水热碳化技术是生物质有效处理的方法之一,利用水在较高温度下的特殊性质,可将生物质快速降解转化生成富碳固体产物水热焦。生物质灰分中含有大量的碱(土)金属,其在水热碳化中,在小分子有机酸和水自电离的共同作用下发生迁移转化,不仅影响水热焦的芳构化路径,也影响着水热焦的理化特性和应用,其在水热碳化中迁移机理的研究对于调控水热焦的特性具有重要意义。本研究以国家自然科学基金项目“湿解环境下生物质湿解残液中碳元素的迁移固存机制研究”为依托,以稻秆为实验原料,采用高压反应釜,在不同反应强度下进行水热碳化实验研究,结合水热焦有机和无机元素组成以及燃烧行为,深入分析了稻秆在水热碳化中有机元素的演变规律和碱(土)金属的迁移,同时为了明确灰分对稻秆水热焦碳化过程的影响,对酸洗脱灰稻秆开展了水热碳化实验研究,并系统分析了酸洗脱灰稻秆水热焦的理化特性。具体工作和结论如下:(1)以稻秆为原料,在反应强度为3.85~8.27(反应温度为150~300℃,反应时间为60~600 min)的范围内进行水热碳化实验,并对不同反应强度下的稻秆水热焦特性进行深入分析。研究表明,稻秆水热焦产率由60.8%降至35.6%,液体产物产率由32%增至53.2%,若以碳化为主,反应强度则不应超过6.5(240℃、240 min)。在反应强度范围内,稻秆水热焦的C质量分数及高位热值最高分别达到了62.59%、26 MJ/kg,水热碳化反应脱除了80%以上的碱金属,碱土金属也脱除了30%左右。(2)随着反应强度的增强,稻秆水热焦灰分的质量分数由10.26%增至18.49%,而水热焦灰分残留率,呈现先增加后降低的趋势,当反应强度为8.27(300℃、240 min)时,灰分残留率降至66.76%,此时约34%的灰分被脱除。稻秆经水热碳化反应后,水热焦的结渣、沾污指数均大幅度降低,其值远低于参考标准。(3)稻秆经0.5 mol/L的稀硝酸溶液酸洗后,同原料相比,灰分质量分数减少约50%,碱金属K、Na的质量分数分别减少约99%、86%,碱土金属Ca的质量分数增加约12%,Mg的质量分数减少约62%。在150~300℃、240 min的反应条件下,脱灰稻秆水热焦产率由70.9%降至36.2%,且同稻秆水热焦相比,脱灰稻秆的水热焦产率、水热焦碳化程度均有所提高。(4)脱灰稻秆水热焦与稻秆水热焦燃烧行为的分析表明,酸洗脱灰处理去除了稻秆中的部分灰分和抽提物,使其水热碳化反应过程中水分子扩散阻力降低,从而使脱灰稻秆水热焦的碳化程度提高,同时酸洗后稻秆中沸点较低的挥发分减少,进而使稻秆水热焦燃烧时的热稳定性有所增强。