秸稈生物質(zhì)燃料意義與生物質(zhì)鍋爐燃燒特性分析

　　生物質(zhì)是一種貯存太陽能的可再生能源，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，在我國是僅次于煤炭、石油和天然氣的能源，并占有重要地位。

　　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

　　歐洲主要國家生物質(zhì)能的開發(fā)利用均以豐富的森林資源為基礎(chǔ)。而我國有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，國內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)鍋爐主要以燃燒農(nóng)作物秸稈為主，但由于我國秸稈生物質(zhì)資源的開發(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)。因此，積極開發(fā)利用生物質(zhì)能對解決能源短缺和協(xié)調(diào)環(huán)境發(fā)展有重要意義。

　　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。本文我國常見的、有代表性的3種黃色秸稈(稻草、麥秸和玉米秸)為研究對象，分析其燃料特性，并判別其燃燒過程中的結(jié)渣特性。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，均超過煙煤，其中SiO2含量超過總灰分的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)特性對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。

　　生物質(zhì)結(jié)渣特性的判別目前主要是根據(jù)灰成分，采用堿性指數(shù)、堿酸比的方法評價(jià)生物質(zhì)積灰結(jié)渣的特性，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，對于生物質(zhì)而言，說明用酸堿比判別法判別結(jié)渣特性有待進(jìn)一步研究。

　　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)渣和腐蝕等問題。目前生物質(zhì)利用中普遍存在的堿金屬問題，直接制約了生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展，這已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

　　主要堿金屬對結(jié)渣的影響結(jié)渣是個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，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程中，過量空氣系數(shù)、爐膛溫度等參數(shù)對結(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)散速率對灰粒熔點(diǎn)和黏性有著決定性作用。

　　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秸稈生物質(zhì)燃料燃燒特性分析其他物質(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)生成相對穩(wěn)定且易揮發(fā)的堿金屬氯化物。另外，Cl元素，特別是K元素的化合物，還有助于增加無機(jī)化合物的流動性。堿金屬，S，Cl元素?fù)]發(fā)出來，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。

　　我國常見的3種秸稈生物質(zhì)(稻草、麥秸和玉米秸)的灰分，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%。通過以上堿金屬對結(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。氯對腐蝕的影響生物質(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，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，該鹽通常在管壁溫度下呈熔融狀態(tài)，對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，它對于金屬的高溫腐蝕有重要影響，玉米稈的燃燒過程中Cl對腐蝕的影響會更加嚴(yán)重。

　　我國的生物質(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。在我國具有代表性的3類生物質(zhì)秸稈中，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)渣腐蝕等問題，并可促進(jìn)生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展，提高生物質(zhì)鍋爐的使用。我國在這方面需要加強(qiáng)向生物質(zhì)燃料利用很成熟的國家，特別是北歐國家學(xué)習(xí)。