生物質固體成型燃料抗結渣研究進展

1、·48·可再生能源Renewable Energy Resources第27卷第5期2009年10月Vol.27No.5Oct. 2009引言生物質能是一種可再生能源1，自然界中的生物質能取之不盡，用之不竭。生物質能具有環(huán)境友好性，生物質燃料的CO 2凈排放量近似為零；NO x ，SO 2排放量較低。利用生物質固體成型燃料替代化石燃料，對保護生態(tài)環(huán)境，發(fā)展社會經濟，實施能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重大的現實意義2，3。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機體內, 這些物質的熔點相對

2、較低，大部分在700900。當秸稈類生物質固體成型燃料在鍋爐內燃燒時，爐內溫度遠收稿日期：2009-04-27?；痦椖浚恨r業(yè)部引進國際先進農業(yè)科學技術項目（2008G2）；生物質固體成型燃料生產工藝與成套設備成果轉化（2008GB23260384）。作者簡介：袁艷文（1983-），女，碩士，主要從事新能源的開發(fā)與推廣工作。E-mail ：yew520通訊作者：田宜水（1972-），男，高級工程師，主要從事節(jié)能與生物質能政策、資源和技術研究等工作。E-mail ：yishuit生物質固體成型燃料抗結渣研究進展袁艷文1，2，林聰1，趙立欣2，田宜水2，孟海波2（1. 中國農業(yè)大學，北京10008

3、3；2. 農業(yè)部規(guī)劃設計研究院，北京100125）摘要：生物質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)利用生物質能的主要方向之一。但秸稈類生物質原料中無機元素（包括K ，Na ，Cl ，S ，Ca ，Si ，P 等）含量較高，導致了生物質固體成型燃料在熱化學轉化利用過程中出現結渣現象，不僅對燃燒設備的熱性能造成影響，而且危及燃燒設備安全，成為阻礙生物質固體成型燃料推廣應用的主要因素。文章分析了秸稈類生物質燃料的結渣機理，介紹了國內外生物質燃料抗結渣特性的研究現狀，探討了原料預處理、添加劑和顆粒密度對燃料抗結渣特性的影響，最后分析了目前生物質抗結渣研究中存在的問

4、題，并提出了未來的研究方向。關鍵詞：生物質能；固體成型燃料；結渣；添加劑；堿金屬中圖分類號：TK6；S216.2文獻標志碼：A文章編號：1671-5292（2009）04-0048-04The research process of anti-slagging for biomass pellet fuelYUAN Yan-wen 1，2，LIN Cong 1，ZHAO Li-xin 2，TIAN Yi-shui 2，MENG Hai-bo 2（1.China Agricultural University ，Beijing 100083，China ；2.Chinese Academy of

5、 Agricultural Engineering TheMinistry of Agriculture ，Beijing 100125，China ）Abstract ：The biomass pellet fuel has the advantages of easily to be stored and transported ，con -veniently, clean and environmental friendly as well as high combustion efficiency, which is one of the orientations for biomas

6、s exploitation and utilization. But the high percentage of inorganic ele -ments in the stalk biomass material ，including potassium ，sodium ，chlorine ，sulfur ，calcium ，silicon ，phosphorus ，results in slagging in the biomass thermo-chemical conversion process, it not only af -fects the efficiency of t

7、he combustion facilities but also affects its safety, which is a major obstacle to the popularity of biomass pellet fuel. According to the analysis on the slagging characteristics of stalks biomass material, the article introduces current research on the anti -slagging features at home and abroad, d

8、iscusses the anti-slagging measures in the views of material preliminary treat -ment, additives as well as feasible particle density, eventually analyses the existing problems in present anti-slagging research and also proposes the tendency for its future research. Key words ：biomass energy ；pellet

9、fuel ；slagging ；additives ；alkali metals·49·袁艷文，等生物質固體成型燃料抗結渣研究進展表1幾種生物質灰分的特性Fig.1Ash content ，basicity ，heat value of kinds of biomass其中生物質種類麥秸稻殼稻草柳木白楊木灰分/%7.0220.2618.671.712.70SiO 255.3291.4274.671.712.70Al 2O 31.880.781.041.410.84TiO 20.080.020.090.050.30Fe 2O 30.730.140.850.731.40CaO

10、6.143.213.0141.2049.92MgO 1.06<0.011.752.4718.40Na 2O 1.710.210.960.940.13K 2O 25.603.7412.3015.009.64SO 34.400.721.241.832.04P 2O 51.260.431.417.401.34未確定1.82-0.642.688.381.91堿性指數/kg·GJ -11.070.501.640.140.14高位發(fā)熱量/MJ·kg -117.9415.8415.0919.5919.02注:堿性指數是指燃料單位發(fā)熱量中堿金屬氧化物（Na 2O+K 2O ）的質量含

11、量。當堿性指數小于0.17時，生物質灰發(fā)生結渣的可能性極小；當堿性指數為0.170.34時，生物質灰發(fā)生結渣的可能性增加；當堿性指數大于0.34時，生物質灰結渣。高于堿金屬化合物的熔點，導致爐排上的秸稈灰在800900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，在接觸到鍋爐內壁面時凝結，不斷積聚，最終產生嚴重的積灰、結渣等問題47。結渣現象不僅會影響燃燒設備的熱性能，而且會危及燃燒設備的安全性，影響生物質固體成型燃料的推廣應用。本文分析了國內外生物質抗結渣特性的研究現狀，并提出了下一步的研究方向。1生物質固

12、體成型燃料結渣機理1.1秸稈類生物質的結渣特性堿金屬與二氧化硅反應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，使秸稈灰極易結渣。大多數秸稈灰中堿金屬氧化物（K 2O ，Na 2O ）的含量遠高于煤灰中堿金屬氧化物含量的平均值，這是造成生物質灰熔點比煤灰熔點低且生物質易結渣的主要原因。不同種類的秸稈和不同種植生長環(huán)境的秸稈，秸稈灰的結渣特性也不相同815，表1列出了幾種生物質灰的組分、堿性指數和發(fā)熱量。1.2不同元素對生物質灰結渣特性的影響1.2.1KK 元素在秸稈類生物質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，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

13、取決于秸稈的種類、燃料組分和燃燒產物在燃燒室內的停留時間。燃燒產物均為低熔點化合物，凝結在飛灰顆粒和受熱面的壁面上，形成初始結渣物，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，加速了飛灰結渣及在換熱器表面上的沉積結渣。1.2.2Cl在燃料燃燒過程中Cl 幾乎完全蒸發(fā)，生成HCl ，Cl 2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粒或換熱器表面上。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。經驗表明，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。實際運行經驗也表明，堿金屬含量

14、高而Cl 含量低的燃料，其結渣程度要比兩者含量都較高的燃料低一些。1.2.3Si堿金屬在秸稈類生物質中無論以何種形態(tài)存在，在燃燒過程當中，都將與二氧化硅結合生成低熔點的共晶體，生物質灰的主要成分是二氧化硅和堿金屬氧化物。生物質灰在700便聚團結渣，就是因為生物質中堿金屬元素的化合物與SiO 2發(fā)生反應，生成了低熔點的共晶體。二次沉積則是煙氣中的灰顆?；蚱渌煞滞ㄟ^慣性撞擊、熱轉移、擴散凝結和化學反應與初始沉積層作用而形成的8。1.2.4SS 元素在燃燒過程中生成氣態(tài)的SO 2，SO 3和堿性硫酸鹽，大部分S 最終轉變?yōu)闅鈶B(tài)產物。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

15、酸化反應，SO 2被束縛在飛灰中，物料平衡測定和估算表明，生物質燃料中40%90%的S 留存在灰分中，其余部分以SO 2及SO 3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。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、結渣程度低，與S 含量較高的稻草一起燃燒時，則燃料積灰現象很嚴重1620。2國內外生物質固體成型燃料抗結渣特性研究現狀2.1結渣性能的判別·50·可再生能源2009，27（5）由于生物質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渣特性研究成果，對生物質結渣性能進行判別

16、，但須要深入研究生物質的物理化學以及燃燒等特性，分析生物質灰分特征等。閻維平研究表明，由于生物質灰成分中某些成分含量與煤灰差異較大，因此用于判別煤結渣的ST ，Rs 和Fe 2O 3/CaO等方法不適合作為生物質結渣的判別方法，他推薦了B/A，SiO 2/Al2O 3和G 判別方法，這3種生物質結渣判別方法具有較高的可靠性5，這3種判別方法的界限值對以秸稈為主的生物質燃料具有一定的適用性，但在用于判別木質生物質結渣性能時，須重新確定合理的結渣判別界限值。比較而言，采用堿性氧化物指數來判別生物質結渣特性具有相對較高的可靠性，可以在判別不同產地生物質的結渣特性或不同生物質混合燃料的結渣特性時作為重

17、要的參考依據。2.2抗結渣方法研究進展目前，國內外研究人員主要采用以下幾種方法來解決生物質固體成型燃料的結渣問題。2.2.1原料預處理研究表明，如果將收割后的秸稈放置在農田內，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，使用經過雨水沖洗的秸稈，結渣問題會大大減輕。試驗表明，使用6070的水對秸稈進行洗濾，可脫出秸稈中95%的K 和Cl 元素。另外，在秸稈的收集運輸過程中，應避免混入含有SiO 2的泥沙，防止K 和Na 等元素的化合物與SiO 2發(fā)生反應，從而生成低熔點的共晶體2125。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、

18、氧化鋁或粉煤灰等）能有效阻止生物質灰結渣21。當混有大顆粒石英砂的生物質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量的5%。試驗結果表明，石膏和磷酸氫鈣的抗結渣特性較差，膨潤土的抗結渣特性較好，但是價格較為昂貴。ShaojunXiong 在玉米秸稈中添加高嶺土和方解石進行試驗，結果表明，采用添加劑可使玉米秸稈灰熔點升高100200，燃料的結渣傾向大大降低，當添加3%的添加劑時，秸稈灰渣量（干重）減少1/31/2，方解石抗結渣的效果比高嶺土要好，渣塊直

19、徑較小且易碎23。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渣腐蝕2627。2.2.3燃料顆粒密度樊峰鳴研究發(fā)現，固體成型燃料顆粒密度小于1.05g/cm3時，燃料燃燒結渣率小于1.2%，成型燃料顆粒密度大于1.05g/cm3時，燃料燃燒持續(xù)時間長，造成爐膛中心溫度過高，提高了燃料的結渣率7。2.2.4確定適宜的燃燒溫度和進

20、行合理的鍋爐結構設計采用各種措施（如水冷震動爐排等）將鍋爐燃燒溫度控制在900以下，對鍋爐內部結構進行精心設計，避免攜帶低熔點顆粒的熱氣體與換熱面接觸等，也是抗結渣的有效措施之一。3存在的主要問題目前，關于生物質結渣特性的研究還存在如下問題。對生物質的物理化學性質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，積灰結渣的原因還有待于進一步的分析。不同用量、不同種類的添加劑，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渣效果尚不明確。對摻有添加劑的生物質固體成型燃料進行了結渣特性研究，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固體成型燃料的重要指標之一，不能因為

21、使用添加劑而影響燃料的燃燒性能。4結束語秸稈類生物質本身固有的特性導致了生物質固體成型燃料在使用過程中產生不同程度的結渣·51·現象，阻礙了生物質固體成型燃料的推廣利用。通過分析，筆者認為應在燃料顆粒密度、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，以解決燃料結渣問題。生物質固體成型燃料的結渣性能除受秸稈生長的土質影響外，還受燃料顆粒密度的影響。因此，應綜合考慮生物質燃料成型壓力、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固體成型燃料的結渣性。多數生物質原料中無機元素的含量較高，這是導致生物質燃料結渣的主要原因，通過加入適量添加劑（如Al 2

22、O 3，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，減少燃料積灰結渣。添加劑的種類和用量是未來研究的重點。對秸稈類顆粒燃料的燃燒特性進行研究，以提高其燃燒性能，并為燃燒器的結構設計提供參考數據。參考文獻：1姚向君，田宜水. 生物質能資源清潔轉化利用技術M.北京：化學工業(yè)出版社，2005.2田宜水，姚向君. 生物質燃燒與混合燃燒技術手冊M.北京：化學工業(yè)出版社，2008.3趙立欣，田宜水. 農村綠色能源技術M.北京：農業(yè)科技出版社，2007.4馬孝琴，駱仲泱，方夢祥，等. 添加劑對秸稈燃燒過程中堿金屬行為的影響J.浙江大學學報，2006，40（4）：599-60

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