调控稻秆灰渣流动特性的基础氧化物添加剂作用机制研究及其在熔渣气化炉中的应用

针对高硅含量稻秆灰渣在熔渣气化炉中因黏度高、流动性差导致的应用瓶颈，研究人员通过添加Fe2 O3 和CaO调控灰渣熔融特性（AFTs）及黏温曲线，结合XRD、FTIR和热力学计算揭示了碱性氧化物通过解聚硅酸盐网络（降低黏度）和形成易熔矿物（如橄榄石）的协同机制，为生物质气化工业化提供了关键理论支撑。

　　

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论文解读

背景与问题
在全球碳中和背景下，生物质能作为化石燃料的替代品备受关注。稻秆等秸秆类生物质因储量丰富、成本低廉成为气化技术的理想原料，但其灰渣中二氧化硅（SiO₂
）含量高达40%以上，导致熔融温度（AFTs）低而黏度高，在熔渣气化炉中易堵塞排渣口，威胁设备长期运行。如何通过添加剂调控灰渣流动性，成为生物质气化工业化亟待解决的核心问题。

研究设计与方法
华东理工大学的研究团队选取稻秆灰（RSA）为研究对象，以工业常用助熔剂Fe₂
O₃
和CaO为添加剂，系统测试了不同配比下灰渣的熔融温度（AFTs）和黏温曲线，结合X射线衍射（XRD）分析矿物相变、傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析硅酸盐网络结构，辅以热力学计算揭示调控机制。

研究结果

1. 熔融特性调控

   • 低添加量时，Fe₂
     O₃
     和CaO均通过结合SiO₂
     降低流动温度（FT），但过量CaO会生成高熔点硅灰石（CaSiO₃
     ）导致FT回升，而Fe₂
     O₃
     则形成易熔橄榄石（Fe₂
     SiO₄
     ）。
   • RSA的初始FT为1284°C，添加10% CaO后降至1160°C，满足气化炉操作温度需高于FT 100–150°C的要求。

2. 黏度调控机制

   • 两种添加剂均通过增加网络修饰体（如Ca²⁺
     、Fe³⁺
     ）解聚硅酸盐网络，但Ca²⁺
     因离子势更低，解聚能力优于Fe离子，使黏度从25 Pa·s（纯RSA）降至2.5 Pa·s（最佳操作范围）。
   • FTIR显示，CaO添加后硅氧四面体[SiO₄
     ]的非对称振动峰向低波数偏移，证实网络结构解聚。

结论与意义
该研究首次通过实验证实CaO和Fe₂
O₃
对高硅稻秆灰的差异化调控机制：CaO在低添加量下更高效降低黏度，而Fe₂
O₃
通过形成易熔矿物维持流动性。成果发表于《Renewable Energy》，为熔渣气化炉的原料适配与工艺优化提供了理论依据，推动秸秆类生物质的大规模清洁利用。