近年來(lái)隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、高速發(fā)展，各國(guó)對(duì)能源的需求日益劇增，致使現(xiàn)有的煤、石油等化石能源的儲(chǔ)備量日益減少，幾乎面臨枯竭，能源危機(jī)日益凸出。按照現(xiàn)在的開(kāi)采速度，全世界的天然氣、石油只能維持到21世紀(jì)中葉，即便是煤炭也只能夠維持200年左右。并且在化石能源使用的過(guò)程中，產(chǎn)生大量的粉塵、有害氣體等，對(duì)空氣的污染非常嚴(yán)重，導(dǎo)致近幾年我國(guó)多地霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響著人們的健康。因此，全球各國(guó)正努力尋求一種清潔、安全、可持續(xù)的新能源。
生物質(zhì)能源作為一種儲(chǔ)量大、可再生的綠色能源，具有可觀的發(fā)展?jié)摿土己玫漠a(chǎn)業(yè)化前景，在全球的能源結(jié)構(gòu)中擁有重要地位。我國(guó)每年約有2.5億t的農(nóng)作物秸稈可用于生產(chǎn)致密成型
生物質(zhì)顆粒燃料，可加工2億t左右的生物質(zhì)成型生物質(zhì)顆粒燃料，直接可以有效減少4.2億t的C02.120萬(wàn)t SO4和300萬(wàn)t的煙塵排放量。所以，實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，大力推進(jìn)秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料在燃燒過(guò)程中容易出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，不僅影響燃燒設(shè)備的燃燒熱性能，還可能危及燃燒設(shè)備的安全性，阻礙了秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料的推廣與應(yīng)用。因此，進(jìn)行秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣性研究并對(duì)此做好預(yù)防措施，具有重要意義。筆者在對(duì)秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過(guò)程介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣機(jī)理、性能判斷及主要影響因素進(jìn)行了具體分析，探討燃燒結(jié)渣的危害并對(duì)其預(yù)防提出了主要措施，富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備。
1、成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過(guò)程及特點(diǎn)
秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料是農(nóng)作物秸稈原料經(jīng)過(guò)干燥、粉碎等預(yù)處理后，在成型設(shè)備中利用機(jī)械加壓的方法獲得的具有一定形狀和密度的固體燃料，其能量密度與煤相比并不算低。如含水率10%、密度1.25g/cm3的秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料與煤的能量密度比可達(dá)0.72。秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料中所含的有機(jī)化合物，其固定碳約是煤炭的1/3，但揮發(fā)含量較多，因此秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料比煤炭容易燃燒。秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒主要可以分為預(yù)熱干燥、熱解燃燒、固定碳燃燒和燃盡4個(gè)階段。這些階段有的部分也是重合的，沒(méi)有完全嚴(yán)格的界線。
1.1預(yù)熱干燥階段秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料被加熱點(diǎn)燃以后，在輻射熱流的作用下，當(dāng)溫度達(dá)100℃左右時(shí)，燃料的表面和燃料縫隙之間的水分逐漸蒸發(fā)出來(lái)，逐漸由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，擴(kuò)散到空氣中去。
1.2熱解燃燒階段隨著燃燒溫度的升高，秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料中分子量小的成分熱解氣化，達(dá)到著火點(diǎn)后發(fā)生氣相燃燒。熱解氣化主要得到的產(chǎn)物有CO，H2<C02.CH4、CnHm。等，當(dāng)溫度達(dá)260℃時(shí)，這些揮發(fā)分開(kāi)始著火，然后持續(xù)燃燒。隨著氣相燃燒的進(jìn)行，纖維素與半纖維素的熱解速率下降，但木質(zhì)素逐漸高溫炭化，通過(guò)氧化作用后開(kāi)始慢慢燃燒。當(dāng)氣相火焰完全熄滅以后，此時(shí)成型生物質(zhì)顆粒燃料中的木質(zhì)素已經(jīng)完全炭化，進(jìn)入焦炭的表面燃燒過(guò)程，燃燒速率加快。
1.3固定碳燃燒階段秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料中剩余的固定碳在揮發(fā)分燃燒初期被包圍著，氧氣不能與碳的表面接觸，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，焦炭開(kāi)始燃燒。此階段固定碳主要分別與氧氣、二氧化碳、水蒸氣發(fā)生反應(yīng)。這個(gè)階段燃燒速率加快，出現(xiàn)第2次燃燒速率峰值。
1.4燃盡階段隨著燃燒的進(jìn)行，燃燒速率逐漸減慢，產(chǎn)生的灰分也不斷增加，剩余的焦炭被灰分包裹起來(lái)，阻礙了揮發(fā)分的擴(kuò)散，從而妨礙焦炭的繼續(xù)燃燒，造成燃燒速率降低，直至燃盡。與此同時(shí)，灰渣中出現(xiàn)了殘?zhí)肌?br />
通過(guò)上述4個(gè)階段的介紹可知，秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的過(guò)程其實(shí)是揮發(fā)分和焦炭的燃燒過(guò)程，前者雖占燃燒時(shí)間的15%，但放出的熱量卻占總熱量的65%。
2、成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣分析
2.1結(jié)渣機(jī)理秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料由于灰熔點(diǎn)較低，因此燃燒過(guò)程中容易結(jié)渣，對(duì)燃燒效率影響很大。秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料容易結(jié)渣的根本原因在于堿金屬形成的氧化物降低了灰熔點(diǎn)，所以導(dǎo)致了結(jié)渣。秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料的灰渣中主要有Si02.Al203、Fe203、Ca0、Mg0、S02、P205、K20、Na20等，以玉米秸稈為例，其灰渣成分及含量如表1所示。
表1 玉米秸稈灰渣成分及含量
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灰渣成分 |
均值 |
標(biāo)準(zhǔn)差 |
范圍 |
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SiO2 |
44.04 |
11.32 |
23.22～59.60 |
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AL2O3 |
2.65 |
1.53 |
0.93～5.97 |
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Fe2O3 |
1.14 |
0.71 |
0.21～2.54 |
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CaO |
8.92 |
1.99 |
5.16～11.12 |
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MgO |
11.11 |
3.06 |
6.69～16.92 |
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SO3 |
1.25 |
0.39 |
0.76～1.78 |
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P2O3 |
4.56 |
1.32 |
3.10～7.36 |
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K2O |
21.11 |
9.13 |
10.94～37.13 |
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Na2O |
0.66 |
0.51 |
0.16～1.65 |
在秸稈組成的成分中，鉀元素、硫元素和氯元素對(duì)燃燒結(jié)渣起到?jīng)Q定性作用。鉀元素是影響秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣的主要元素，鉀元素在秸稈中形成的有機(jī)物在燃燒的過(guò)程中發(fā)生分解和汽化，產(chǎn)生了低熔點(diǎn)的氯化物、氧化物和硫化物等，當(dāng)這些化合物和鉀元素凝結(jié)在灰粒上時(shí)，就會(huì)使得灰粒具有低熔點(diǎn)和粘性。研究表明，當(dāng)鉀元素和鈉元素組成的化合物與秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料混有砂土的Si02發(fā)生反應(yīng)后，就會(huì)生成低熔點(diǎn)的共晶體( Na20·2Si02)，逐漸聚團(tuán)后就會(huì)形成大面積結(jié)渣。硫元素在燃燒過(guò)程中從秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料中揮發(fā)出來(lái)，與堿金屬元素結(jié)合生成堿金屬類的硫化物，這些產(chǎn)物易凝結(jié)在灰粒表面。CaSO4相當(dāng)于灰粒的粘合劑，能夠加重結(jié)渣的程度，因此，燃燒富含硫的稻草秸稈時(shí)更容易出現(xiàn)大面積的結(jié)渣現(xiàn)象。氯元素在秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的過(guò)程中，一方面加快了堿金屬元素的遷移和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，另一方面增加了許多無(wú)機(jī)化合物的流動(dòng)性，尤其是含鉀元素的化合物。氯元素可以和堿金屬形成穩(wěn)定且易揮發(fā)的堿金屬化合物，溫度在600℃左右時(shí)，形成的含氯堿金屬化合物開(kāi)始進(jìn)入氣相，這是堿金屬析出的最主要途徑。隨著堿金屬元素的汽化加劇，灰粒的粘性也增加，結(jié)渣明顯加快。總之，秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料中的堿金屬、氯元素和硫元素含量越高，就越容易形成低熔點(diǎn)的共晶體，導(dǎo)致聚團(tuán)結(jié)渣加劇，影響秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒效率。
2.2結(jié)渣性能判斷秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料在爐排中燃燒時(shí)，當(dāng)氧化層或還原層達(dá)到灰渣的軟化溫度時(shí)，灰粒就會(huì)軟化。隨著爐溫的升高，灰中的硫酸鹽就會(huì)形成較大的共熔體，當(dāng)這些共熔體附著在溫度較低的爐壁上就會(huì)形成結(jié)渣。通常以硅比(G)、鐵鈣比(I)、堿酸比（B/A）、堿性氧化物指數(shù)(A/)來(lái)判斷秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣性能，其判斷界限值如表2所示。
2.2.1硅比(G)。硅比是體現(xiàn)秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料中殘余灰分中Si04的含量，其計(jì)算公式為：g=SiO42*100/（SiO2+CaO+MgO+Fe2O3），式中分母的成分主要為助熔劑，當(dāng)G值越大時(shí)，表明灰渣粘度和灰熔點(diǎn)越高，結(jié)渣傾向就越小。
2.2.2鐵鈣比(1)。鐵鈣比是指Fe203與Ca0的比值，其計(jì)算公式為：I=Fe2O3/CaO。秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣傾向性可以通過(guò)鐵鈣比(1)來(lái)判斷。研究得出玉米秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料的鈣鐵比約為0.9，由表1可知，玉米秸稈的成型生物質(zhì)顆粒燃料具有中等或嚴(yán)重結(jié)渣性。
2.2形成結(jié)渣的主要因素
2.2.1爐膛溫度。秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣率受爐膛溫度影響很大，當(dāng)溫度在800 - 900℃時(shí)，燃燒結(jié)渣緩慢增加；當(dāng)溫度在900 -1000℃時(shí)，秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣明顯增加；當(dāng)溫度>1000℃后，秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣逐漸增加。
2.2.2燃料粒徑及料層厚度。由于燃料粒徑的增大，導(dǎo)致燃燒中心的溫度升高，灰渣溫度容易達(dá)到灰熔點(diǎn)，所以容易出現(xiàn)結(jié)渣。因此秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料的粒徑越大，燃燒的結(jié)渣率也越高。同理，料層厚度增加后，也是導(dǎo)致燃燒中心的溫度升高，灰渣溫度容易達(dá)到灰熔點(diǎn)，所以也容易出現(xiàn)結(jié)渣。
2.2.3運(yùn)行整體工況。燃燒爐中的溫度決定于燃燒調(diào)整和供風(fēng)控制，若是二者運(yùn)行不當(dāng)，容易使得爐內(nèi)溫度升高，這樣就會(huì)引起爐內(nèi)中心區(qū)域表面結(jié)渣。在保證燃料充分燃燒和供熱要求的前提下，通過(guò)調(diào)整和控制燃料量、通風(fēng)量等工況條件來(lái)降低爐內(nèi)溫度，減少秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣率。通常往燃燒爐通入過(guò)量的空氣時(shí)（過(guò)量空氣系數(shù)為1.5-2.0），可以有效降低燃燒結(jié)渣率。
3、結(jié)渣危害及預(yù)防措施
3.1結(jié)渣危害秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣危害對(duì)于不同形式的燃燒爐影響不同。如果秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料用于小型家用爐，由于燃燒結(jié)渣的存在，阻礙了成型生物質(zhì)顆粒燃料的完全燃燒，降低了燃燒爐的熱效率。但如果秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料用于工業(yè)用大型燃燒爐，結(jié)渣的危害除了上述所提的，還有其他危害。在此主要討論秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料用于工業(yè)用大型燃燒爐，以電廠鍋爐為例，結(jié)渣的主要危害有：①燃燒爐的爐膛結(jié)渣會(huì)使水冷壁的傳熱阻力增大，降低了水冷壁的吸熱效率，導(dǎo)致?tīng)t膛出口的溫度急劇升高。當(dāng)溫度達(dá)到爐膛的超溫狀態(tài)時(shí)，就不得不降負(fù)荷運(yùn)行，這樣就降低了鍋爐的“出力”能力。②結(jié)渣后的渣塊聚集以后，如果覆蓋在水冷管壁上，不僅使水冷管壁受熱強(qiáng)度減少，而且使水的循環(huán)速度降低。當(dāng)正常的水循環(huán)速度破壞后，極有可能引發(fā)爆管事故。③如果結(jié)渣出現(xiàn)在燃燒器的噴口，除了直接影響一、二次配風(fēng)氣流量的正常噴射，導(dǎo)致?tīng)t膛內(nèi)燃料、風(fēng)、煙不能均勻分布以外，還可能造成一次風(fēng)管堵塞，使得燃燒無(wú)法正常進(jìn)行。④爐膛內(nèi)部的受熱面如果大面積結(jié)渣，一旦大渣塊從受熱面脫落下來(lái)，極有可能打壞灰斗的水冷壁管，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致爆炸事故，使生命財(cái)產(chǎn)受到損失。
3.2結(jié)渣預(yù)防做好秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒結(jié)渣預(yù)防工作不僅可以使燃料充分燃燒，提高燃燒爐的熱效率，還可以保障燃燒爐的運(yùn)行安全性，減少不必要的損失。以工業(yè)用大型鍋爐為例，主要做好以下4個(gè)方面的預(yù)防工作，可以顯著降低燃燒結(jié)渣率。
3.2.1控制燃燒溫度。由于秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒后的灰熔點(diǎn)較低，在高溫下容易聚集結(jié)渣，因此可以利用自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)配風(fēng)和燃料量，讓爐膛內(nèi)的溫度維持在穩(wěn)定燃燒時(shí)的狀態(tài)下，確保溫度不超過(guò)灰熔點(diǎn)溫度，這樣就可以有效抑制結(jié)渣的形成。
3.2.2機(jī)械除渣。在生物質(zhì)燃燒鍋爐工作過(guò)程中，將爐排改裝成能夠轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，這樣可以依靠剪切、捶打等外力來(lái)破壞渣塊聚集，以此抑制結(jié)渣。
3.2.3改善鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。除了上述2種抑制結(jié)渣的措施，通過(guò)改善鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低鍋爐燃燒時(shí)的爐膛溫度，也是避免燃燒結(jié)渣的有效措施。對(duì)生物質(zhì)燃燒鍋爐進(jìn)行分段式燃燒設(shè)計(jì)，能明顯降低結(jié)渣率。
3.2.4加入添加劑混燃。通過(guò)前面結(jié)渣機(jī)理的分析可知，由于大量堿金屬氧化物的存在導(dǎo)致灰熔點(diǎn)低，所以才容易形成結(jié)渣。可以在秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的同時(shí)，混合一些易與堿金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，并能把堿金屬固定下來(lái)的添加劑，這樣可以起到抑制結(jié)渣的作用。
4、結(jié)論
秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的過(guò)程其實(shí)就是一個(gè)放熱與吸熱的過(guò)程，燃燒產(chǎn)生的灰渣由于灰熔點(diǎn)低，導(dǎo)致秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒后的灰粒易于結(jié)渣。灰熔點(diǎn)低的根本原因是由于堿金屬和氯、硫等元素存在，所以易于結(jié)渣。結(jié)渣的傾向性可以用硅比(G)、鐵鈣比(I)、堿酸比（B/A）、堿性氧化物指數(shù)(AI)來(lái)進(jìn)行判斷，形成結(jié)渣的主要因素有爐膛溫度、燃料粒徑及料層厚度和運(yùn)行整體工況等。燃燒結(jié)渣不僅使鍋爐燃燒效率降低，還可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此，做好燃燒結(jié)渣的預(yù)防工作十分重要，可以促進(jìn)秸稈成型生物質(zhì)顆粒燃料的大力發(fā)展和推廣，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)、協(xié)調(diào)發(fā)展。
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