中國南方典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)結(jié)渣特性實驗研究*

方江濤，廖艷芬，黃澤浩，馬曉茜，黃家崧

（1．廣東省粵電集團有限公司，廣州 510630；2. 華南理工大學電力學院，廣州 510640；3. 廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電有限公司，湛江 524300）

中國南方典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)結(jié)渣特性實驗研究*

方江濤1，廖艷芬2?，黃澤浩2，馬曉茜2，黃家崧3

（1．廣東省粵電集團有限公司，廣州 510630；2. 華南理工大學電力學院，廣州 510640；3. 廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電有限公司，湛江 524300）

實驗研究了廣東省典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)稻桿、甘蔗渣/葉的燃燒結(jié)渣特性。采用GB/T212-2001和ASTM E1755標準進行灰化實驗，采用角錐法和一步法檢測生物質(zhì)的熔融特性。實驗結(jié)果證實ASTM的低溫灰化標準更適合稻桿類高無機鹽含量的生物質(zhì)原料。稻桿中堿金屬氧化物含量達 20%以上，是導致灰渣粘結(jié)和熔融的主要因素。由于角錐法灰熔點檢測法提前將部分堿金屬和Cl元素轉(zhuǎn)化和析出，導致檢測結(jié)果遠高于實際燃燒的熔融溫度；相比而言，一步法更具有直觀性和指導作用。通過一步法實驗獲得稻桿臨界結(jié)渣溫度為700℃～750℃，甘蔗渣為850℃～900℃，甘蔗葉為900℃～950℃。CaO和Al2O3添加劑對于生物質(zhì)燃燒過程具有一定的抗結(jié)渣功能，CaO通過與SiO2(s) 反應生成高熔點的固態(tài)Ca3Si2O7(s) 和MgOCa3O3Si2O4(s)，因此能消耗物料周圍的SiO2(s)，抑制低溫共融；Al2O3則通過生成高熔點溫度的固態(tài)KAlSiO4和固態(tài)KAlSi2O6，減少低溫共熔現(xiàn)象的發(fā)生。

生物質(zhì)；燃燒；堿金屬；結(jié)渣

0 前 言

隨著能源短缺和溫室氣體排放問題的加劇，生物質(zhì)作為可再生和潔凈能源在美國、丹麥、瑞典、芬蘭、荷蘭以及巴西和印度等國家得到廣泛應用。我國南方地區(qū)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源豐富、儲存量大，主要包括稻桿、甘蔗殘留物等。據(jù)推算南方地區(qū)現(xiàn)有主要農(nóng)作物秸稈數(shù)量占全國比例為84.48%[1]；糖料甘蔗大面積種植于廣西、廣東、海南、云南，占據(jù)我國 95%以上蔗糖產(chǎn)量[2]。合理利用這些生物質(zhì)資源將為緩解能源危機和減少環(huán)境污染提供有效的支撐。

由于生物質(zhì)燃料本身具有異于煤炭的特性，其燃燒特性有別于燃煤，同時生物質(zhì)燃料中的堿金屬（K、Na）和 Cl元素含量比較高，在實際利用過程中普遍存在結(jié)焦聚團的問題[3,4]。針對生物質(zhì)燃燒特性以及結(jié)焦等問題，國內(nèi)外開展了大量研究。研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)氣化或燃燒過程中堿金屬主要以氯化物、硫酸鹽、氫氧化物、硅酸鹽和硅鋁酸鹽形式存在[5,6]。堿金屬含量以及與其他灰分之間的組成形式、生物質(zhì)中揮發(fā)份、運行溫度形成影響結(jié)焦問題最關鍵的因素[6,7]。為減緩堿金屬腐蝕問題，研究者通過在生物質(zhì)中添加鋁、硅、硫和鈣的化合物以期形成一些高熔點化合物[8,9]。

生物質(zhì)燃料組分以及微量元素的組成、含量均與地域相關聯(lián)，各地生物質(zhì)燃燒特性以及結(jié)焦規(guī)律各異，基于此，本文針對廣東省典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)，開展其燃燒過程中結(jié)焦特性的實驗研究，并分析添加劑對減緩結(jié)焦的作用機理，以期對中國南方典型生物質(zhì)能源利用的優(yōu)化設計、運行控制等提供一定的理論依據(jù)。

1 實驗物料

實驗采用的生物質(zhì)材料取自廣東省湛江地區(qū)，分別有稻桿（南方地區(qū)典型種植物）、甘蔗葉和甘蔗渣，經(jīng)粉碎過篩成為粒徑為 80目的顆粒，然后在378 K溫度下干燥 3 h。根據(jù)美國標準（E0870—82R98E01, ASTM）進行樣品的工業(yè)分析。元素分析采用Elementar元素分析儀進行測定，Cl元素由離子色譜儀（792 Basic IC）測定。各燃料的工業(yè)分析和元素分析見表1。

從表1可以看出，三種典型生物質(zhì)可燃成分均非常高，達到了79%以上，特別是甘蔗渣和甘蔗葉，其揮發(fā)份含量就高達72%以上，表明了其優(yōu)質(zhì)的燃燒和著火性能。三種生物質(zhì)燃料中N和S元素的含量比較低，有利于生物質(zhì)燃燒低污染性氣體排放。

生物質(zhì)中Cl元素在燃燒時容易引起受熱面腐蝕和酸性氣體（HCl）排放，研究認為Cl元素含量為0.1wt%是腐蝕與否的一個閾值[10]。甘蔗渣含Cl量較低（＜0.1wt%），因此其Cl腐蝕問題應該不嚴重；但甘蔗葉和稻桿Cl元素含量均高于閾值，表明其潛在的高溫腐蝕將比較嚴重。灰分含量，特別是其中的堿金屬含量是導致積灰和結(jié)焦的主要因素，由表 1可知，稻桿的灰分含量高達14.76%，而甘蔗葉/渣的灰分含量較低，進一步確定其中的堿金屬含量將是生物質(zhì)燃料在燃燒過程結(jié)焦程度的重要判據(jù)。

表1 元素分析和工業(yè)分析Table 1 Ultimate and proximate analyses of biomass

2 結(jié)渣特性實驗研究及分析

2.1 灰化實驗

目前，國外已有專門針對生物質(zhì)基本性質(zhì)分析的標準，例如美國的ASTM E1755，而我國尚未建立相應的標準體系，在研究制取生物質(zhì)灰分時通常參照煤灰制灰標準（GB/T212-2001）。然而，在灰分制取時，ASTM E1755標準和GB/T212-2001標準兩者的灰化溫度相差較大，前者是（575 ± 25）℃，后者是（815 ± 10）℃。不同的灰化溫度可能會造成生物質(zhì)灰分含量和成分的不同，從而導致生物質(zhì)灰分性質(zhì)的不同。

因此，為研究灰分特性以及燃燒溫度和條件對結(jié)焦的影響，本實驗制灰的過程中選取了兩個不同的灰化溫度（ASTM E1755標準和GB/T212-2001標準），前者是將樣品放在 250℃的馬弗爐中保持30 min，再將馬弗爐的溫度以10 K/min的升溫速率升到575℃，樣品在575℃下停留3 h以上；后者是將樣品放在500℃的馬弗爐中保持30 min，再將馬弗爐的溫度以10 K/min的升溫速率升到815℃，樣品在815℃下停留1 h。

觀察不同灰化溫度下的生物質(zhì)灰樣（見圖1），可以發(fā)現(xiàn)：ASTM E1755標準制成的三種生物質(zhì)灰都不會結(jié)焦，其灰分松軟。對比GB/T212-2001標準灰分，發(fā)現(xiàn)稻桿灰牢固的粘結(jié)在瓷舟底部，灰分堅硬且粗糙，已經(jīng)出現(xiàn)熔融燒結(jié)現(xiàn)象，甘蔗渣/葉的灰樣呈疏松乳黃色，未出現(xiàn)明顯的結(jié)渣現(xiàn)象。

可見采用煤質(zhì)制灰標準（GB/T212-2001灰化溫度為815℃）并不適合生物質(zhì)，低溫（575℃）制取生物質(zhì)灰樣更加合理。另一方面也說明南方稻桿類農(nóng)業(yè)生物質(zhì)在燃燒過程中相比甘蔗渣/葉更易發(fā)生結(jié)焦問題。在燃燒該類生物質(zhì)物料時，應盡量將溫度控制在800℃以下。

圖1 不同標準下的生物質(zhì)灰樣Fig. 1 The bimass ash under different ashing standards

2.2 生物質(zhì)的灰成分分析

為分析在兩種灰化標準下生物質(zhì)灰的主要成分，將兩種標準下制取的生物質(zhì)灰樣進行灰分檢測，折算成相應的氧化物。實驗結(jié)果見表2所示。

由表2中可知，GB標準制取灰樣比ASTM標準普遍要低，特別是稻桿，經(jīng)高溫處理后，其灰分質(zhì)量含量減少了約17.3%，可見經(jīng)高溫加熱后，灰成分中一部分不穩(wěn)定物質(zhì)進一步揮發(fā)進入氣相。除稻桿-GB灰成分質(zhì)量平衡僅為80.6%外，其他幾種分析質(zhì)量百分比之和均為90%左右，主要成分為SiO2和Al2O3，差值部分包括了未檢出的微量元素，未計算的氯化物、硫酸鹽、磷的氧化物及測量誤差等[11,12]。

表2 不同灰化溫度下生物質(zhì)的灰成分分析（%）Table 2 The ash content of biomass under different ashing temperatures

通過分析灰分組成，可知其主要由Si、K、Na、Al、Fe、Ca、Mg等元素組成，而且稻桿中堿金屬氧化物的含量達到了20%以上。對比兩種監(jiān)測標準可以看出稻桿類生物質(zhì)堿金屬含量高，而且揮發(fā)性強，采用高溫加熱后，部分堿金屬發(fā)生氣相析出，但仍有約17%的含量殘留于灰渣中，該部分固相存在的堿金屬將是導致灰渣粘結(jié)和熔融的主要因素。

針對甘蔗渣/葉的灰成分分析質(zhì)量百分比之和達到了90%，而且兩種標準下的灰成分氧化物含量接近。從灰成分分析可以看出甘蔗渣/葉的灰量少，而且成分較穩(wěn)定，發(fā)生結(jié)渣的程度也相應降低。

在甘蔗渣/葉灰樣中基本未檢測到 Cl元素，稻桿灰樣（GB）含量也相應減少，表明 Cl具有比堿金屬更高的揮發(fā)性。比較不同灰化溫度對 K和 Cl元素含量的影響，可以推測在575℃～815℃的溫度區(qū)間內(nèi)，可能發(fā)生K、Cl元素的揮發(fā)、遷移，而且部分Cl元素以KCl的結(jié)合形式析出[13]。

2.3 灰熔點檢測

生物質(zhì)直燃利用過程中與灰相關的結(jié)渣、團聚以及積灰、受熱面腐蝕等問題一般通過燃料灰的灰熔點來判斷和預測。為比較三種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)物料的灰熔點，按照國家標準GB/T219-2008中規(guī)定的角錐法進行軟化溫度測定，結(jié)果見表3所示。

由表3可以直觀看出，稻桿的灰熔點遠比甘蔗渣/葉的灰熔點低，而且稻桿的變形溫度與軟化溫度之間僅僅相隔45℃，其從受熱變形到軟化、粘結(jié)從而發(fā)生掛焦將更易于發(fā)生。但無論是稻桿還是甘蔗渣/葉的灰熔點都高于 815℃，而事實上，在灰化實驗中（圖1），稻桿灰在815℃時已經(jīng)熔融成一團，緊密地粘附在磁舟表面?？梢姡苯拥膶嶒灲Y(jié)果和灰熔點檢測發(fā)生了矛盾。

分析灰的燒結(jié)熔融過程，燃料灰中復雜的化學成分在加熱燃燒過程中相互影響，發(fā)生化學反應，形成共晶、熔融、螯合等化合物，并同時發(fā)生物理相變、結(jié)構(gòu)變化。因此，化學成分的含量以及相互作用的環(huán)境對其熔融特性至關重要。而角錐法灰熔點檢測中，通過兩步方式，首先進行生物質(zhì)燃料的灰化，然后再進行加熱熔融測試。從前面的灰化實驗中可以看到燃料在成灰過程中，已經(jīng)有一部分Cl元素和堿金屬發(fā)生了揮發(fā)和轉(zhuǎn)變，而該部分無機物對灰的熔融起關鍵作用。

可見，在無機元素含量較高，特別是堿金屬和Cl元素含量高的燃料中，采角錐法灰熔點檢測由于事先在灰化步驟中將部分堿金屬和Cl元素轉(zhuǎn)化和析出，因此，其檢測出來的灰熔點往往遠高于實際燃燒的熔融溫度。

表3 生物質(zhì)物料的灰熔點特征溫度Table 3 The ash melting points of biomass

2.4 管式爐內(nèi)燃燒結(jié)渣特性及燒結(jié)熔融指數(shù)分析

圖2 實驗裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of fixed-bed reactor

鑒于角錐法灰熔點檢測的局限性，國內(nèi)外較多的研究者建議采用一步法進行生物質(zhì)灰熔特性的檢測[14,15]，即在馬弗爐或者燃燒室中直接進行生物質(zhì)的燃燒，從而對不同燃燒溫度下灰的狀態(tài)進行判斷。由于灰的熔融需要定量的描述，研究者采用灰強度與熔融程度之間進行關聯(lián)，以燒結(jié)熔融指數(shù)來表征[11]。

為直觀判斷本文研究的三種典型生物質(zhì)燃燒結(jié)渣風險，本文在管式燃燒器（SK3-2-12K開啟式節(jié)能管式爐，見圖2）中進行了燃燒結(jié)渣特性試驗。該裝置內(nèi)置剛玉加熱管，尺寸為70 mm × 4 mm × 1 000 mm（外徑 × 壁厚 × 長），其熱量來源于鐵鉻鋁電阻絲（0CR25AL5），發(fā)熱區(qū)長度為600 mm，其中有效恒溫區(qū)為400 mm，反應器溫度由熱電偶測量并采用PID智能控制器控制，控制精度為 ± 5℃。

生物質(zhì)燃料粉碎到80目后，在反應爐中燃燒成灰，成灰溫度從500℃到1 000℃，每隔50℃進行一次成灰試驗?？紤]到燃料在爐內(nèi)的充分燃燒和在鍋爐中的實際停留時間，每個燃燒試驗時間設定為30 min。燃燒后的灰樣冷卻后測定其質(zhì)量Mp，將未粘結(jié)在瓷舟上的灰在80目上過篩，落下灰的質(zhì)量為Ma，則定義燒結(jié)熔融指數(shù)為[11]：

當燒結(jié)熔融指數(shù)SII為1時，表示在該溫度下該生物質(zhì)燃燒成的灰已經(jīng)全部發(fā)生燒結(jié)或者熔融。圖 3為三種燃料的燒結(jié)熔融指數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。

圖3 三種生物質(zhì)燒結(jié)熔融指數(shù)隨溫度的變化規(guī)律Fig. 3 The biomass melting index. Vs. combustion temperature

從圖中可以看到，稻桿類生物質(zhì)與甘蔗類生物質(zhì)的燒結(jié)熔融特性差別較大，燒結(jié)熔融具有明顯的拐點出現(xiàn)。稻桿在700℃～800℃范圍內(nèi)熔融程度變化劇烈，而甘蔗渣/葉在800℃之前燒結(jié)程度都很低。

為預測生物質(zhì)燃料的結(jié)渣溫度，將生物質(zhì)灰在SII達到0.7左右對應的溫度區(qū)間稱為該生物質(zhì)的臨界結(jié)渣溫度[11]，即此溫度下大約有70%的生物質(zhì)灰發(fā)生了燒結(jié)。從圖中可以看到，稻桿、甘蔗渣、甘蔗葉的臨界結(jié)渣溫度分別在700℃～750℃、850℃～900℃、900℃～950℃之間。

3 抗結(jié)焦劑對生物質(zhì)結(jié)焦特性的影響

由于生物質(zhì)中堿金屬K元素含量高，在燃燒的過程中容易導致結(jié)渣、聚團現(xiàn)象。研究者發(fā)現(xiàn)在燃料中添加適量的石灰石、Al-Si基陶瓷礦料可以降低灰結(jié)渣的趨勢[16]。本節(jié)通過向甘蔗渣、甘蔗葉和稻桿中加入CaO、Al2O3添加劑，觀察不同添加劑對燃燒后灰分結(jié)渣情況的影響，并采用FactSage模擬軟件分析添加劑的抗結(jié)渣機理。CaO、Al2O3添加劑為購買的分析純粉末，篩分到80目的顆粒，添加劑加入量分別按Ca、Al元素與生物質(zhì)中K元素的摩爾質(zhì)量之比為1∶1進行混合、攪拌以保證混合均勻。

甘蔗渣和甘蔗葉燃燒不容易結(jié)渣，故加入添加劑后對結(jié)渣程度并沒有太大的影響，見表4所示。但是與無添加劑相比，加入CaO或Al2O3后生成的稻桿灰燒結(jié)熔融指數(shù)對應溫度大約提高 50℃～100℃，而且從表觀上觀察，其變得比較膨松多孔，用手指觸捏感覺灰分松軟。

表4 添加劑對三種生物質(zhì)燒結(jié)熔融指數(shù)的影響規(guī)律Table 4 The effect of the additives on the biomass melting index

由于稻桿中決定灰熔融特性的關鍵在于堿金屬的形態(tài)和析出規(guī)律，基于此，本文利用FactSage軟件模擬研究添加劑對稻桿燃料燃燒過程中堿金屬 K元素形態(tài)分布的影響機理。各物質(zhì)的量按照元素分析結(jié)果進行整理，Al和Ca元素的添加量按與稻桿燃料中K元素的摩爾質(zhì)量之比為1∶1所需要的量進行計算。模擬的結(jié)果分別見圖4和圖5。

圖4 添加Al2O3對稻桿中鉀元素形態(tài)的影響Fig. 4 The effect of Al2O3on the K morphology of straw

由圖4可以看到，添加Al2O3后，K元素化合物主要以固態(tài)KAlSiO4和固態(tài)KAlSi2O6存在。其可能是發(fā)生了以下反應：

由于KAlSiO4和KAlSi2O6的熔點比較高，在溫度不超過960℃時，并不會產(chǎn)生K2O熔融物，在一定程度上可以減少結(jié)渣的發(fā)生。

同時，KAlSi2O6和KAlSiO4會通過反應（3）相互轉(zhuǎn)化。當溫度高于960℃時，KAlSiO4和KAlSi2O6的含量開始下降，通過反應（4）生成Al2O3和K2O的熔融物。

由此可見，添加 Al2O3可以對稻桿的燃燒起到兩個作用：一是固定K元素，使其留在灰分中，避免過多氣相KCl溢出，造成后面受熱面腐蝕；二是生成高熔點溫度的KAlSiO4(s)和KAlSi2O6(s)，減少K2O的熔融物的生成，避免低溫共熔現(xiàn)象的發(fā)生，從而減少了結(jié)渣情況[62]。

與無添加的稻桿燃燒過程堿金屬轉(zhuǎn)化相比[17]，添加CaO后灰中的KCl物相變化規(guī)律基本不變，當溫度超過570℃時，固態(tài)KCl開始出現(xiàn)熔融，到600℃時幾乎全部熔融，同時KCl（Slag）達到最大值。此后，隨著溫度的上升，通過低溫共融現(xiàn)象[17]，熔融K2O（Slag）不斷增加，并開始產(chǎn)生氣相KCl。從而使底灰與析出的KCl接觸的SiO2減少，抑制了共融反應中 K2Si4O9（liq.）的生成，從而可以減少結(jié)渣情況。

圖5 添加CaO對稻桿中K元素形態(tài)的影響Fig. 5 The effect of CaO on the K morphology of straw

但添加 CaO后會經(jīng)由反應式（5）～（7）生成大量高熔點固態(tài)化合物Ca3Si2O7(s)和MgOCa3O3Si2O4(s)：

綜合而言，盡管CaO和Al2O3添加劑具有抗結(jié)渣功能，都能避免低溫共融現(xiàn)象的發(fā)生，但各自所起抗結(jié)渣作用的機理不同。CaO添加劑主要是通過與 SiO2(s)反應生成高熔點的 Ca3Si2O7(s)和MgOCa3O3Si2O4(s)，這兩者消耗了大量SiO2(s)，從而抑制了大量 K2Si4O9（liq.）的生成，避免了低溫共融現(xiàn)象的發(fā)生。而添加 Al2O3對于生物質(zhì)燃料燃燒可以起到兩個作用：一是固定K元素，使其留在灰分中，避免過多氣態(tài)KCl溢出，造成后面受熱面腐蝕；二是生成具有高熔點的KAlSiO4和KAlSi2O6，減少K2O熔融物的產(chǎn)生，從而避免了低溫共熔現(xiàn)象的發(fā)生，減少結(jié)渣情況。

4 結(jié) 論

（1）分別采用GB/T212-2001和ASTM E1755標準對廣東省典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)稻桿、甘蔗渣/葉進行灰化實驗研究，煤質(zhì)標準對生物質(zhì)進行灰成分分析會導致生物質(zhì)中的無機元素出現(xiàn)較大的損失，ASTM的低溫灰化標準更適合生物質(zhì)。

（2）灰化實驗和灰成分分析結(jié)果說明稻桿類生物質(zhì)堿金屬含量高，高溫加熱后部分固相存在的堿金屬是導致灰渣粘結(jié)和熔融的主要因素，因此，在燃燒該類生物質(zhì)物料時盡量將溫度控制在 800℃以下。與稻桿類相比，甘蔗渣/葉灰量少、成分較穩(wěn)定，發(fā)生結(jié)渣的程度也相應降低。

（3）由于在灰化步驟中已將部分堿金屬和Cl元素轉(zhuǎn)化和析出，因此無機元素含量較高，特別是堿金屬和Cl元素含量高的燃料，角錐法灰熔點檢測出來的灰熔點往往遠高于實際燃燒的熔融溫度。

（4）采用一步法進行生物質(zhì)灰熔特性的檢測更具有直觀性和指導作用。一步法實驗獲得稻桿、甘蔗渣、甘蔗葉的臨界結(jié)渣溫度分別在 700℃～750℃、850℃～900℃、900℃～950℃之間。

（5）CaO和Al2O3添加劑對生物質(zhì)燃燒過程具有抗結(jié)渣功能，但各自所起的抗結(jié)渣作用機理不同。CaO添加劑主要是通過與SiO2(s)反應生成高熔點的Ca3Si2O7(s)和 MgOCa3O3Si2O4(s)，通過消耗物料周圍的 SiO2(s)，抑制低溫共融現(xiàn)象的發(fā)生。而 Al2O3是通過生成高熔點的KAlSiO4(s)和KAlSi2O6(s)，減少K2O熔融物的產(chǎn)生，從而避免低溫共熔現(xiàn)象的發(fā)生，減少結(jié)渣情況。

[1] 畢于運, 王亞靜, 高春雨. 中國主要秸稈資源數(shù)量及其區(qū)域分布[J]. 農(nóng)機化研究, 2010, (003): 1-7.

[2] 陳平華. 甘蔗主成分分析及作為再生能源的可行性[J].甘蔗, 2004, 1l(2): 1-4.

[3] KouPrianova V I, Permchartb W. Emissions from a conical FBC fired with a biomass fuel[J]. Applied Energy, 2003, 74: 383-392.

[4] Sandberga J, Christer K, Rebei B F. A 7 year long measurement period investigating the correlation of corrosion, deposit and fuel in a biomass fired circulated fluidized bed boiler[J]. Appl Energy 2011, 88: 99-100.

[5] Glarborg P, Marshall P. Mechanism and modeling of the formation of gaseous alkali sulfates[J]. Combust Flame, 2005, 141: 22-39.

[6] Knudsen J N, Jensen P A, Dam-Johansen K, et al. Transformation and release to the gas phase of Cl, K, and S during combustion of annual biomass[J]. Energy Fuels, 2004, 18: 1385-1399.

[7] Nielsen H P, Baxter L L, Sclippab G, et al. Deposition of potassium salts on heat transfer surfaces in straw-fired boilers: a pilot-scale study[J]. Fuel, 2000, 79: 131-139.

[8] 余滔. 添加劑對生物質(zhì)燃燒灰沉積和腐蝕特性的影響規(guī)律研究[D]. 山東: 山東大學, 2013.

[9] Konsomboon S, Pipatmanomai S, Madhiyanon T, Tia S. Effect of kaolin addition on ash characteristics of palm empty fruit bunch (EFB) upon combustion[J]. Appl Energy, 2011, 88: 298-305.

[10] Karampinis E, Vamvuka D, Sfakiotakis S, et al. Comparative study of combustion properties of five energy crops and Greek lignite[J]. Energy & fuels, 2012, 26(2): 869-878.

[11] 秦建光. 秸稈類生物質(zhì)流態(tài)化燃燒特性研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2013.

[12] Dayton D C, Jenkins B M. Release of inorganic Constituents from Leached Biomass during Thermal Conversion[J]. Energy & Fuels, 1999, (13): 274-279.

[13] Olsson J G, Jaglid U, Pettersson J B C, et al. Alkali metal emission during pyrolysis of biomass[J]. Energy Fuels, 1997, 11: 779-784.

[14] 王爽, 姜秀民, 王寧, 等. 海藻生物質(zhì)灰熔融特性分析[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(5): 96-101.

[15] 劉仁平, 金保升, 仲姚平. 循環(huán)流化床燃燒生物質(zhì)的結(jié)渣問題研究[J]. 鍋爐技術, 2007, 38(5): 73-78.

[16] Xiong S J, Burvall J, ?rberg H, et al. Slagging characteristics during combustion of corn stovers with and without kaolin and calcite[J]. Energy & fuels, 2008, 22(5): 3465-3470.

[17] Liao Y F, Yang G, Ma X Q. Experimental Study on the Combustion Characteristics and the Alkali Transformation Behavior of Straw[J]. Energy & Fuel, 2012, 26(2): 910-916.

Experimental Study on Slagging Characteristics of Typical Agricultural Biomass in South China

FANG Jiang-tao1, LIAO Yan-fen2, HUANG Ze-hao2, MA Xiao-qian2, HUANG Jia-song3
(1. GuangDong YuDean Group CO., LTD, Guangzhou 510630, China; 2. South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 3. GuangDong YuDean Zhanjiang Biomass Power Generation CO., LTD, Zhanjiang 524300, China)

The combustion slagging characteristics experiments were carried out for bagasse, sugarcane leaf and rice straw, the typical agricultural biomass in Guangdong province. GB/T212-2001 and ASTM E1755 were adopted as standards to the ashing experiments respectively. Both pyramid method and one-step experimental method were carried out to measure the ash melting charateristics of the biomass. Ashing experiments results confirmed that the ASTM standard with low ashing temperature is more suitable for the biomass materials with high inorganic salt contents. The alkali metal oxide content in rice straw reached more than 20%, which is the main factor to cause ash melting and slagging. In the pyramid method, part of alkali metal and chlorine were transformed and precipitated in advance, so the test result was far higher than the actual combustion melting temperature. Compared with pyramid method, one-step method was more intuitive and instructional. And by one-step experimental, the critical slagging temperature of rice straw was at 700oC～750oC, bagasse at 850oC～900oC, sugarcane leaves at 900oC～950oC. Adding CaO and Al2O3into the biomass material had a certain resistance effect on the slagging function. CaO can react with SiO2(s) to produce the high melting point solid Ca3Si2O7(s) and MgOCa3O3Si2O4(s), so able to consume the SiO2(s) around the biomass material and inhibiting the co-fusion in low temperature. While Al2O3can generate high melting point solid KAlSiO4and KAlSi2O6, slowing down the eutectic phenomenon in low temperature.

biomass; burning; alkali metal; slagging

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.04.006

2095-560X（2014）04-0275-07

方江濤（1955-），男，碩士，教授級高級工程師，主要從事電力生產(chǎn)科研管理工作。

2014-05-19

2014-06-09

國家“973”計劃項目（2013CB228101）；國家自然科學基金資助項目（50906025）；能源高效清潔利用廣東省重點實驗室項目；國家質(zhì)檢公益項目（20140159)

? 通信作者：廖艷芬，E-mail：yfliao@scut.edu.cn

廖艷芬（1976-），女，博士，教授，博士生導師，主要從事固體廢棄物高效低污染燃燒研究。