花生殼成型燃料結(jié)渣特性分析

夏許寧，劉圣勇，王鵬曉，管澤運，翟萬里，劉洪福

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點開放/生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450002)

隨著能源需求量的增加，以及煤燃燒帶來的環(huán)境污染等問題的加劇，生物質(zhì)因其儲量大、易取材、可再生、污染小等優(yōu)點，已成為唯一可替代化石能源轉(zhuǎn)化成氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)以及其他化工原料或者產(chǎn)品的碳資源［1］。生物質(zhì)成型燃料以秸稈、木屑、稻殼等農(nóng)林業(yè)剩余物為主要原料，用機械加壓的方法，使原本松散的原料壓縮成有一定形狀的成型燃料，最后制成成型環(huán)保燃料，熱值高、燃燒充分，是一種潔凈低碳的可再生能源。作為鍋爐燃料，它的燃燒時間長，強化燃燒爐膛溫度高，而且經(jīng)濟實惠，同時對環(huán)境無污染，是替代常規(guī)化石能源的優(yōu)質(zhì)環(huán)保燃料。

我國是花生種植大國，主要分布在山東、河南、河北、廣東等地區(qū)。其中，山東省種植面積最大，達(dá)80萬hm2，年產(chǎn)量高達(dá)11萬t;河南省種植面積約73萬hm2，僅次于山東省?；ㄉ鷼さ哪戤a(chǎn)量約378．19萬t［2］，一小部分用作飼料或直接燃燒，大部分被廢棄，造成資源的大量浪費。利用花生殼制作成型燃料，不僅可以回收資源，而且花生殼作燃料密度大、熱值高、耐焚燒，還可以減少S、N等氧化物對環(huán)境的污染。

由于生物質(zhì)成型燃料中無機元素(K、Na、Cl、S、Ca、Si、P等)含量較高，以鹽或氧化物的形式存在于生物質(zhì)原料內(nèi)，這些物質(zhì)的熔點相對較低，大部分為700～900℃［3］。當(dāng)生物質(zhì)成型燃料燃燒時，爐膛溫度高于堿金屬化合物的熔點，使其軟化并粘結(jié)在受熱面上，出現(xiàn)結(jié)渣、沾污等現(xiàn)象，不僅影響燃燒設(shè)備的熱性能，嚴(yán)重時還危及燃燒設(shè)備的安全運行。所以，對結(jié)渣特性進(jìn)行研究，有利于生物質(zhì)鍋爐的爐膛設(shè)計、受熱面的布置以及吹灰系統(tǒng)的設(shè)計。筆者研究花生殼固體成型燃料的結(jié)渣特性，為燃燒效率的提高提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗原料與儀器 原料為成型花生殼。主要儀器包括粉碎機、烘干箱、電子天平、馬弗爐、灰熔點測定儀、手持快速紅外測溫儀、等離子體發(fā)射光譜儀。

1．2 試驗方法 燃料的結(jié)渣性測定參照《煤的結(jié)渣性測定方法》(GB/T 1572-2001);燃料的灰渣成分測定參照《煤的元素分析方法》(GB/T 476-2001)。

2 結(jié)果與分析

2．1 花生殼成型燃料的熔融特征溫度 花生殼成型燃料的熔融特征溫度包括變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動溫度，分別為1 210、1 260、1 315、1 350 ℃。

2．2 基于灰熔融特征溫度的結(jié)渣特性評價 無論是燃煤鍋爐還是生物質(zhì)鍋爐，受熱面均會出現(xiàn)積灰、結(jié)渣等現(xiàn)象，生物質(zhì)鍋爐結(jié)渣現(xiàn)象更為嚴(yán)重。燃料在燃燒過程中，揮發(fā)性高的堿金屬最先揮發(fā)，揮發(fā)后的氣體部分凝結(jié)在煙氣中的細(xì)小顆粒上，使顆粒的表面粘性增強，粘附在管壁上，導(dǎo)致受熱面積積灰、結(jié)渣、腐蝕等。灰熔融特征溫度是判斷固體排渣層燃料結(jié)渣傾向的重要指標(biāo)之一，根據(jù)花生殼成型燃料的灰熔融特征溫度，來預(yù)測花生殼成型燃料的結(jié)渣傾向。

2．2．1 初始變形溫度。還原性氣氛中的初始變形溫度DT是預(yù)測爐內(nèi)結(jié)渣傾向的一種常用指標(biāo)。當(dāng)燃料的DT＞1 289℃時，燃料不結(jié)渣;當(dāng)DT為1 108～1 288℃時，中等結(jié)渣;當(dāng)DT＜1 107℃時，嚴(yán)重結(jié)渣。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對生物質(zhì)成型燃料結(jié)渣情況進(jìn)行預(yù)測，得出生物質(zhì)成型燃料的結(jié)渣性［4－7］?；ㄉ鷼こ尚腿剂系某跏甲冃螠囟葹? 210℃，由此推斷花生殼成型燃料具有中等結(jié)渣性。

2．2．2 軟化溫度。當(dāng)燃料的軟化溫度ST＞1 390℃時，燃料輕微結(jié)渣;當(dāng)ST為1 260～1 390℃時，中等結(jié)渣;當(dāng)ST＜1 260℃，嚴(yán)重結(jié)渣。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對花生殼成型燃料結(jié)渣情況進(jìn)行預(yù)測。花生殼成型燃料的軟化溫度為1 260℃，由此推斷花生殼成型燃料具有中等結(jié)渣性?；胰廴谔卣鳒囟鹊臏y定具有較大的誤差，只能粗略判斷爐內(nèi)的結(jié)渣傾向。而灰熔融特征溫度較高的燃料大都不具有結(jié)渣性，具有低等或中等灰熔融特征溫度的燃料需要結(jié)合其他判別方法進(jìn)行分析。

2．3 基于灰成分綜合比值的結(jié)渣傾向判斷 根據(jù)灰分的各成分含量計算堿酸比、鐵鈣比、硅比，判斷生物質(zhì)成型燃料的結(jié)渣傾向［8］?；ㄉ鷼こ尚腿剂匣以煞种?，Si、Fe、Ti、Ca、Mg、Na、K、Al含量分別為 26．8%、2．56%、0．32%、3．70%、2．04%、0．92%、5．66%、6．60%;SiO2、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O、Al2O3含量分別為 57．46%、3．65%、0．53%、5．05%、3．40%、1．53%、6．82%、9．54%。

2．3．1 堿酸比B/A。堿酸比是指灰分中堿性成分的含量與酸性成分含量的比值，計算公式為:B/A=(Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O)/(SiO2+Al2O3+TiO2)，式中 SiO2、Fe2O3等分別為干燥基灰組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在高溫的作用下，堿性氧化物和酸性氧化物會相互作用形成低熔點的共熔鹽，且酸性氧化物的熔點比堿性氧化物的熔點普遍要高。因此，可以用堿酸比來衡量燃料結(jié)渣的難易程度。根據(jù)堿酸比，將燃料的結(jié)渣傾向分為3個等級，即低等(＜0．206)、中等(0．206～0．400);高等(＞0．400)?；ㄉ鷼こ尚腿剂匣曳值膲A酸比為0．302，具有中等結(jié)渣傾向。

2．3．2 硅比G。硅比的計算公式為G=SiO2/(SiO2+CaO+MgO+Fe2O3)，式中分母大多為助熔劑，SiO2較大意味著灰渣粘度和灰熔點較高，因而G越大，結(jié)渣傾向越?。?］。花生殼成型燃料的硅比G=82．6%，根據(jù)表1，可判斷花生殼成型燃料具有輕微結(jié)渣傾向。

表1 利用硅比G判斷結(jié)渣傾向的界限值［10］ %

2．3．3 鐵鈣比。由于花生殼成型燃料燃燒時揮發(fā)分含量較高，與煙煤更相近，故按煙煤型灰判斷其結(jié)渣傾向。美國近年來用鐵鈣比作為判斷煙煤型灰的結(jié)渣指標(biāo)之一，當(dāng)鐵鈣比＜0．3 時，燃料不結(jié)渣;當(dāng)鐵鈣比為0．3 ～3．0 時，中等或嚴(yán)重結(jié)渣;當(dāng)鐵鈣比＞3．0時，不結(jié)渣［11］。花生殼成型燃料的鐵鈣比為0．72，說明花生殼成型燃料具有中等或嚴(yán)重結(jié)渣性。

2．4 花生殼成型燃料沾污特性評價 由于許多生物質(zhì)的灰份中K、Na等元素含量很高，造成灰的灰熔點下降?；胰埸c的下降會引起流化床的燃料粘結(jié)和換熱面灰污、結(jié)垢和腐蝕問題［12－13］。爐排上的結(jié)渣和對流受熱面上沾污的形成原理不同，但兩者相互影響?；ㄉ鷼こ尚腿剂先紵龝r揮發(fā)分含量較高，與煙煤相近，所以按煙煤型灰來判斷其沾污傾向。

2．4．1 沾污指數(shù)Rf。沾污指數(shù)Rf計算公式為(Na2O)，式中A/B為酸堿比;對于煙煤型灰，Na2O為煤灰中Na總含量。根據(jù)沾污指數(shù)Rf，煙煤型灰沾污傾向可以劃分為4 個等級，即低(＜0．2)、中(0．2 ～0．5)、高(0．5 ～1)、嚴(yán)重(＞1)?；ㄉ鷼こ尚腿剂险次壑笖?shù)Rf=0．051，所以其沾污傾向低［14］。

2．4．2 灰分中Na2O含量和當(dāng)量Na2O。堿金屬氧化物中Na2O的含量對鍋爐沾污影響最為嚴(yán)重，所以常用灰分中Na2O的含量和堿金屬氧化物的總含量來預(yù)測灰的沾污傾向。把Na2O含量按下式折算成當(dāng)量Na2O:當(dāng)量Na2O=，式中A為燃料的灰分;系數(shù)0．659為Na2O和K2O的摩爾當(dāng)量比?；ㄉ鷼こ尚腿剂系腘a2O含量為1．53%，當(dāng)量Na2O為0．15%，根據(jù)表2，可以判斷花生殼成型燃料具有低沾污傾向。

表2 利用灰分中Na2O含量和當(dāng)量Na2O來判斷沾污傾向

3 結(jié)論

采用不同方法判斷花生殼成型燃料的結(jié)渣特性及污染特性，結(jié)果表明花生殼成型燃料具有中等結(jié)渣傾向和低沾污傾向。為避免生物質(zhì)成型燃料在燃燒過程中出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，可以在生產(chǎn)過程中添加抗結(jié)渣劑，或采用固體排渣的方式。在設(shè)計生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備時，要結(jié)合不同生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性，合理布置爐膛結(jié)構(gòu)，盡量減少結(jié)渣現(xiàn)象，實現(xiàn)生物質(zhì)燃料的高效燃燒。

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