喷雾干燥生物质作为煤粉共燃模型添加剂的燃烧特性

《Energy》：Combustion characteristics of spray-dried biomass as a model additive for pulverized coal co-firing

　　摘要（作者）• 制备了具有可控形态的喷雾干燥生物质。• 颗粒比煤粉更小、更均匀。• 添加喷雾干燥生物质使最低着火温度降低约50 K。• 观察到脱挥发分和火焰传播增强。• 喷雾干燥生物质可作为混燃研究的模型添加剂。引言生物质在现有燃煤机组中的混燃是实现能源部门碳足迹（CFP）减排的过渡性解决方案之一，同时能在能源转型过程中保持能源生产的稳定性[1]，[2]。由于具有较高的效率和相对有利的经济指标，煤粉锅炉仍是电力行业燃煤的主导技术[3]，[4]。因此，生物质与煤的混燃过程主要在煤粉炉中进行[5]，[6]。电力行业最常用的生物质由于存在具有各向异性特性的纤维状木质素-纤维素结构，难以研磨[7]，[8]。与生物质尺寸减小相关的颗粒尺寸和能耗取决于研磨设备的类型和运行特性[9]，[10]。研磨性能还可能受到研磨部件设计和材料的影响[11]。此外，粉碎技术的选择也会影响研磨性能和能量需求[12]。煤和生物质的共研磨在现有磨煤机中进行，导致研磨效率和质量的显著降低[13]，[14]。在工业实践中，现有磨煤机中生物质共研磨的质量份额受到限制[6]，[15]。煤和生物质以煤粉形式共燃可带来多项环境效益[15]，[16]。但也可能带来运行挑战，包括锅炉腐蚀[17]。煤-生物质混合物的燃烧行为和挥发分排放已被广泛研究[18]，而混燃的能源和经济效果取决于燃烧技术和电厂配置[19]，[20]。由于生物质固有的纤维状和各向异性特性，获得具有规则几何形状和与煤粉相当的形状系数的颗粒仍具挑战性[21]。虽然专门设计的生物质研磨技术能够产生更细的颗粒，但所涉及的粉碎过程可能需要相当大的能量输入[22]，[23]。此外，由此获得的颗粒形状特征仍可能与煤粉中通常观察到的不同[6]。同时，研究结果表明，即使向煤粉中少量添加生物质也能显著改善燃烧特性，特别是降低混合物的着火温度[24]，[25]。从减少化石CO?排放的角度来看，共燃也是合理的，前提是生物质组分满足特定计费系统的可持续性要求[26]，[27]。生物质颗粒尺寸对着火特性（特别是着火温度）的影响已在文献中广泛研究[28]。研究发现，临界颗粒尺寸是确定着火机理的重要参数[29]。颗粒尺寸低于80-90 μm可确保均相着火机理；高于此临界值时，着火机理为非均相。然而，热解和生物质收缩的不均匀性可能改变临界颗粒尺寸，导致从一种着火机理向另一种的转变。本研究涉及的是尺寸远低于与非均相着火相关的临界尺寸的规则生物质颗粒。此外，本研究中使用的生物质由单一碳水化合物组成，不含碱金属或农业和森林生物质中常见的其他组分。所制备生物质中不含杂质（包括碱金属），无需考虑其影响或采取措施减轻其影响[30]。文献强调需要使用矿物基铝硅酸盐添加剂，主要用于结合碱金属和减少灰分相关问题[28]。在这些添加剂中，铝硅酸盐黏土矿物——包括高岭土、膨润土和埃洛石——已被广泛用于增强生物质和废弃物的热转化[31]，因为已证明它们能影响燃烧过程中的钾释放和灰熔融行为[32]。除了减轻碱金属相关问题外，添加剂还被认为能提高粉煤灰副产品的工业适用性，从而增加其在循环经济框架内的再利用潜力[33]。本研究使用麦芽糊精作为模型生物质，以确保可重复性和对物理化学性质的精确控制。在燃烧研究中，已有使用简化生物质模型化合物（如纤维素和木质素）的报道[34]，而纤维素、半纤维素和木质素也已被用作热化学转化研究中的木质纤维素生物质模型组分[35]。淀粉同样已被作为生物质模型化合物进行研究[36]。生物质浆料的喷雾干燥可为混燃过程提供一种替代的燃料制备方法，通过获得更细、更均匀的颗粒来改善燃烧特性。麦芽糊精是淀粉部分水解的碳水化合物产物，通常包含数个至十几个（有时更多）葡萄糖单元，特别适合此目的，主要由于其高水溶性和广泛的可获得性。麦芽糊精因其独特的物理化学性质，被广泛认为是微胶囊化技术中最有效和最常用的壁材（包埋材料）之一[37]。与其他候选碳水化合物基材料相比，其在高固体浓度下的低黏度和优异的成膜特性进一步有利于制备均匀且可重复的喷雾干燥材料[38]，[39]，[40]，[41]。液体生物质的喷雾干燥包括两个关键阶段：雾化和干燥。雾化方法、操作条件和进料黏度决定了工艺效率和液滴尺寸分布的可重复性，从而影响所得颗粒的尺寸分布[42]，[43]，[44]。产品质量随后由干燥阶段决定，其中较大液滴的不完全溶剂蒸发可能导致产品损失[45]，[46]，[47]，[48]。液滴与干燥介质（空气或烟气）之间的传热和传质影响颗粒特性[49]，而蒸发速率控制颗粒形态。低干燥温度还可能增加颗粒的黏附和内聚[50]，[51]。与生物质喷雾干燥工业规模实施相关的主要限制仍是该过程的高能耗，这是由于需要蒸发大量水分所致[52]。因此，本研究的一个重要方面是考虑在可降低过程能耗的温度下进行生物质喷雾干燥，例如使用一次风气流[53]作为干燥介质，以确保煤粉从磨煤机到锅炉的干燥和输送。据作者所知，尚无先前研究报道使用喷雾干燥麦芽糊精作为受控模型生物质添加剂来研究煤粉在煤-生物质混燃中的着火和燃烧行为。本研究的目的是确定喷雾干燥麦芽糊精生物质是否能作为具有受控物理化学性质的可重复燃料，从而为系统研究和优化共燃过程开辟新的可能性，同时能够掺入添加剂。本研究的具体目标是研究添加喷雾干燥麦芽糊精对煤粉着火和燃烧行为的影响，包括其物理化学性质、热分解、着火特性和火焰传播行为。章节片段麦芽糊精溶液的制备和喷雾干燥条件市售麦芽糊精是在促进形成相对较大直径颗粒（通常从数十到数百微米）的喷雾干燥条件下工业规模生产的[48]。为更好地控制生物质添加剂的性能，来自PEPEES S.A.（波兰）的商业麦芽糊精（MC），葡萄糖当量（DE）为10-13，仅作为原料使用，随后通过喷雾（原文在此处中断）麦芽糊精水溶液的雾化研究麦芽糊精水溶液和水（作为参照）雾化过程中获得的液滴尺寸分布如图2、图3和图4所示。增加雾化空气流量降低了水和麦芽糊精溶液的Dv10、Dv50、Dv90和D32值（图2和图3），表明雾化和传热传质增强。在整个空气流量范围内，麦芽糊精溶液产生的液滴比水更大，这可归因于其（原文在此处中断）结论研究了煤与模型生物质燃料的混燃。该生物质的挥发分含量约为98%，矿物质（灰分）组分可忽略不计。此外，约90%的生物质颗粒体积与直径低于29 μm的颗粒相关。测试样品包括来自波兰亚尼纳矿的烟煤粉，颗粒尺寸在70-90 μm范围内。生物质与煤的质量比为1:32。对于（原文在此处中断）CRediT作者贡献声明Mateusz Tymoszuk：写作——审阅与编辑，监督，调查。Tomasz Hardy：方法学，调查，形式分析，数据管理。Przemys?aw Garbacz：方法学，调查。Dariusz Choiński：写作——审阅与编辑，写作——原稿，可视化，验证，监督，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。Marek Ochowiak：监督，调查。And?elika Krupińska：方法学，调查。Marek Pronobis：（原文在此处中断）生成式AI和AI辅助技术写作过程声明在准备本手稿期间，作者使用了Microsoft Copilot来改进英语语言。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。资助本研究由项目“煤粉炉、炉排炉和流化床锅炉的燃烧催化剂”资助，该项目在欧洲现代经济基金2021-2027（FENG）优先事项I下共同资助，资助协议号FENG.01.01-IP.02-0976/24，是早期项目“固体燃料燃烧强化的创新技术开发与实施”的延续，由波兰国家研究与发展中心在国家（原文在此处中断）下共同资助。利益冲突声明? 作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。Dariusz Choiński|Zdzis?aw Bielecki|Marek Pronobis|Mateusz Tymoszuk|Przemys?aw Garbacz|Tomasz Hardy|Marcin Odziomek|Beata Strzemiecka|Mi?os?aw Kozak|Sylwia W?odarczak|And?elika Krupińska|Marek Ochowiak|Piotr Wójtowicz