生物質(zhì)固體成型燃料抗結(jié)渣研究進展

摘要：生物質(zhì)固體成型燃料具有易儲存、運輸及使用方便、清潔環(huán)保、燃燒效率高等優(yōu)點，是開發(fā)利用生物質(zhì)能的主要方向之一。但秸稈類生物質(zhì)原料中無機元素(包括K，Na，Cl，S，Ca．Si，P等)含量較高，導(dǎo)致了生物質(zhì)固體成型燃料在熱化學轉(zhuǎn)化利用過程中出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象．不僅對燃燒設(shè)備的熱性能造成影響．而且危及燃燒設(shè)備安全，成為阻礙生物質(zhì)同體成型燃料推廣應(yīng)用的主要因素。文章分析了秸稈類生物質(zhì)燃料的結(jié)渣機理，介紹了國內(nèi)外生物質(zhì)燃料抗結(jié)渣特性的研究現(xiàn)狀，探討了原料預(yù)處理、添加劑和顆粒密度對燃料抗結(jié)渣特性的影響。最后分析了目前生物質(zhì)抗結(jié)渣研究中存在的問題，并提出了未來的研究方向。 　　0 引言 　　生物質(zhì)能是一種可再生能源。自然界中的生物質(zhì)能取之不盡，用之不竭。生物質(zhì)能具有環(huán)境友好性，生物質(zhì)燃料的CO：凈排放量近似為零；NO,，SO：排放量較低。利用生物質(zhì)固體成型燃料替代化石燃料，對保護生態(tài)環(huán)境，發(fā)展社會經(jīng)濟，實施能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重大的現(xiàn)實意義。 　　秸稈在生長過程中會吸收一定量的堿金屬元素(如K，Na，Cl，S，Ca，Si，P等)，這些元素以鹽或氧化物等形式存在于生物質(zhì)機體內(nèi)，這些物質(zhì)的熔點相對較低，大部分在700—900℃。當秸稈類生物質(zhì)固體成型燃料在鍋爐內(nèi)燃燒時．爐內(nèi)溫度遠高于堿金屬化合物的熔點．導(dǎo)致爐排上的秸稈灰在800～900 oC時就開始發(fā)生軟化．溫度過高時灰分會全部或者部分發(fā)生熔化。形成玻璃狀堅硬爐渣，難以清除。另外。煙氣中夾帶著熔化或半溶化的堿金屬硅酸鹽．在接觸到鍋爐內(nèi)壁面時凝結(jié)，不斷積聚，最終產(chǎn)生嚴重的積灰、結(jié)渣等問題。 　　結(jié)渣現(xiàn)象不僅會影響燃燒設(shè)備的熱性能，而且會危及燃燒設(shè)備的安全性．影響生物質(zhì)同體成型燃料的推廣應(yīng)用。本文分析了國內(nèi)外生物質(zhì)抗結(jié)渣特性的研究現(xiàn)狀，并提出了下一步的研究方向。 　　l生物質(zhì)固體成型燃料結(jié)渣機理 　　1．1秸稈類生物質(zhì)的結(jié)渣特性 　　堿金屬與二氧化硅反應(yīng)生成低熔點的共晶體，共晶體的存在降低了秸稈灰分的熔點，使秸稈灰極易結(jié)渣。大多數(shù)秸稈灰中堿金屬氧化物(K20，Na20)的含量遠高于煤灰中堿金屬氧化物含量的平均值，這是造成生物質(zhì)灰熔點比煤灰熔點低且生物質(zhì)易結(jié)渣的主要原因。不同種類的秸稈和不同種植生長環(huán)境的秸稈，秸稈灰的結(jié)渣特性也不相同。表1列出了幾種生物質(zhì)灰的組分、堿性指數(shù)和發(fā)熱量。 　　1．2不同元素對生物質(zhì)灰結(jié)渣特性的影響 　　1．2．1 K 　　K元素在秸稈類生物質(zhì)中以有機物的形式存在，在秸稈燃燒過程中發(fā)生氧化和分解反應(yīng)．形成各種氧化物、氯化物和硅酸鹽等，其最終生成化合物的種類取決于秸稈的種類、燃料組分和燃燒產(chǎn)物在燃燒室內(nèi)的停留時間。燃燒產(chǎn)物均為低熔點化合物，凝結(jié)在飛灰顆粒和受熱面的壁面上，形成初始結(jié)渣物，因此飛灰顆粒表面富含K及其化合物，從而使飛灰顆粒更具有粘性，飛灰熔點更低．加速了飛灰結(jié)渣及在換熱器表面上的沉積結(jié)渣。 　　1．2．2C1 　　在燃料燃燒過程中Cl幾乎完全蒸發(fā)，生成HCI，C1：和堿金屬氯化物。隨著鍋爐中煙氣溫度的降低。堿和堿金屬氯化物冷凝在飛灰顆?；驌Q熱器表面上。氯化物具有催化作用，使換熱器管材具有活躍的氧化能力．甚至在管壁溫度很低時也能發(fā)生氧化反應(yīng)。經(jīng)驗表明，決定生成堿金屬蒸氣總量的因素不是堿金屬元素，而是Cl元素。實際運行經(jīng)驗也表明．堿金屬含量高而Cl含量低的燃料。其結(jié)渣程度要比兩者含量都較高的燃料低一些。 　　1．2．3 si 　　堿金屬在秸稈類生物質(zhì)中無論以何種形態(tài)存在，在燃燒過程當中．都將與二氧化硅結(jié)合生成低熔點的共晶體．生物質(zhì)灰的主要成分是二氧化硅和堿金屬氧化物。生物質(zhì)灰在700℃便聚團結(jié)渣，就是因為生物質(zhì)中堿金屬元素的化合物與SiO：發(fā)生反應(yīng)，生成了低熔點的共晶體。二次沉積則是煙氣中的灰顆粒或其它成分通過慣性撞擊、熱轉(zhuǎn)移、擴散凝結(jié)和化學反應(yīng)與初始沉積層作用而形成的。 　　1．2．4 S 　　S元素在燃燒過程中生成氣態(tài)的SO：，S03和堿性硫酸鹽，大部分S最終轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)產(chǎn)物。當煙氣急劇冷卻時，硫酸鹽便冷凝在飛灰顆?；驌Q熱管表面。此外，通過硫酸化反應(yīng)，S0：被束縛在飛灰中，物料平衡測定和估算表明。生物質(zhì)燃料中40％～90％的S留存在灰分中，其余部分以S02及SO，的形式隨煙氣排放?；曳止塘蚵嗜Q于灰分中堿金屬(尤其是Ca)的含量以及除塵效率和技術(shù)。實踐表明，當燃燒Ca，S含量低，K含量高的木柴時，燃料的積灰、結(jié)渣程度低，與S含量較高的稻草一起燃燒時，則燃料積灰現(xiàn)象很嚴重。 　　2國內(nèi)外生物質(zhì)固體成型燃料抗結(jié)渣特性研究現(xiàn)狀 　　2．1結(jié)渣性能的判別 　　由于生物質(zhì)與煤在成灰特性上相近。只是成分含量差異較大。因此．可以利用已有的煤結(jié)渣特性研究成果，對生物質(zhì)結(jié)渣性能進行判別．但須要深入研究生物質(zhì)的物理化學以及燃燒等特性，分析生物質(zhì)灰分特征等。 　　閻維平研究表明．由于生物質(zhì)灰成分中某些成分含量與煤灰差異較大。因此用于判別煤結(jié)渣的ST，Rs和FeE03／CaO等方法不適合作為生物質(zhì)結(jié)渣的判別方法，他推薦了B／A．Si02／A1203和G判別方法，這3種生物質(zhì)結(jié)渣判別方法具有較高的可靠性[51，這3種判別方法的界限值對以秸稈為主的生物質(zhì)燃料具有一定的適用性．但在用于判別木質(zhì)生物質(zhì)結(jié)渣性能時。須重新確定合理的結(jié)渣判別界限值。比較而言．采用堿性氧化物指數(shù)來判別生物質(zhì)結(jié)渣特性具有相對較高的可靠性．可以在判別不同產(chǎn)地生物質(zhì)的結(jié)渣特性或不同生物質(zhì)混合燃料的結(jié)渣特性時作為重要的參考依據(jù)。 　　2．2抗結(jié)渣方法研究進展 　　目前．國內(nèi)外研究人員主要采用以下幾種方法來解決生物質(zhì)固體成型燃料的結(jié)渣問題。 　　2．2．1原料預(yù)處理 　　研究表明．如果將收割后的秸稈放置在農(nóng)田內(nèi)。其含有的大部分K元素就會被雨水沖洗掉。由于堿金屬被脫出。使用經(jīng)過雨水沖洗的秸稈。結(jié)渣問題會大大減輕。試驗表明，使用60～70℃的水對秸稈進行洗濾?？擅摮鼋斩捴?5％的K和Cl元素。另外，在秸稈的收集運輸過程中，應(yīng)避免混入含有SiO：的泥沙，防止K和Na等元素的化合物與SiO：發(fā)生反應(yīng)，從而生成低熔點的共晶體。 　　2．2．2添加劑 　　S．P．Bhattacharya研究表明。使用添加劑(如石英砂、氫氧化鋁、氧化鋁或粉煤灰等)能有效阻止生物質(zhì)灰結(jié)渣。當混有大顆粒石英砂的生物質(zhì)燃料在流化床中燃燒時。石英砂可提供大量表面積來捕捉精細的飛灰聚集物，使之離床，從而防止結(jié)渣。丹麥的研究人員對添加劑(包括石英砂、磷酸氫鈣、石膏、膨潤土)進行了研究，每種添加劑的用量為秸稈質(zhì)量的5％。試驗結(jié)果表明，石膏和磷酸氫鈣的抗結(jié)渣特性較差。膨潤土的抗結(jié)渣特性較好，但是價格較為昂貴。Shaojun Xiong在玉米秸稈中添加高嶺土和方解石進行試驗．結(jié)果表明．采用添加劑可使玉米秸稈灰熔點升高100～200 oC。燃料的結(jié)渣傾向大大降低，當添加3％的添加劑時，秸稈灰渣量(干重)減少113-112，方解石抗結(jié)渣的效果比高嶺土要好，渣塊直徑較小且易碎。 　　馬孝琴在小型燃燒裝置上對秸稈、秸稈與添加劑混合物進行了燃燒試驗，并對燃燒過程中凝結(jié)在金屬管道表面的沉積物和旋風分離器分離出的灰進行了分析。使用的添加劑有高嶺土、硅藻土、氫氧化鋁、碳酸鈣、燃煤飛灰等。試驗結(jié)果表明．采用高嶺土、燃煤飛灰和硅藻土等添加劑可以減少沉積物中水溶性K和Cl的含量．進而減輕秸稈燃燒過程中的結(jié)渣腐蝕。 　　2．2．3燃料顆粒密度 　　樊峰鳴研究發(fā)現(xiàn)，固體成型燃料顆粒密度小于1．05 g／cm3時，燃料燃燒結(jié)渣率小于1．2％，成型燃料顆粒密度大于1．05 g／cm時．燃料燃燒持續(xù)時間長．造成爐膛中心溫度過高。提高了燃料的結(jié)渣率。 　　2．2．4確定適宜的燃燒溫度和進行合理的鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計 　　采用各種措施(如水冷震動爐排等)將鍋爐燃燒溫度控制在900 oC以下。對鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行精心設(shè)計。避免攜帶低熔點顆粒的熱氣體與換熱面接觸等，也是抗結(jié)渣的有效措施之一。 　　3存在的主要問題 　　目前。關(guān)于生物質(zhì)結(jié)渣特性的研究還存在如下問題。 　?、賹ι镔|(zhì)的物理化學性質(zhì)及燃燒過程的研究分析還比較少，灰渣塊的化學成分還不確定，積灰結(jié)渣的原因還有待于進一步的分析。 　?、诓煌昧俊⒉煌N類的添加劑．2種或2種以上混合添加劑，添加劑的不同添加方式的抗結(jié)渣效果尚不明確。 　?、蹖接刑砑觿┑纳镔|(zhì)固體成型燃料進行了結(jié)渣特性研究，而對其燃燒特性還缺乏深入的研究。實際上，燃燒特性是衡量生物質(zhì)固體成型燃料的重要指標之一。不能因為使用添加劑而影響燃料的燃燒性能。 　　4結(jié)束語 　　秸稈類生物質(zhì)本身固有的特性導(dǎo)致了生物質(zhì)固體成型燃料在使用過程中產(chǎn)生不同程度的結(jié)渣現(xiàn)象。阻礙了生物質(zhì)固體成型燃料的推廣利用。通過分析。筆者認為應(yīng)在燃料顆粒密度、燃料燃燒特性、添加劑種類和用量、添加劑添加方式等方面開展研究。以解決燃料結(jié)渣問題。 　?、偕镔|(zhì)固體成型燃料的結(jié)渣性能除受秸稈生長的土質(zhì)影響外。還受燃料顆粒密度的影響。因此．應(yīng)綜合考慮生物質(zhì)燃料成型壓力、燃燒狀況等因素，尋求適宜的顆粒密度，最大限度地降低生物質(zhì)固體成型燃料的結(jié)渣性。 　?、诙鄶?shù)生物質(zhì)原料中無機元素的含量較高，這是導(dǎo)致生物質(zhì)燃料結(jié)渣的主要原因。通過加入適量添加劑(如A1203，CaO，MgO，白云石，高嶺土，硅藻土，燃煤飛灰等)可以提高灰的軟化溫度，減少燃料積灰結(jié)渣。添加劑的種類和用量是未來研究的重點。 　?、蹖斩掝愵w粒燃料的燃燒特性進行研究，以提高其燃燒性能。并為燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。