生物质固体成型燃料抗结渣研究进展

摘要：生物质固体成型燃料具有易储存、运输及使用方便、清洁环保、燃烧效率高等优点，是开发利用生物质能的主要方向之一。但秸秆类生物质原料中无机元素(包括K，Na，Cl，S，Ca．Si，P等)含量较高，导致了生物质固体成型燃料在热化学转化利用过程中出现结渣现象．不仅对燃烧设备的热性能造成影响．而且危及燃烧设备安全，成为阻碍生物质同体成型燃料推广应用的主要因素。文章分析了秸秆类生物质燃料的结渣机理，介绍了国内外生物质燃料抗结渣特性的研究现状，探讨了原料预处理、添加剂和颗粒密度对燃料抗结渣特性的影响。最后分析了目前生物质抗结渣研究中存在的问题，并提出了未来的研究方向。 　　0 引言 　　生物质能是一种可再生能源。自然界中的生物质能取之不尽，用之不竭。生物质能具有环境友好性，生物质燃料的CO：净排放量近似为零；NO,，SO：排放量较低。利用生物质固体成型燃料替代化石燃料，对保护生态环境，发展社会经济，实施能源可持续发展战略有着重大的现实意义。 　　秸秆在生长过程中会吸收一定量的碱金属元素(如K，Na，Cl，S，Ca，Si，P等)，这些元素以盐或氧化物等形式存在于生物质机体内，这些物质的熔点相对较低，大部分在700—900℃。当秸秆类生物质固体成型燃料在锅炉内燃烧时．炉内温度远高于碱金属化合物的熔点．导致炉排上的秸秆灰在800～900 oC时就开始发生软化．温度过高时灰分会全部或者部分发生熔化。形成玻璃状坚硬炉渣，难以清除。另外。烟气中夹带着熔化或半溶化的碱金属硅酸盐．在接触到锅炉内壁面时凝结，不断积聚，最终产生严重的积灰、结渣等问题。 　　结渣现象不仅会影响燃烧设备的热性能，而且会危及燃烧设备的安全性．影响生物质同体成型燃料的推广应用。本文分析了国内外生物质抗结渣特性的研究现状，并提出了下一步的研究方向。 　　l生物质固体成型燃料结渣机理 　　1．1秸秆类生物质的结渣特性 　　碱金属与二氧化硅反应生成低熔点的共晶体，共晶体的存在降低了秸秆灰分的熔点，使秸秆灰极易结渣。大多数秸秆灰中碱金属氧化物(K20，Na20)的含量远高于煤灰中碱金属氧化物含量的平均值，这是造成生物质灰熔点比煤灰熔点低且生物质易结渣的主要原因。不同种类的秸秆和不同种植生长环境的秸秆，秸秆灰的结渣特性也不相同。表1列出了几种生物质灰的组分、碱性指数和发热量。 　　1．2不同元素对生物质灰结渣特性的影响 　　1．2．1 K 　　K元素在秸秆类生物质中以有机物的形式存在，在秸秆燃烧过程中发生氧化和分解反应．形成各种氧化物、氯化物和硅酸盐等，其最终生成化合物的种类取决于秸秆的种类、燃料组分和燃烧产物在燃烧室内的停留时间。燃烧产物均为低熔点化合物，凝结在飞灰颗粒和受热面的壁面上，形成初始结渣物，因此飞灰颗粒表面富含K及其化合物，从而使飞灰颗粒更具有粘性，飞灰熔点更低．加速了飞灰结渣及在换热器表面上的沉积结渣。 　　1．2．2C1 　　在燃料燃烧过程中Cl几乎完全蒸发，生成HCI，C1：和碱金属氯化物。随着锅炉中烟气温度的降低。碱和碱金属氯化物冷凝在飞灰颗粒或换热器表面上。氯化物具有催化作用，使换热器管材具有活跃的氧化能力．甚至在管壁温度很低时也能发生氧化反应。经验表明，决定生成碱金属蒸气总量的因素不是碱金属元素，而是Cl元素。实际运行经验也表明．碱金属含量高而Cl含量低的燃料。其结渣程度要比两者含量都较高的燃料低一些。 　　1．2．3 si 　　碱金属在秸秆类生物质中无论以何种形态存在，在燃烧过程当中．都将与二氧化硅结合生成低熔点的共晶体．生物质灰的主要成分是二氧化硅和碱金属氧化物。生物质灰在700℃便聚团结渣，就是因为生物质中碱金属元素的化合物与SiO：发生反应，生成了低熔点的共晶体。二次沉积则是烟气中的灰颗粒或其它成分通过惯性撞击、热转移、扩散凝结和化学反应与初始沉积层作用而形成的。 　　1．2．4 S 　　S元素在燃烧过程中生成气态的SO：，S03和碱性硫酸盐，大部分S最终转变为气态产物。当烟气急剧冷却时，硫酸盐便冷凝在飞灰颗粒或换热管表面。此外，通过硫酸化反应，S0：被束缚在飞灰中，物料平衡测定和估算表明。生物质燃料中40％～90％的S留存在灰分中，其余部分以S02及SO，的形式随烟气排放。灰分固硫率取决于灰分中碱金属(尤其是Ca)的含量以及除尘效率和技术。实践表明，当燃烧Ca，S含量低，K含量高的木柴时，燃料的积灰、结渣程度低，与S含量较高的稻草一起燃烧时，则燃料积灰现象很严重。 　　2国内外生物质固体成型燃料抗结渣特性研究现状 　　2．1结渣性能的判别 　　由于生物质与煤在成灰特性上相近。只是成分含量差异较大。因此．可以利用已有的煤结渣特性研究成果，对生物质结渣性能进行判别．但须要深入研究生物质的物理化学以及燃烧等特性，分析生物质灰分特征等。 　　阎维平研究表明．由于生物质灰成分中某些成分含量与煤灰差异较大。因此用于判别煤结渣的ST，Rs和FeE03／CaO等方法不适合作为生物质结渣的判别方法，他推荐了B／A．Si02／A1203和G判别方法，这3种生物质结渣判别方法具有较高的可靠性[51，这3种判别方法的界限值对以秸秆为主的生物质燃料具有一定的适用性．但在用于判别木质生物质结渣性能时。须重新确定合理的结渣判别界限值。比较而言．采用碱性氧化物指数来判别生物质结渣特性具有相对较高的可靠性．可以在判别不同产地生物质的结渣特性或不同生物质混合燃料的结渣特性时作为重要的参考依据。 　　2．2抗结渣方法研究进展 　　目前．国内外研究人员主要采用以下几种方法来解决生物质固体成型燃料的结渣问题。 　　2．2．1原料预处理 　　研究表明．如果将收割后的秸秆放置在农田内。其含有的大部分K元素就会被雨水冲洗掉。由于碱金属被脱出。使用经过雨水冲洗的秸秆。结渣问题会大大减轻。试验表明，使用60～70℃的水对秸秆进行洗滤。可脱出秸秆中95％的K和Cl元素。另外，在秸秆的收集运输过程中，应避免混入含有SiO：的泥沙，防止K和Na等元素的化合物与SiO：发生反应，从而生成低熔点的共晶体。 　　2．2．2添加剂 　　S．P．Bhattacharya研究表明。使用添加剂(如石英砂、氢氧化铝、氧化铝或粉煤灰等)能有效阻止生物质灰结渣。当混有大颗粒石英砂的生物质燃料在流化床中燃烧时。石英砂可提供大量表面积来捕捉精细的飞灰聚集物，使之离床，从而防止结渣。丹麦的研究人员对添加剂(包括石英砂、磷酸氢钙、石膏、膨润土)进行了研究，每种添加剂的用量为秸秆质量的5％。试验结果表明，石膏和磷酸氢钙的抗结渣特性较差。膨润土的抗结渣特性较好，但是价格较为昂贵。Shaojun Xiong在玉米秸秆中添加高岭土和方解石进行试验．结果表明．采用添加剂可使玉米秸秆灰熔点升高100～200 oC。燃料的结渣倾向大大降低，当添加3％的添加剂时，秸秆灰渣量(干重)减少113-112，方解石抗结渣的效果比高岭土要好，渣块直径较小且易碎。 　　马孝琴在小型燃烧装置上对秸秆、秸秆与添加剂混合物进行了燃烧试验，并对燃烧过程中凝结在金属管道表面的沉积物和旋风分离器分离出的灰进行了分析。使用的添加剂有高岭土、硅藻土、氢氧化铝、碳酸钙、燃煤飞灰等。试验结果表明．采用高岭土、燃煤飞灰和硅藻土等添加剂可以减少沉积物中水溶性K和Cl的含量．进而减轻秸秆燃烧过程中的结渣腐蚀。 　　2．2．3燃料颗粒密度 　　樊峰鸣研究发现，固体成型燃料颗粒密度小于1．05 g／cm3时，燃料燃烧结渣率小于1．2％，成型燃料颗粒密度大于1．05 g／cm时．燃料燃烧持续时间长．造成炉膛中心温度过高。提高了燃料的结渣率。 　　2．2．4确定适宜的燃烧温度和进行合理的锅炉结构设计 　　采用各种措施(如水冷震动炉排等)将锅炉燃烧温度控制在900 oC以下。对锅炉内部结构进行精心设计。避免携带低熔点颗粒的热气体与换热面接触等，也是抗结渣的有效措施之一。 　　3存在的主要问题 　　目前。关于生物质结渣特性的研究还存在如下问题。 　　①对生物质的物理化学性质及燃烧过程的研究分析还比较少，灰渣块的化学成分还不确定，积灰结渣的原因还有待于进一步的分析。 　　②不同用量、不同种类的添加剂．2种或2种以上混合添加剂，添加剂的不同添加方式的抗结渣效果尚不明确。 　　③对掺有添加剂的生物质固体成型燃料进行了结渣特性研究，而对其燃烧特性还缺乏深入的研究。实际上，燃烧特性是衡量生物质固体成型燃料的重要指标之一。不能因为使用添加剂而影响燃料的燃烧性能。 　　4结束语 　　秸秆类生物质本身固有的特性导致了生物质固体成型燃料在使用过程中产生不同程度的结渣现象。阻碍了生物质固体成型燃料的推广利用。通过分析。笔者认为应在燃料颗粒密度、燃料燃烧特性、添加剂种类和用量、添加剂添加方式等方面开展研究。以解决燃料结渣问题。 　　①生物质固体成型燃料的结渣性能除受秸秆生长的土质影响外。还受燃料颗粒密度的影响。因此．应综合考虑生物质燃料成型压力、燃烧状况等因素，寻求适宜的颗粒密度，最大限度地降低生物质固体成型燃料的结渣性。 　　②多数生物质原料中无机元素的含量较高，这是导致生物质燃料结渣的主要原因。通过加入适量添加剂(如A1203，CaO，MgO，白云石，高岭土，硅藻土，燃煤飞灰等)可以提高灰的软化温度，减少燃料积灰结渣。添加剂的种类和用量是未来研究的重点。 　　③对秸秆类颗粒燃料的燃烧特性进行研究，以提高其燃烧性能。并为燃烧器的结构设计提供参考数据。