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TK6生物质燃料结渣特性分析与判别

摘要：生物质与煤同为固体燃料，尽管组成成分存在明显的区别，但在气化、燃烧与成灰特性等方面有许多共性，本文在分析各种生物质燃料的灰渣组成成分及其对结渣倾向影响的基础上，主要研究了若干煤结渣判别指数和生物质结渣判别指数对判别生物质结渣特性的适用性，基于11种常见生物质燃料灰渣成分的分析，对各自的结渣特性进行了判别，并与以往文献的结渣试验结果进行了比较，建议了各种判别方法的适用程度，推荐了具有较高可靠性的生物质结渣判别方法。

引言

随着化石燃料的紧缺、对环境污染严重及温室效应加重，利用生物质等可再生能源已引起广泛、高度的重视。生物质能具有可再生、低污染、分布广、储量大等优点，且是可再生能源中唯一可储存、运输的能源。我国生物质能资源相当丰富，据测算，我国每年理论生物质能资源50亿吨左右，资源总量估计每年可达6.5亿吨标煤以上，其中各类农林业废弃物的资源量每年即有3.8亿吨标煤。

生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。在现代化火力发电装置中利用生物质燃料高效洁净发电，是大规模有效利用生物质的重要途径之一。生物质作为燃料时，由于生物质在生长时需要的CO2量相当于它燃烧时排放的CO2量，因而对大气的CO2净排放量近似于零，SO2，NO排放量降低，同时，由于生物质碱性物含量较大，熔融温度较低，且软化温度和流动温度相差较小，致使生物质结渣可能性增大。随着生物质的开发与应用，研究生物质的积灰、结渣特性等关键基础科学问题日益引起重视。

生物质灰渣与煤灰渣相比，碱性氧化物含量高，灰熔融温度低，含灰量高的生物质燃料结渣倾向大，其结渣判别是否准确可靠将极大程度地影响到生物质燃烧或热转化工艺及设备设计、受热面的布置，以及吹灰系统的选择和布置等。关于煤在热力转化过程中的结渣特性，已经有大量的研究成果与若干成熟可靠的判别方法，并被广泛应用指导工程实践[1]，而纯生物质结渣性能的研究国内外研究的文献均很少见文献报导[2]，但由于生物质与煤在成灰特性上相近，只是成分含量上差异较大，因此，可以利用已有的煤结渣特性研究成果，但需要深入考虑生物质灰分的特征。

文献[1]对生物质与煤共燃的结渣性能进行了分析，在生物质输入热量占总输入热量20%的工况下，认为煤和生物质混合物的灰渣的化学结构与煤相近，可以采用原有判别煤的结渣指数；文献[3]在0.5MW的煤和生物质混合燃烧设备中生物质的结渣特性，主要对麦秆、木材、污泥等生物质与煤掺混燃烧后进行研究，直接从炉膛取样，将表观结渣程度与其灰元素组成、特性及灰熔点进行分析比较。文献[4]对低温热解生物质（花生壳、谷壳、锯屑）与煤共燃的结渣、积灰和磨损特性进行了分析，主要采用灰熔点、碱酸比、硅比、硅铝比等指数对结渣特性进行分析，认为其研究的热解生物质燃料结渣倾向均为严重，但没有分析煤结渣指数判别生物质结渣特性的可靠性；文献[5]认为评价生物质结渣的主要指标为灰成分，但并没有基于灰渣组成成分的试验数据的计算分析；文献[6]采用碱酸比、硅铝比、硅比等判别方法，分析了甘蔗渣、花生壳、谷壳、松木屑的结渣特性，认为硅铝比不宜作为判别指数。

1生物质灰的组成

生物质的基本化学组成元素：C、H、O、N、碱金属元素（Na、K等）及微量元素（Sn、Co等）组成。生物质的灰含量随生物质的种类、产地的不同而不同，并受种植条件的影响，一般地，灰的组成主要有SiO2，Fe2O3，Al2O3，CaO，MgO，TiO2，SO3，K2O，Na2O，P2O5等。生物质中的灰分有两种来源：一是燃料本身固有的，形成于植物生长过程中，本身固有的灰分是相对均匀地分布在燃料中，其中Si，K，Na，S，Cl，P，Ca，Mg，Fe等是导致结渣、积灰的主要元素；另一来源是燃料加工处理过程中带入的，如：砂子、土壤颗粒，其组分与燃料固有的灰分差别很大。表1为11种常见生物质燃料的灰分分析（数据分别来源于以上文献[2~5]）。

由表1可知，稻壳灰分中SiO2含量最高，高达91.42%，柳木的灰分中SiO2含量最低为2.35%；甘蔗秆灰中Fe2O3和Al2O3含量最高，分别为14.14%和17.69%；白杨木灰中CaO和MgO含量最高；麦秸灰中SO3，K2O和Na2O含量较高，特别是K2O含量占25.60%，超出总灰分的四分之一，木材灰中碱金属含量次之；紫花苜蓿灰中P2O5含量较高为7.64%。以上11种生物质中，木材灰中CaO含量约占总灰分的一半，高于全国煤平均值8倍以上，11种生物质灰中碱金属氧化物（K2O+Na2O）含量大都远远高于全国煤的平均值（1.99），约为全国煤的平均值的2~16倍。分析还表明，对大多数生物质灰，若CaO含量较大