生物质颗粒燃料灰行为研究进展

苏俊林，矫振伟，王翰平

(吉林大学 热能工程系，吉林 长春 130025)

　　摘要：本文综述生物质颗粒燃料产业现状及生物质颗粒燃料的灰行为研究现状，分析了生物质颗粒燃料灰行为的研究前景，指出随着生物质颗粒燃料的灰行为问题的解决，生物质颗粒燃料必将成为我国未来新型能源的重要组成部分。

　　0引言

　　当今，能源和环境问题日益严峻，环境污染严重，生态恶化，化石燃料等常规能源的储存量日益减少，能源短缺，价格飞涨，因此可再生能源的开发利用成为一种必然^[1-2]。用生物质能替代化石能源，既可改善能源结构，在一定程度上解决了能源紧缺问题，将生物质变废为宝，变害为利，又有效减排二氧化硫与二氧化碳。生物质能属于清洁的可再生能源，其有害物质含量仅为烟煤的10%左右。煤的含硫量一般为0.5%～1.5%，高硫煤可达5%～8%，而生物质的含硫量非常少，一般少于0.2%。同时，在生物质能利用过程中所排放的二氧化碳可纳入自然界的碳循环，实现二氧化碳的零排放。

　　我国作为一个农业大国，农业生产过程中产生大量的生物质废弃物，其中农作物秸秆年产量约为6亿t，其他农业废弃物约为1.3亿t。同时，在林业生产过程会产生大量木质生物质废弃物，这些废弃物每年约有3亿t可以利用^[3]。此外还有畜禽粪便及有机废水，城市固体废弃物等的储量亦是十分丰富，这些生物质废弃物如果加以利用，将会在很大程度上缓解我国的能源危机。现阶段，我国的生物质能利用水平还比较落后，2010年底我国的生物质燃料约相当于1300万t标准煤。生物质能技术开发利用的核心内容就是研究和发展各种生物质能源的转换利用技术，实现生物能的洁净燃烧和高效利用。

　　其中，将生物质进行压缩固化，使其转化为高品位燃料使用是生物质能利用的重要方法。目前西方先进国现家基本使用木质颗粒燃料，这是因为此类压缩成型致密燃料具有热值高、灰分少和容易燃烧完全的特点。但在我国此类颗粒燃料价格昂贵，难于与散煤竞争，推广使用困难。而我国农业生产的副产品—农作物秸秆(尤其是玉米秸秆)却大量被遗弃，实在可惜。玉米秸秆等农作物秸秆燃料在燃烧利用过程中，由于生物质灰熔点低，导致熔融结渣、严重影响燃烧，同时也会使受热面积灰、磨损及产生腐蚀。这已经成为发展生物质能燃烧技术需要解决的关键问题。这也促使人们对生物质颗粒燃料的灰行为进行研究，以提高其灰熔点，推动生物质燃料行业的发展。

　　1国外生物质灰行为研究现状

　　国外主要应用木质生物质颗粒燃料，这种生物质颗粒燃料灰熔点高，在发电锅炉与工业锅炉使用中不会产生结焦问题。国外对生物质燃料灰熔点的研究较少，研究最多的是煤的灰熔融特性，后来为了大力发展生物质燃料产业，许多机构学者开始借鉴煤的灰熔融特性对生物质的灰行为进行了研究，由于生物质与煤的特性有一定的差别，ATSM(美国材料与试验协会)制定了相应的生物质实验方法标准。

　　Nielsen^[4]等人对稻草燃烧中无机物的行为进行了研究，尤其是钾的析出和氯化钾硫酸盐化为硫酸钾的过程进行了研究。Peter Glarborg[5]等对气态碱金属硫酸盐形成的机理进行了研究。Jenkins^[6]等人对水洗去除生物质中碱金属元素的方法进行了研究。Heije Miettinen westberg^[7]阐述了生物质燃烧时K、CI和S的释放和变化规律。研究发现，导致生物质灰熔融点偏低的主要原因是钠、钾等碱金属化合物在生物质燃烧过程中部分钠、钾和氯以气态的形式释放，其它的则留在灰中，形成熔点较低的碱金属盐类。在高温时这些熔点较低的碱金属盐类处于熔融状态，互相粘连形成结焦。在冷却过程中，气态碱金属可能凝结在粗的飞灰颗粒上，使飞灰聚团。并且通过研究表明，决定碱金属蒸汽生成量的限制因素不是碱金属元素，而是氯元素。

　　Khanh Quang Tran^[8]等人通过研究高岭土对生物质灰熔融性的影响发现，高岭土能够有效地提高灰熔点，通过分析认为主要是由于Al₂O₃以及SiO₂的作用提高了生物质灰熔点。Mohamed^[9]在研究硅藻土对生物质灰熔点的影响时认为SiO₂可以与NaCl发生反应以减少飞灰中的碱金属蒸气，认为SiO₂可以在一定程度上提高灰熔点。此外还有很多学者对生物质的灰熔融特性进行了研究，认为Al₂O₃、SiO₂、MgO、CaO、Fe₂O₃等可以在一定程度上提高灰熔点。

　　现阶段已经基本了解了导致生物质灰熔点低的原因，并对一些可能发生的化学反应进行了阐释，但是现在大多的研究是对某一种单一影响因素进行研究，并没有考虑到影响因素之间的交互作用，并没有真正弄清楚所发生的化学反应，对结渣机理的分析也没有一个准确的阐述。

　　2国内生物质灰行为研究现状

　　依照我国国情，我国更适合发展秸秆类生物质颗粒燃料，但这种生物质颗粒燃料大多灰熔点低，并不适合工业化利用。这就要求我们对其进行研究，以提高其灰熔点。

　　浙江大学马孝琴，骆仲泱等研究人员^[10-13]对生物质灰分进行研究，分析了秸秆中碱金属的来源，对生物质燃烧过程中由碱金属引起的聚团烧结沉积及腐蚀机理进行了研究，分析了秸秆燃烧过程中K的物相的分布情况，发现在不同的温度下K的存在形式有很大差异，在680～760℃时，K的化合物就呈现熔融状态，认为是秸秆灰熔点低的主要问题。通过分析添加Al，Si，S，P，Ca等元素的化合物对于K的存在形式的影响，得出Al及Al和Si的混合物可以有效的使K以固态形式存在，有效提高灰熔点。

　　同时，还对秸秆燃烧过程中添加高岭土，燃煤飞灰，硅藻土Al(OH)₃·CaCO₃这几种添加剂分析秸秆灰熔融特性，认为高岭土、燃煤飞灰以及硅藻土可与KCl气体发生反应并将氯以HCl气体的形式释放。提出了以下几种减轻生物质燃烧过程中由碱金属引起的灰熔点低的解决方案：

　　(1)使用添加剂。采用抑制低熔点化合物生成的添加剂。

　　(2)生物质与其它燃料混烧。生物质可以与煤混烧。

　　(3)适宜的锅炉设计。采用水冷壁保证炉膛温度处于一个较低的水平。

　　山东大学张浩^[14]对麦秆、酒糟、糠醛渣、甘蔗渣、玉米芯、梧桐木和瓜子壳等7种生物质采用SEM/EDS方法和YX-HRD灰熔融性测定仪对各种生物质进行了灰特性的研究，研究表明Na₂O始终起到降低灰熔点的作用，K₂O、CaO、SiO₂、MgO、Al₂O₃对生物质灰熔点的影响都呈现两面性。

　　哈尔滨理工大学孙宏伟等人^[15]对生物质中碱金属元素的来源和析出迁移规律进行了论述。归纳出碱金属引起的腐蚀、聚团和沉积问题，并分析了引起这些问题的影响因素。指出解决生物质碱金属问题的四种常用方法，并总结了碱金属研究过程中存在的问题。

　　此外还有辽宁省清洁能源重点实验室，东南大学，西安交通大学等单位针对生物质的灰行为进行了类似研究。

　　现阶段对于生物质灰行为的研究大多是在宏观上对生物质灰熔融特性进行分析，并且大多是针对单一添加剂进行研究，并没有系统的考虑各个因素之间的交互作用。我国在2010年之前并没有针对生物质燃料的检测标准，对于生物质的灰熔融性的研究大多是采用煤的方法以及美国的ATSM标准进行。由于试验方法的不同，在结论上会有一定的差别，这导致了生物质燃料研究的混乱局面，并且由于采用的方法不同所测得的灰分中的成分也不同，这样在进行灰熔融特性建模的时候得到的模型仅仅适合于某一种生物质原料，并不具有通用性。现阶段我国并没有专门针对生物质燃料的试验分析仪，大多采用煤的分析仪器，也会导致所得到的结论有错误存在。在2010年5月20日农业部发布了《生物质固体成型燃料试验方法》，从此我国的生物质实验研究将走上正轨。

　　吉林大学针对生物质颗粒燃料灰行为及结渣问题，进行了大量的研究工作。研究分析生物质中碱金属赋存形态特点及结渣形成机理，考察不同碱金属赋存形态和转变对结渣性及灰熔点的影响。分析不同组分及不同添加剂条件下，结渣性与灰熔性变化规律及影响因素，建立了复合生物质颗粒结渣倾向评判方法。现在已经研制出数种复合生物质颗粒燃料，其灰分软化温度达到并超过1200℃。在试验燃烧过程中炉膛温度在1200℃时并没有结焦现象出现，生物质颗粒燃料燃烧完全保持原样，没有任何粘连出现。吉林大学现在正致力于研究生物质灰行为模型，并已得到初步成果。

　　3生物质灰行为研究前景

　　我国的生物质燃料的利用跟国外差别较大，我国主要是利用农作物秸秆，因此需要对农作物秸秆的基本特性进行研究，尤其需要对其灰行为和结渣机理进行深入研究。现阶段已经对生物质燃料灰熔点的影响因素进行了基础研究，导致灰熔点过低的因素已经得到公认。我国已发布的《生物质固体成型燃料试验方法》规范了我国的生物质燃料的实验方法。在国内外研究的基础上，依照现行的《生物质固体成型燃料试验方法》规范的方法，生物质的灰行为研究必将走上快车道。随着生物质燃料灰行为研究的深入，我国的生物质颗粒燃料将得到长足发展。

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