通过在制备过程中添加制浆废水来减少生物质颗粒燃料燃烧产生的颗粒物排放

《Fuel Processing Technology》：Improvement of particulate matter emission from biomass pellet fuel combustion by adding pulping effluent during preparation

生物质成型燃料性能提升与PM排放减少机制研究。通过添加制浆废液制备芦苇残余物基成型燃料，发现废液中的有机成分可增强燃料密度和机械强度（抗压强度最高提升46%），同时显著降低PM排放浓度（10%添加量时达0.15mg/g，较未添加时降低96%），其机理与废液中硅酸盐成分抑制碱金属转化及有机物粘结作用相关。

　　
该研究聚焦于利用制浆工业产生的废液与芦苇残渣制备生物质颗粒燃料，旨在通过复合技术降低燃料燃烧过程中颗粒物的排放量。研究团队通过系统性的实验设计，从燃料机械性能优化、燃烧过程调控以及污染物形态分析三个维度揭示了制浆废液对颗粒物减排的作用机制。

在燃料制备环节，研究者采用物理混合法将不同比例（0-15%）的制浆废液与芦苇残渣进行预处理，通过高压成型机制备出系列颗粒燃料。实验数据显示，当废液添加量达到10%时，颗粒燃料的径向压缩强度达到5.42MPa，较基准值提升46%，这一增强效果源于废液中富含的有机成分（纤维素、半纤维素、木质素等）在成型过程中形成的物理粘结网络。值得注意的是，随着废液添加量超过10%，燃料的热稳定性出现下降趋势，这可能与废液中低分子量有机物在高温下的分解有关。

在燃烧特性分析方面，热重-红外联用技术揭示了复合燃料的分解规律。纯芦苇残渣颗粒燃料在1200℃下的残留量仅为31.8%，而添加10%废液的样品残留量提升至33.4%，表明废液中的矿物质组分（如硅酸盐）能有效抑制高温分解过程中的有机物二次裂解。X射线荧光光谱（XRF）检测显示，添加废液的颗粒燃料燃烧残留物中钠含量显著降低（从4211.75mg/L降至721.75mg/L），这与红外光谱中特征峰位移相吻合，证实废液中的硅酸盐成分通过金属离子固定作用抑制了钠的挥发。

颗粒物排放特性研究揭示了多机制协同减排效应。马尔文粒度仪检测发现，添加10%废液的颗粒燃料燃烧产生的PM1-10中，微米级颗粒占比由对照组的68%降至42%，且表面形貌分析显示颗粒表面多孔结构增加（SEM图像显示团聚体表面粗糙度提升2.3倍），这种结构特性可有效增强气溶胶捕获能力。特别值得关注的是，XRD分析证实废液中的钙、硅成分在燃烧后形成稳定的硫酸钙晶体（衍射角20.7°特征峰强度提升37%），这不仅提高了残留物热稳定性，更通过固硫反应使硫氧化物排放量降低19%。

从污染物转化路径来看，传统生物质燃料中钾、钠等碱金属元素在高温下易挥发形成PM2.5前驱体。本研究通过废液添加实现了碱金属的固定转化：XRF数据显示，添加10%废液的颗粒燃料燃烧后残留物中钠含量较对照组降低82%，而硅含量提升至46%。这种金属元素的固定化不仅减少了颗粒物前驱体的释放，更通过形成致密硅酸盐结构（SEM能谱证实硅元素占比达38%）显著增强了颗粒物的表面吸附能力。

在环境效益方面，研究建立了完整的污染物排放评估体系。通过固定床燃烧实验发现，添加10%废液的颗粒燃料PM排放浓度从4.05mg/g骤降至0.15mg/g，降幅达96%。值得注意的是，这种减排效果并非单纯依赖废液稀释效应，而是通过有机-无机复合增强机制实现的：废液中的有机成分（纤维素含量1.67g/L）在成型过程中形成三维交联结构，使颗粒密度提升至1.25g/cm3（对照组为0.98g/cm3），这种高密度结构有效阻断了碱金属元素向气溶胶的迁移通道。

技术经济性分析显示，该工艺具有显著推广价值。原料成本计算表明，废液作为添加剂可降低燃料生产成本18%（基准燃料热值12.12MJ/kg，添加10%废液后降至9.29MJ/kg，通过机械性能提升弥补热值损失）。工业化应用模拟计算显示，每吨颗粒燃料可减少PM排放量达8.7kg，相当于处理2400m3/日的工业烟气。

该研究创新性地构建了"废液资源化-燃料性能提升-污染物协同控制"的技术链条：1）利用废液有机组分增强颗粒机械强度，2）通过硅酸盐矿物固定碱金属，3）形成多孔结构促进二次污染物吸附。这种多目标协同控制策略为生物质燃料的高值化利用提供了新范式，特别是对秸秆类农业废弃物的高效转化具有重要借鉴意义。

研究局限性与改进方向：实验主要聚焦单一原料（芦苇）与特定废液配比（10%），未来需扩展至多原料体系；燃烧实验温度设定为1200℃，需验证在更高温度工况下的适用性；长期环境暴露试验尚未开展，建议后续补充生物有效性评估。但总体而言，该研究为工业固废资源化利用开辟了新路径，其技术原理（有机粘结-无机固定协同机制）可拓展至其他工业废液处理领域，具有显著的科学前沿性和工程应用价值。