摘要
微藻可通过水热炭化的方式转化为生物炭。本文针对微藻生物炭在高炉喷吹中的应用问题，首先基于响应面法，优化了微藻水热炭、微藻-松木屑共水热炭的制备参数，表征了材料的组成、微观形貌、燃烧性能等参数。采用生命周期评价法，分析了所制备水热炭在高炉喷吹中应用的碳减排效益。主要结果如下: (1)基于响应面优化的微藻水热炭制备及材料表征 通过响应面法(RSM)和可信度函数对微藻水热炭的制备参数进行了优化，包括水热温度、滞留时间和固液比。结果表明，在温度为206℃、时间为120分钟、固液比为20％的条件下，可以获得最佳的产物性能，包括较高的高位热值(26.91 MJ/kg)、能量回收率(57.35％)和最高的综合燃烧性能指数(11.98)。在优化条件制备的微藻水热炭中C元素含量提高至59.58％,不同金属元素含量相比微藻原料平均下降了 77.73％;在结合燃料比、燃烧性能等指标后发现其可作为燃料进行应用。 (2)微藻与松木屑共水热炭制备及表征 为改善使用单一微藻生物质制备的水热炭产率较低的问题，采用RSM优化了微藻-松木屑共水热炭的制备参数。结果显示在温度为200℃、时间为89 min、松木屑与微藻质量比为0.33的条件下，共水热炭产率(54.37％)、高位热值(27.16 MJ/kg)和灰分含量(2.36 wt％)的综合结果最优，其中产率相比单一微藻水热炭提高了 7.36％。优化后的共水热炭C含量提高至61.10％,起始燃烧所需的活化能降低至12.34kJ/mol,说明松木屑的加入改善了水热过程的能量效率和水热产物的燃料特性。综合对比燃料性能指标后发现，两种优化后的水热炭各具优势，具有在高炉喷吹中应用的潜力。 (3)水热炭用干部分替代高炉喷吹煤粉的生命周期评价 为计算微藻水热炭和共水热炭部分替代高炉喷吹煤粉后的节能减排效果，本文进行了生命周期评价。结果表明，微藻水热炭的使用能使每吨铁降低5.31 kg的CO2排放，但会造成378 MJ的不可再生资源消耗;而共水热炭能够使每吨铁降低1.57 kg的CO2排放和252 MJ的不可再生能源的消耗。 本文相关研究内容可为微藻基生物炭材料的制备条件优化及其在高炉喷吹中的应用提供基础数据和理论支撑。
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