薄煤层和分散有机质以及注入的CO_(2)进行加工,其“产品”是甲烷,进而实现微生物采残煤和CO_(2)资源化。同时,CO_(2)与碱性的粉煤灰结合,在实现了CO_(2)矿化封存的同时,也实现了采动影响体的充填。该技术涉及的关键科学问题包括采动影响体类型划分与有机质特征、采动影响体原位条件下厌氧发酵产甲烷机制、微生物-CO_(2)-粉煤灰协同矿化/固化机制以及微生物采残煤与充填关键技术示范工程建设。实验室物理模拟采动影响体原位条件实验表明其中残煤和富含有机质的泥页岩能够在微生物作用下生成生物甲烷,且添加少量的粉煤灰能够进一步强化甲烷的产出。物理模拟地下水补给的动态实验表明营养物质的补给对厌氧发酵系统的影响尤为重要,补给循环周期为14 d的厌氧发酵系统恰与产甲烷菌群繁殖的周期一致,能够保证厌氧发酵系统的持续高效运行。高钙粉煤灰-CO_(2)-矿井水协同胶结的试件经过28 d的养护后抗压强度为12.31 MPa,其矿化封存潜力约为21.99 m3 CO_(2)/t(粉煤灰),说明粉煤灰在实现采空区固化的同时能够实现CO_(2)减排。此外,基于微生物采残煤与粉煤灰充填目的对工程试验靶区进行优选,地下水滞留区是CO_(2)矿化和粉煤灰充填的最佳场所,因采掘活动自然形成的自然圈闭和人工充填形成的圈闭是较有利的工程试验靶区之一。针对这些靶区提出了微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同充填关键技术,旨在为中国碳减排和采空区生态环境治理提供一条新的技术路径。

煤与生物质耦合燃烧的协同效应

生物质燃料是替代化石燃料的重要能源,在燃煤机组上掺烧生物质是当下生物质能利用的主要途径。由于煤和生物质耦合燃烧过程中存在协同效应,生物质燃料与煤耦合燃烧性能与二者单独燃烧的燃烧性能差异无法通过化学成分或相关性质算术平均来确定,与此同时,生物质中富含的碱金属K也会加重受热面结渣倾向。为研究煤与生物质混合燃烧过程中协同效应,选取神府烟煤与板栗壳作为试验样品,通过混合、研磨与压制,制备成圆饼形颗粒并在Hencken平焰燃烧器上进行燃烧试验。利用高速摄像机结合图像处理技术计算着火延迟时间,利用光谱仪结合自发辐射理论测量燃烧过程中火焰温度、气相K浓度。探讨耦合燃烧着火特性、燃烧特性与气相碱金属释放特性协同效应及其原因。最后,结合灰分分析结果计算各工况结渣指数,获得燃烧气相碱金属释放量与结渣指数相关性关系。结果表明:煤与生物质耦合燃烧着火延迟时间低于理论值,证明耦合燃烧着火存在协同效应,表现为促进着火。受纤维素热解与碱金属元素催化共同影响,生物质质量分数为50%时,着火延迟时间与理论值之差达到最大1.91 s,协同效应最大;耦合燃烧释放的碱金属低于理论值,说明耦合燃烧气相碱金属释放协同效应表现为抑制气相碱金属释放,由挥发分-焦炭相互作用与无机反应共同控制,无机反应中Si、Al元素与K反应占主导;随气相K释放量增大,碱酸比与硅比数值增大,结渣倾向升高,结渣指数与气相K释放量间相关性系数均大于95%,说明气相K释放量与结渣指数高度相关,可见在线监测获得的气相K释放浓度具有判别结渣特性潜力。

不同CO_(2)压力下黄铁矿与煤制气耦合机制研究

目的为了研究不同CO_(2)压力下黄铁矿与煤制气的耦合机制,方法利用压力为1,3,5 MPa的高压罐进行煤和黄铁矿厌氧发酵产气试验。结果结果表明:(1)压力1 MPa时产气量较好,最终产气量为1.26 mmol/g;压力增加,罐中产气量减少,压力5 MPa时产气量仅0.02 mmol/g。(2)随着压力增加,水溶液中HCO-3质量浓度和氧化还原电位(Eh)逐渐上升,pH逐渐下降,5 MPa试验组反应末期pH最低,为4.02,1 MPa压力罐内总铁有消耗,波动较大;反应前期,3,5 MPa压力罐中总铁质量浓度持续增加,说明反应前期3,5 MPa压力下黄铁矿溶解量增加较多;(3)高压条件下,化学需氧量(chemical oxygen deman,COD)和短链脂肪酸浓度水平的显著减少反映了厌氧发酵程度的减弱和黄铁矿酸化程度的增强;(4)压力增加,功能菌种丰度和多样性降低,硫杆菌属逐渐处于优势地位,厌氧发酵过程基本停滞。结论适宜的CO_(2)压力条件可促进煤储层条件下的微生物生长代谢,同时添加黄铁矿发生氧化产生的铁离子,可促进菌群酶活,使煤生物产气反应顺利进行。研究结果可为原位条件富集营养液注入后的产气机制研究提供理论支撑。

煤/生物质基分级多孔炭制备工艺的优化与应用

为实现煤层气的高附加值利用,通过在煤中添加生物质和KOH合成一种煤/生物质基分级多孔炭,并将其应用于煤层气直接裂解制氢,从而获得高纯氢气和一定数量的碳材料。鉴于煤/生物质基分级多孔炭在制备过程中影响因素众多的问题,采用Design-Expert软件构建了制备煤/生物基分级多孔炭材料的实验方案,结合合成的多孔炭材料催化煤层气裂解制氢反应的实验数据进行了影响因素分析,建立了影响因素与反应转化率之间的拟合方程并对实验方案进行了优化。结果表明:温度和碱碳比是煤/生物质基分级多孔炭制备过程中的主要影响因素。优化得到的制备条件理论最优解与实验值之间的最大误差为3.3%,说明Design-Expert软件对制备过程的优化是准确且可靠的。与原煤炭材料相比,煤/生物质基分级多孔炭催化裂解煤层气具有较高的活性。前者反应后表面生成大量的碳球,而后者表面则生成大量的碳球和碳纤维。

基于AMS的^(14)C法对生物质与煤混燃掺烧比测定的研究进展

生物质与煤耦合燃烧不仅可以提高生物质资源利用率,还可以达到减排效果,以符合碳交易市场要求。将生物质与煤混燃技术广泛应用于发电厂,需要对生物质掺混比进行高精度测定。然而,当前工业技术测量的速度和精度还有待提高。基于加速器质谱(AMS)的^(14)C检测法能够更准确迅速地进行^(14)C含量的测定,从而得出生物质掺混比例。本文阐述了生物质掺混比的高精度快速测定方法,并从采样方法、^(14)C含量测定、掺烧比计算模型、误差分析等方面对基于AMS的^(14)C检测方法进行了分析,并提出了测量方法的改进建议和展望,以期对生物质与煤耦合燃烧输入侧掺混比精确快速测定提供科学参考和建议。

煤粉耦合生物质气协同降低NO_(x)和CO_(2)的排放技术

针对我国提出的“双碳”目标,以某350MW煤粉/生物质气混烧锅炉为研究对象,数值模拟了生物质气的掺烧比和空气分级技术对炉内温度、NO_(x)和CO_(2)的生成量及煤粉的燃尽特性的影响。结果表明:增加生物质气的掺烧量和空气分级技术均会降低主燃烧器区的温度,温度由1539K降至1266K,炉内火焰中心上移。由于炉内还原气氛介质增加、主燃烧器区温度降低、生物质气中N_(2)的占比多及CO_(2)占比少的综合因素,煤粉/生物质气混烧联合空气分级技术能协同降低NO_(x)和CO_(2)的排放量,NO_(x)排放量由345μL/L降至88μL/L,CO_(2)排放量由22.90%降至10.67%。但煤粉混烧生物质气会减少煤粉颗粒在炉内的停留时间,建议通过增大炉膛高度、减小煤粉颗粒的粒径、将生物质气预处理到较高温度等方法提高煤粉的燃尽率。该研究结果可为煤粉/生物质气混烧锅炉的低氮和低碳运行提供技术支持。

工业煤粉锅炉与生物质燃料耦合燃烧分析

煤炭与生物质燃料耦合燃烧是一种经济环保、节能降碳的有效方式,国内可利用的生物质能源丰富,可实现工业锅炉部分或完全煤炭燃料的替代。结合某热电厂40 t/h煤粉锅炉与生物质燃料耦合燃烧的改造,探索生物质燃料的选型,力求实现大比例的生物质燃料耦合燃烧,在安全运行的同时减少污染物的排放。

燃煤发电机组碳排放计算与碳减排技术分析

针对燃煤发电机组的特点,根据CO_(2)生成机理,构建了适用于燃煤机组的碳排放强度计算模型。基于46台机组试验数据,利用该模型研究了碳排放强度随机组等级、煤质以及机组负荷等因素变化关系,并给出了降低供电CO_(2)排放的措施。结果表明:机组的发电碳排放强度主要受机组发电煤耗率、燃煤的收到基低位发热量和燃煤收到基碳元素含量影响。通过数据拟合了碳排放强度与发电煤耗率间估算公式,烟煤的单位标准煤CO_(2)生成系数为2.79 t/t。安徽省2021年平均供电碳排放强度下降到658 g/(kW·h),通过提高新能源装机和电量占比、提升燃煤机组效率,燃煤耦合生物质发电,碳捕集、封存与利用技术及低碳调度等措施,可显著降低区域电力碳排放强度。

生物质与煤混合颗粒流化特性的实验研究

在 D1 1 5 mm× 1 0 0 0 mm有机玻璃制成的圆柱型流化床中 ,对玉米秆、稻秆、煤及其混合物的流化特性进行了实验研究 .实验结果表明 ,单一生物质颗粒不能形成良好的流化状态 ,而加入一定量煤构成生物质和煤二组分混合颗粒可以实现稳定流化 .当生物质和煤混合颗粒中生物质的质量分率小于 5 0 %时 ,可以达到很好的流化状态 ,生物质和煤二组分混合颗粒的最小流化速度随生物质质量分率的增加而减小 .

煤与生物油的成浆性能研究

利用不同煤种的煤和生物油制备了不同浓度的生物油煤浆,考察了生物油煤浆的成浆浓度、表观黏度、流变特性和稳定性。结果表明,生物油煤浆是具有一定屈服应力的非牛顿流体,其流变特性可用宾汉姆方程来描述;生物油煤浆的屈服应力和表观黏度都随着固体浓度的增加而增大;随着剪切速率的增加,生物油煤浆的表观黏度减小;四种煤中,无烟煤的成浆浓度最高,可达42%,其含碳量高达49%,相当于同种煤制成的74%的水煤浆含量。烟煤次之,褐煤最低;生物油与煤粉之间能够形成絮凝性的大分子网络结构,使得生物油煤浆存在屈服应力并能够保持良好的静态稳定性,4.0～5.0 d天没有软沉淀产生,数月没有硬沉淀产生。

生物质煤与矿物质煤的比较

从资源的形成、储量、使用范围、燃料特性、对环境的影响等方面对生物质煤和矿物质煤做出了详细的分析比较,使人们对它们之间的区别有了进一步的认识,并提出了一些看法和建议。

生物质复合型煤固硫特性研究

对所研制的生物质复合型煤的固硫机理进行了分析 ,并对生物质复合型煤的固硫特性进行了试验研究 ,结果表明生物质复合型煤较一般型煤有更高的固硫率 ,当Ca/S=2 0、燃烧温度低于 90 0℃时 ,生物质复合型煤的固硫率可以达到 90 %以上 ;生物质复合型煤的固硫率受燃烧温度、生物质添加量、钙硫比等因素影响 ,加入铁系氧化物能增强生物质复合型煤的固硫性能。

金属离子在煤生物转化过程中的激活作用研究

研究了5种外源性金属离子对液相和固相培养的煤生物转化率的影响。在5种金属离子对酶活性的影响上,真菌和细菌表现出了不同的金属离子敏感性,大多数金属离子对真菌有激活作用,其中Mn2+在本实验条件中下,对真菌A有最好的激活作用,生物转化率提高了120%;Zn2+将真菌B的生物转化率从8%提高到29%,提高了263%;Fe3+对细菌的溶煤作用有较好的促进效果,生物转化率提高了184%.研究结果表明,细菌转化液总的蛋白含量与金属离子对煤转化率的影响趋势是正相关的。

微生物的分离及其培养条件对溶煤效果的影响

试验分别从新汶矿区采集的土样、尾矿水、矿井水中共分离筛选出溶煤效果比较好的7种菌种。在确定最佳溶煤时间后,通过原煤和煤溶物的工业分析、元素分析和红外光谱分析,考察溶煤前后的元素变化和煤溶物的结构变化。

生物质复合型煤在热分析仪中的燃烧行为研究

通过热分析技术对以农作物秸杆、城市生活垃圾、林业加工废弃物等生物质和云南先锋褐煤为原料制得的生物质复合型煤的燃烧行为进行了实验研究 .结果表明 ,生物质复合型煤的燃烧过程大致可以分为四个阶段 ,即脱水干燥、挥发分的析出和燃烧、挥发分燃烧和焦炭表面燃烧并存的过渡阶段、焦炭的表面燃烧 ;且生物质复合型煤 ( BCC)具有着火温度低、燃尽率高等特点 .此外通过对热重 ( TG)、差示扫描量热 ( DSC)曲线的深入分析 ,对

分子煤化学与煤衍生物的定向转化

从煤中获取“特异化学品”是煤炭非燃料利用的重要途径 .对煤大分子进行“剪裁”,获取“特异化学品”和对这些“特异化学品”进行“缝制”是分子煤化学的两个重要内容 .总结了煤衍生物的种类及它们可以获取的高附加值产品 ,分析了煤衍生物定向转化的合理途径 ,指出了煤衍生物定向转化中存在的问题 。

生物质与煤混燃过程中碱金属对汞氧化影响的热力学研究

针对生物质中Cl和碱金属含量高的特点,研究生物质与煤混燃过程中Hg的氧化机制。使用化学热力学软件Chemical Equilibrium with Applications(CEA)建立C/H/O/N/S/Cl/K/Na模型,分析碱金属元素K、Na与非金属元素Cl和S的反应,发现1100K以下Cl仍然主要以HCl形式存在,SO2的含量逐渐减少,碱金属主要以碱金属硫酸盐(A2SO4)的形式存在,这对Hg的氧化反应变得更为有利,同时随着生物质的添加,这种趋势更为明显。同时使用动力学软件Chemkin4.1构建了Hg/C/H/O/N/S/Cl/K/Na的化学和气相平衡模型,进一步研究了生物质与煤混燃过程中对Hg氧化的影响。计算结果表明,生物质与煤之比越高,对Hg的氧化越有利,生物质中高含量的Cl是促进Hg氧化最主要的因素,而K、Na的存在对Hg的氧化有进一步的促进作用,这进一步证实了热力学计算结果。

煤的微生物转化研究进展

国家战略安全决定了我国能源战略必须立足国内优势煤炭资源,走以煤代油、煤炭绿色转化之路。煤的微生物转化是煤炭,特别是低阶煤洁净高效利用的最有效方式之一,并因其设备要求简单,转化条件温和,能耗低,产物利用价值高等优点,成为煤炭转化和清洁利用领域的研究热点。文中综述了国内外近30年对微生物降解煤的研究状况,主要从煤种、溶煤微生物、影响微生物溶煤过程的因素、溶煤产物的分析和用途等方面进行了归纳总结,并对微生物降解煤的前景和方向进行了展望。