以钠、钾为代表的IA族碱金属元素，由于其氢氧化物的强碱性特征而为人熟知。碱金属元素丰度巨大，约占地壳元素总含量的5.42%，并主要以各种盐类矿物形式存在于燃料中，形成来源广泛、储量丰富的高碱固体燃料，在能源利用领域占据着十分重要的地位。同时，由于碱金属元素的强金属性、高溶解度、低熔、沸点特征，导致其在燃料热利用时，参与到热转化的各个环节，对颗粒物、气体污染物的生成及燃尽灰渣熔融特性等产生显著影响，导致燃用设备积灰、结渣及雾霾、酸雨、光化学烟雾等极端环境问题，最终限制高碱固体燃料产业的整体发展。基于上述背景，本文选取典型实验样品，对高碱固体燃料热利用过程中，碱金属的转化、释放、颗粒物形成、控制以及影响燃用设备积灰、结渣的灰熔融特性等进行分析和研究，具体结果如下：

（1）通过对小麦秸秆和准东煤碱金属赋存形式及热转化特性进行分析，发现：小麦秸秆中碱金属以K为主，约58%的水溶性K是KCl、27%是KNO₃、5%是K₂SO₄、1.5%是K₃PO₄。准东煤中碱金属主要为Na，约有59.22%的水溶性Na是Na₂SO₄、21.36%是NaHCO₃、18.23%是NaCl、1.19%是NaNO₃。在热解过程中，随着温度升高，小麦秸秆中水分会首先释放，携带K⁺、Cl^-等至燃料表面富集，并伴随着K⁺结合NO₃^-形成低沸点KNO₃释放，水溶性碱金属含量降低，导致醋酸氨溶性态向水溶性态转化正向进行。随着温度继续升高，水溶性K会与其他能形成更低熔点钾盐的阴离子结合并释放，醋酸氨溶性K向水溶性K转化反应再次发生。对于准东煤，其碱金属转化、释放过程与小麦秸秆较相似。但由于准东煤中水溶性碱金属熔沸点或分解温度较高，在热解过程中释放相对缓慢。同时，存在Na与Si、Al生成硅铝酸盐，导致不溶性Na含量逐渐增加。

（2）在燃烧实验中发现，超细颗粒物主要化学成分为Na、K、Mg、Ca、Fe、S和Cl。随着颗粒物尺寸的增长，碱金属及S、Cl含量大量减少，碱土金属及Al、Si占比明显增加，Fe、P含量未见明显变化。经过脱碱处理，PM_0.1及PM₁释放量均显著降低；在脱碱燃料中负载钠盐后，负载NaCl燃料颗粒物生成量最大，其次为负载Na₂SO₄和NaAc的燃料；在燃料中添加吸附剂漂珠后，燃烧产生的超细颗粒物和亚微米颗粒物量大大减少，导致颗粒物减少的原因是漂珠中SiO₂、Al₂O₃结构受热断键，导致Si、Al原子由低活性位转变为高活性位。同时，燃料中的碱金属、Cl、S、挥发分以及碎裂的微细颗粒逐步逸出，进入漂珠内部众多微孔中被物理或化学吸附。

（3）依据钠、铝、硅三元相图选取实验工况，进行高碱固体燃料燃用渣块熔融特性测试，发现添加Na₂SO₄后灰样熔点降低最为明显，其次是NaAc，最差的是NaCl。这主要是由于Na₂SO₄在高温条件下产生的游离Na⁺、O^2-等最多，对硅铝矿物断键效果最明显，其次是NaAc和NaCl。当原始灰样钠相对含量较低时，凝固灰样高熔点莫来石、钙黄长石及赤铁矿等矿物相含量较高，样品呈非透明黑色状态，表面十分粗糙、疏松并存在大量不规则凹坑。随着灰样钠含量增加，凝固样品中碱性矿物相含量逐渐增加，表面粗糙度降低，呈透明状态，灰样结渣可能性大大增加。

（4）通过改变等离子体放电电压、脉冲频率、反应区压力以及加入不同种类碱金属盐，研究了碱金属对等离子体电离特性的影响，发现：增大放电电压、提高放电频率、降低反应区气压均可改善等离子体放电特性，使得带电粒子密度明显增加。在确定的放电和气压条件下，若添加水或不作添加，则等离子体对仅频率低于3 GHz的电磁波具有较强的衰减作用，且不作添加的等离子体电子数密度略高于添加水的；与未添加碱金属工况相较，添加碱金属的等离子体电子数密度会明显提升。这主要是由于碱金属进入反应区后，会参与到等离子体的电离反应，导致带电粒子生成量增加；对于添加碱金属的工况，按添加后等离子体电子数密度排序为：KI > KAc > NaI > NaAc，导致这种结果的主要原因是阴离子结合阳离子的能力以及碱金属金属性的差异。