秸稈生物質(zhì)燃料燃燒特性分析

潘雯瑞，任建興

(上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，上海200090)

　　摘要：通過(guò)分析秸稈生物質(zhì)燃料與煤炭燃料燃燒特性，找出影響其安全穩(wěn)定燃燒的因素，并比較了具有代表性的秸稈生物質(zhì)的結(jié)渣特性，總結(jié)了主要堿金屬以及氯對(duì)于生物質(zhì)燃燒設(shè)備所產(chǎn)生的不利影響，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。

　　生物質(zhì)是一種貯存太陽(yáng)能的可再生能源，用現(xiàn)代技術(shù)可以轉(zhuǎn)化成固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，在我國(guó)是僅次于煤炭、石油和天然氣的能源，并占有重要地位[1]。生物質(zhì)資源包括薪柴、農(nóng)林作物，尤其是為了生產(chǎn)能源而種植的能源作物，以及農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘剩物，食品加工和林產(chǎn)品加工的下腳料，城市固體廢棄物、生活污水和水生植物等[2]。

　　歐洲主要國(guó)家生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用均以豐富的森林資源為基礎(chǔ)。而我國(guó)有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)鍋爐主要以燃燒農(nóng)作物秸稈為主，但由于我國(guó)秸稈生物質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用尚處于起步階段，其中約有1.45×108t用作畜牧飼料，9.1×107t用作還田肥料，1.4×107t用作工業(yè)原料，2.8×108t作為農(nóng)民傳統(tǒng)的生活燃料，余下的1.0×108t左右在田間地頭被直接焚燒了，這不僅污染環(huán)境，還造成能源浪費(fèi)[3]。因此，積極開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能對(duì)解決能源短缺和協(xié)調(diào)環(huán)境發(fā)展有重要意義。

　　1生物質(zhì)燃料特性分析

　　根據(jù)發(fā)電燃燒的特點(diǎn)，農(nóng)作物秸稈一般分為兩類：一類為黃色秸稈又稱軟質(zhì)秸稈，主要包括麥秸、玉米秸和稻草等，在生物質(zhì)秸稈燃燒應(yīng)用中占很大比重；另一類為灰色秸稈又稱硬質(zhì)秸稈，主要包括棉稈、麻稈等[4]。本文以我國(guó)常見(jiàn)的、有代表性的3種黃色秸稈(稻草、麥秸和玉米秸)為研究對(duì)象，分析其燃料特性，并判別其燃燒過(guò)程中的結(jié)渣特性。通過(guò)表1[5，6]和表2[6，7]可以明顯看出，不同生物質(zhì)的元素分析結(jié)果不同，灰分組成也有明顯的差異。

　　生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較多，特別是玉米秸的揮發(fā)分高達(dá)70%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)煙煤；生物質(zhì)固定碳含量較低，不到20%，而煙煤的固定碳含量超過(guò)生物質(zhì)的兩倍；另外，生物質(zhì)的含硫量和熱值明顯低于煙煤。3種生物質(zhì)中灰分含量相差很大，玉米秸的灰分含量最低，稻草的灰分含量最高，麥秸和玉米秸的灰分含量遠(yuǎn)低于煙煤；生物質(zhì)灰分中SiO2和CaO含量較高，均超過(guò)煙煤，其中SiO2含量超過(guò)總灰分的50%；另外，生物質(zhì)灰中的堿金屬氧化物(K2O+Na2O)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煙煤。

　　生物質(zhì)灰熔點(diǎn)的高低和灰的成分有關(guān)，不同的生物質(zhì)種類和不同的產(chǎn)地都對(duì)其有影響。表3列出了灰分中常見(jiàn)化合物的熔化溫度。

　　由表3可以看出，生物質(zhì)中低熔點(diǎn)的成分(如Fe2O3)含量越多，灰熔點(diǎn)就越低，而生物質(zhì)中的K和Na可以降低灰熔點(diǎn)，Ca和Mg會(huì)提高灰熔點(diǎn)；Si元素在燃燒過(guò)程中容易與K元素形成低熔點(diǎn)化合物。生物質(zhì)灰中的K，Na含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煙煤，所以灰熔點(diǎn)較低。無(wú)機(jī)元素的含量直接影響灰熔點(diǎn)。通過(guò)對(duì)生物質(zhì)灰分的分析可以看出，生物質(zhì)比煙煤的灰熔點(diǎn)低且易結(jié)渣。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，木質(zhì)生物質(zhì)灰的熔融溫度為1200～1250℃，麥秸、農(nóng)作物的熔融溫度為750～1100℃[8]。各生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)如表4所示[9]。

　　由表4可以看出，生物質(zhì)灰熔點(diǎn)從低到高的順序是麥秸、稻草、玉米秸。

　　生物質(zhì)特性對(duì)燃燒的主要影響有以下4點(diǎn)：一是含水量高、熱值低，產(chǎn)生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高，因而爐膛溫度低，燃燒效率也較低；二是揮發(fā)分含量高，析出速度快，燃料在爐內(nèi)能快速著火燃燒，燃燒時(shí)需補(bǔ)充大量空氣，否則會(huì)造成空氣供給量不足，難以保證生物質(zhì)燃料充分燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率；三是固定碳的含量遠(yuǎn)小于煙煤，由于固定碳的燃點(diǎn)高，其含量越高越難燃燒，因此生物質(zhì)很容易燃燒；四是生物質(zhì)燃料中的硫、氮、碳含量較低，可以降低電廠SO2和NOx的排放，CO2近似零排放。

　　2生物質(zhì)結(jié)渣特性的判別

　　判定煤的結(jié)渣性能的主要依據(jù)有灰熔點(diǎn)(t2)和煤灰化學(xué)組成(包括堿酸比B/A，硅比G，硅鋁比S/A)等判別指數(shù)。

　　由于生物質(zhì)灰與煤灰渣的差異較大，并非已有的判別煤結(jié)渣指數(shù)均能可靠地預(yù)測(cè)生物質(zhì)結(jié)渣特性，如灰熔點(diǎn)判定法就不適合作為生物質(zhì)燃料積灰結(jié)渣的指標(biāo)[10]。

　　目前，主要是根據(jù)灰成分，采用堿性指數(shù)、堿酸比的方法評(píng)價(jià)生物質(zhì)積灰結(jié)渣的特性。

　　2.1堿性指數(shù)

　　堿性指數(shù)是根據(jù)生物質(zhì)燃料的單位發(fā)熱量中的堿金屬氧化物(K2O+Na2O)質(zhì)量含量(kg/GJ)的高低來(lái)判別生物質(zhì)的結(jié)渣特性，堿性指數(shù)的計(jì)算式為：

　　根據(jù)式(1)的計(jì)算結(jié)果，其判別標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)堿性指數(shù)小于0.17時(shí)，發(fā)生結(jié)渣的可能性極小；當(dāng)堿性指數(shù)為0.17～0.34時(shí)，發(fā)生結(jié)渣的可能性增加；當(dāng)堿性指數(shù)大于0.34時(shí)，發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象。

　　2.2堿酸比

　　判別生物質(zhì)結(jié)渣特性的另一種方法為酸堿比，通過(guò)堿性氧化物(Fe2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O)與酸性氧化物(SiO2，TiO2，Al2O3)的比值來(lái)判別，表達(dá)式為：

　　式中，各種氧化物的分子式代表其在灰分中的百分含量。

　　根據(jù)式(2)的計(jì)算結(jié)果可以判別，當(dāng)B/A<0.5時(shí)為低結(jié)渣傾向；B/A=0.5～1.0時(shí)為中等結(jié)渣傾向；B/A>1.0～1.75時(shí)為嚴(yán)重結(jié)渣傾向

　　根據(jù)上述結(jié)渣特性的判別方法對(duì)典型的秸稈生物質(zhì)燃料和煙煤進(jìn)行判別，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表5所示。

　　由表5可知，稻草的結(jié)渣性最強(qiáng)，其次是麥秸，玉米稈的結(jié)渣可能性較小。由堿酸比判別法得到的結(jié)果與堿性指數(shù)法相比存在一些差異，對(duì)于生物質(zhì)而言，說(shuō)明用酸堿比判別法判別結(jié)渣特性有待進(jìn)一步研究。

　　3生物質(zhì)鍋爐燃燒存在的主要問(wèn)題

　　生物質(zhì)是清潔的可再生能源，這是生物質(zhì)鍋爐發(fā)展的主要優(yōu)勢(shì)之一。然而由于秸稈生物質(zhì)自身的燃料特性，以及堿金屬和氯的存在，使得生物質(zhì)直燃鍋爐比燃煤鍋爐更容易產(chǎn)生積灰、結(jié)渣和腐蝕等問(wèn)題。目前生物質(zhì)利用中普遍存在的堿金屬問(wèn)題，直接制約了生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展，這已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

　　3.1主要堿金屬對(duì)結(jié)渣的影響

　　結(jié)渣是個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，其主要形態(tài)是以黏稠或熔融的沉淀物形式出現(xiàn)，而造成結(jié)渣的一個(gè)重要原因是燃料層的溫度高于灰的軟化溫度。在燃煤鍋爐的燃燒過(guò)程中，過(guò)量空氣系數(shù)、爐膛溫度等參數(shù)對(duì)結(jié)渣率有重要影響，而生物質(zhì)具有區(qū)別于煤炭的燃料特性，除了以上參數(shù)的影響外，堿金屬特別是K，Cl，S元素對(duì)積灰結(jié)渣和腐蝕有重要影響。

　　K元素在秸稈生物質(zhì)中含量較高，主要形成氧化物、氯化物和硫酸鹽，這些化合物都表現(xiàn)為低熔點(diǎn)。當(dāng)K及其化合物凝結(jié)在飛灰顆粒上時(shí)具有黏性和低熔點(diǎn)，K的凝結(jié)速度和擴(kuò)散速率對(duì)灰粒熔點(diǎn)和黏性有著決定性作用[6]。

　　Cl元素在生物質(zhì)燃燒中起著傳輸作用，有助于堿金屬元素從燃料顆粒內(nèi)部遷移到顆粒表面與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且Cl元素有助于堿金屬元素的氣化，與堿金屬物質(zhì)反應(yīng)生成相對(duì)穩(wěn)定且易揮發(fā)的堿金屬氯化物[6]。另外，Cl元素，特別是K元素的化合物，還有助于增加無(wú)機(jī)化合物的流動(dòng)性。堿金屬，S，Cl元素?fù)]發(fā)出來(lái)，相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后以硫酸鹽或氯化物的形式凝結(jié)在飛灰顆粒和受熱面壁面上，多數(shù)硫酸鹽呈熔融狀態(tài)，增加了沉積層表面的黏性，加劇結(jié)渣程度。隨著堿金屬元素氣化程度增加，沉積物數(shù)量及黏性也不斷增加。同時(shí)，還會(huì)發(fā)生氣體和沉積物灰渣本身的反應(yīng)，使結(jié)渣層更厚。

　　我國(guó)常見(jiàn)的3種秸稈生物質(zhì)(稻草、麥秸和玉米秸)的灰分(表2)中，稻草的堿金屬氧化物(K2O+SiO2+SO3)含量約為88.2%，麥秸約為85.3%，玉米稈約為76.7%。通過(guò)以上堿金屬對(duì)結(jié)渣影響的分析可以看出，稻草的結(jié)渣性大于其他兩種秸稈。

　　3.2氯對(duì)腐蝕的影響

　　生物質(zhì)燃料的Cl含量比煤炭高，Cl元素可以將K從穩(wěn)定的硅酸鹽中吸收出來(lái)，形成低熔點(diǎn)腐蝕性強(qiáng)的硫酸鹽。一方面，這些硫酸鹽在管壁上結(jié)成釉瓷狀的渣膜，該渣層在表面溫度升高融化時(shí)放出SO3并向內(nèi)外擴(kuò)散，使管壁氧化層破壞；另一方面，這些硫酸鹽再吸收SO3并與Fe2O3，Al2O3生成焦硫酸鹽[6]，該鹽通常在管壁溫度下呈熔融狀態(tài)，對(duì)管壁的氧化膜造成腐蝕。

　　另外，HCl也是Cl析出的一種重要形式，它對(duì)于金屬的高溫腐蝕有重要影響。發(fā)生氯腐蝕的原因是由于燃料中存在一定量的NaCl和KCl，NaCl在高溫下以氣態(tài)形式存在，在爐膛內(nèi)發(fā)生如下反應(yīng)：

　　生成的HCl使管壁氧化膜遭到破壞，生成氣化點(diǎn)很低的FeCl2并隨即揮發(fā)，從而使管壁金屬直接受到HCl的腐蝕，同時(shí)，由于氧化膜遭到破壞，使得H2S也能到達(dá)金屬表面，加快了管壁金屬的腐蝕速度。

　　由表2可知，稻草和麥秸灰分中的Cl含量分別為1.2%和1.3%，而玉米則高達(dá)22.8%。可見(jiàn)，在玉米稈的燃燒過(guò)程中Cl對(duì)腐蝕的影響會(huì)更加嚴(yán)重。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　我國(guó)的生物質(zhì)直燃技術(shù)主要以燃燒農(nóng)作物秸稈為主，而秸稈生物質(zhì)的燃料特性和煤炭有很大差距，這些燃料特性導(dǎo)致不同生物質(zhì)結(jié)渣特性的差異。在我國(guó)具有代表性的3類生物質(zhì)秸稈(稻草、麥秸和玉米秸)中，稻草的結(jié)渣性遠(yuǎn)高于玉米秸，生物質(zhì)中堿金屬和Cl的含量會(huì)加劇結(jié)渣和腐蝕的可能。因此，研究生物質(zhì)燃料特性有利于減輕燃燒中存在的結(jié)渣腐蝕等問(wèn)題，并可促進(jìn)生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]鄧可蘊(yùn).21世紀(jì)我國(guó)生物質(zhì)能發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國(guó)電力，2000，(9)：82284.

　　[2]張明，袁益超，劉聿拯.生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展研究[J].能源研究與信息，2005，21(1)：15220.

　　[3]馬洪儒，張運(yùn)真.生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展與分析[J].水利電力機(jī)械，2006，28(12)：9213.

　　[4]朱萬(wàn)斌，邱化蛟，程序.秸稈直燃發(fā)電的問(wèn)題與建議[J].科技導(dǎo)報(bào)，2007，22(6)：728.

　　[5]唐紅英，胡延杰.國(guó)外生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)及啟示[J].世界林業(yè)研究，2008，21(3)：72274.

　　[6]楊勇平，董長(zhǎng)青，張俊姣.生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007：321.

　　[7]中國(guó)華電集團(tuán)公司.生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)行業(yè)大聚焦[EB/OL].(2009202212)，http：//www.chd.com.cn.

　　[8]閻維平，陳吟穎.TK6生物質(zhì)燃料結(jié)渣特性分析與判別[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34(1)：49254.

　　[9]樂(lè)園，李龍生.秸稈類生物質(zhì)燃燒特性的研究[J].能源工程，2006，(4)：30233.

　　[10]宋鴻偉，郭民臣，王欣.生物質(zhì)燃燒過(guò)程中的積灰結(jié)渣特性[J].節(jié)能與環(huán)保，2003，(9)：29231.