生物質(zhì)摻混比例對(duì)混煤灰分的影響分析

趙葉花

（國(guó)能銷(xiāo)售集團(tuán)山西煤炭采購(gòu)中心，山西 朔州 036000）

煤炭是人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源，但由于近年來(lái)無(wú)節(jié)制的開(kāi)發(fā)，煤炭資源已趨向枯竭，世界各國(guó)都在尋找替代能源。生物質(zhì)可再生，對(duì)環(huán)境污染小，資源分布廣泛，應(yīng)用最為廣泛[1]。按照一定摻配比例將生物質(zhì)與煤炭混合作為燃料，可有效降低燃煤用量，節(jié)約成本[2]。但生物質(zhì)灰中含有大量的Na、K 等堿金屬鹽類(lèi)，會(huì)在鍋爐內(nèi)積灰、結(jié)渣，甚至造成鍋爐腐蝕[3]。煤與生物質(zhì)混合燃燒可有效減少堿金屬鹽類(lèi)的含量，但應(yīng)注意摻配比例。

在現(xiàn)有的研究成果中，針對(duì)生物質(zhì)摻混比例對(duì)混煤灰分的影響的相對(duì)較少。為合理確定生物質(zhì)的最佳摻混比例，選取梧桐木與麥稈、煙煤，按照設(shè)計(jì)配比進(jìn)行摻配，并開(kāi)展試驗(yàn)確定試樣樣品的成灰時(shí)間和成灰溫度。通過(guò)對(duì)生物質(zhì)混煤灰分進(jìn)行分析，作為評(píng)定生物質(zhì)摻配比例對(duì)混煤灰分影響的重要依據(jù)。

1 試驗(yàn)樣品制備

試樣樣品制備生物質(zhì)選擇梧桐木與麥稈，磨細(xì)至80 目，煤種選用煙煤，磨至150 目[4]。分別在105 ℃下烘干，然后分別按照生物質(zhì)含量為10%、20%、30%、50%、70%、90%的比例與煙煤進(jìn)行摻配，摻配后放置在干燥器中備用。按照《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T 212-2008），并參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，試樣工業(yè)和元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤樣工業(yè)和元素分析結(jié)果

2 生物質(zhì)混煤成灰條件的確定

2.1 成灰時(shí)間的確定

灰化時(shí)間是采用成灰率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以燃燒后質(zhì)量不再發(fā)生變化的時(shí)間確定。按照20%的摻混比例分別將梧桐木、麥稈與煙煤混合，混合前將原材料磨細(xì)到80 目以下。然后將混煤試樣放置在馬弗爐中，并將溫度升高到700 ℃，分別放置1 h、2 h、3 h，冷卻后稱(chēng)取殘余重量見(jiàn)表2。

表2 不同灰化時(shí)間20%生物質(zhì)混煤殘余重量

通過(guò)分析表2 數(shù)據(jù)不難看出，灰化時(shí)間達(dá)到2 h 后，兩種生物質(zhì)混煤殘余重量基本沒(méi)有發(fā)生變化，因此確定兩種生物質(zhì)混煤成灰時(shí)間為2 h。

2.2 成灰溫度的確定

灰化溫度過(guò)高會(huì)降低生物質(zhì)中低熔點(diǎn)堿金屬化合物的含量，還容易產(chǎn)生輕微結(jié)渣現(xiàn)象。另外溫度過(guò)高還會(huì)造成低熔點(diǎn)堿金屬化合物產(chǎn)生表面熔融現(xiàn)象，粘結(jié)形成大顆粒。為了準(zhǔn)確確定生物質(zhì)混煤成灰溫度，采用電子顯微鏡對(duì)灰樣微觀形貌進(jìn)行分析，從而準(zhǔn)確確定成灰溫度。

2.2.1 梧桐木混煤成灰溫度確定

按照設(shè)計(jì)摻混比例將梧桐木與煙煤混合燃燒，然后將混煤灰放大10 000 倍后進(jìn)行觀察。判斷標(biāo)準(zhǔn)是顆粒狀態(tài)良好，未出現(xiàn)勃結(jié)現(xiàn)象，沒(méi)有形成密實(shí)的大顆粒，顆粒間有少許間隙，說(shuō)明灰化良好，所對(duì)應(yīng)的溫度記為成灰溫度。不同摻配比例梧桐木混煤成灰溫度見(jiàn)表3。

表3 不同摻配比例梧桐木混煤成灰溫度

2.2.2 麥稈混煤成灰溫度確定

與梧桐木相比，麥稈的灰熔點(diǎn)較低，采取同樣的摻配比例和試驗(yàn)方法使用電子顯微鏡對(duì)麥稈混煤灰進(jìn)行觀察，得出不同摻配比例麥稈混煤成灰溫度見(jiàn)表4。

表4 不同摻配比例麥稈混煤成灰溫度

3 生物質(zhì)摻混比例對(duì)混煤灰分的影響分析

3.1 生物質(zhì)混煤灰分組成分析

通過(guò)對(duì)不同摻配比例生物質(zhì)混煤的成灰過(guò)程進(jìn)行分析，其試驗(yàn)結(jié)果可作為燃燒裝置設(shè)計(jì)與混煤配置的參考依據(jù)。煙煤中含有Si、AI、Ca、Fe、Mg、K、Na、O、C、S、Cl、P 等多種元素，這些元素在煤灰中一般以低溫共融化合物的形式存在[5]。在分析生物質(zhì)摻灰比例對(duì)混煤灰分的影響時(shí)，通常以各主要元素所形成的氧化物作為分析對(duì)象。

由于生物質(zhì)中的Cl 含量遠(yuǎn)低于堿金屬的含量，因此ACl 的含量與Cl 的含量直接相關(guān)。生物質(zhì)灰成分中扣除ACl，剩余堿金屬氧化物用A2O 表示。其中ACl 主要包括KC1 和NaCl，A2O 主要包括Na2O、K2O、SiO2、A12O3、CaO、Fe2O3和MgO 等。由于ACl 的含量相對(duì)較少，本文主要對(duì)不同生物質(zhì)摻混比例的混煤燃燒后A2O 的變化情況進(jìn)行分析。

根據(jù)試驗(yàn)確定的成灰溫度與成灰時(shí)間，分別按比 例0%、10%、20%、30%、50%、70%、90%、100%將生物質(zhì)（梧桐木或麥稈）與煙煤進(jìn)行摻配，燃燒后對(duì)灰樣進(jìn)行EDS 分析，確定A2O 的變化情況，進(jìn)而得出生物質(zhì)摻配比例對(duì)混煤灰分的影響。

3.2 不同摻配比例生物質(zhì)混煤灰中Na2O、K2O變化情況

分析圖1 和圖2 所示兩種生物質(zhì)混煤灰中Na2O、K2O 含量變化曲線，與煙煤（摻混比例0%）相比，生物質(zhì)混煤灰中的K2O 含量明顯提高，且隨著生物質(zhì)摻混比例的增加，K2O 含量不斷升高，尤其是摻混比例達(dá)到50%以上，K2O 含量上升最明顯，說(shuō)明生物質(zhì)的摻配量與混煤灰中K2O 含量成正比。Na2O 與K2O 的變化趨勢(shì)有較大區(qū)別，這是由于Na不是植物生長(zhǎng)的必需元素，兩種生物質(zhì)與煙煤中Na的含量均較低。隨著兩種生物質(zhì)摻混比例的增加，混煤灰中Na2O 含量的變化幅度較小，變化不明顯。

圖1 梧桐木混煤灰中Na2O、K2O 含量變化曲線

圖2 麥稈混煤灰中Na2O、K2O 含量變化曲線

3.3 不同摻配比例生物質(zhì)混煤灰中SiO2、A12O3的變化情況

分析圖3 梧桐木混煤灰中SiO2、A12O3含量曲線變化情況，隨著梧桐木摻混比例的增加，混煤灰中SiO2和A12O3的含量不斷下降，這說(shuō)明煙煤灰中SiO2，A12O3的含量高于梧桐木。分析圖4 麥稈混煤灰中SiO2、A12O3含量曲線變化情況，Al2O3的含量不斷下降，麥稈摻混比例達(dá)到100%時(shí)含量幾乎為零，說(shuō)明麥稈灰中幾乎不含有Al2O3。隨著麥稈摻混比例的增加，混煤灰中SiO2的含量不斷增加，但上升幅度不大，說(shuō)明麥稈灰中A12O3的含量略高于煙煤。

圖3 梧桐木混煤灰中SiO2、A12O3 含量變化曲線

圖4 麥稈混煤灰中SiO2、A12O3 含量變化曲線

3.4 不同摻配比例生物質(zhì)混煤灰中CaO、Fe2O3和MgO 的變化情況

分析圖5 梧桐木混煤灰中CaO、Fe2O3和MgO含量變化曲線，當(dāng)梧桐木摻混比例不超過(guò)20%時(shí)，梧桐木混煤灰中CaO、MgO 的含量變化幅度很小；但梧桐木摻混比例達(dá)到30%以上時(shí)，CaO、MgO的含量明顯增加；隨著梧桐木摻混比例的增加，梧桐木混煤灰中Fe2O3的含量在小范圍內(nèi)波動(dòng)，總體變化較小。

圖5 梧桐木混煤灰中CaO、Fe2O3 和MgO 含量變化曲線

分析圖6 麥稈混煤灰中CaO、Fe2O3和MgO 含量變化曲線，當(dāng)麥稈摻混比例不超過(guò)30%時(shí)，麥稈混煤灰中MgO 的含量變化幅度較小，且含量在1%左右波動(dòng)，當(dāng)麥稈摻混比例達(dá)到30%以上時(shí)，MgO的含量明顯增加；隨著麥稈摻混比例的增加，麥稈混煤灰中CaO 的含量有所增加，但提高幅度不大，而Fe2O3的含量變化不明顯。

圖6 麥稈混煤灰中CaO、Fe2O3 和MgO 含量變化曲線

4 結(jié)論

為了研究生物摻混比例對(duì)混煤灰分的影響，選取梧桐木、麥稈分別按照規(guī)定比例與煙煤混合制作試樣，通過(guò)試驗(yàn)確定生物質(zhì)混煤成灰溫度和成灰時(shí)間，并對(duì)不同摻配比例生物質(zhì)混煤試樣灰分進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著梧桐木和麥稈摻混比例的增加，生物質(zhì)混煤灰中K2O、CaO、MgO 含量不斷提高，摻混比例超過(guò)50%時(shí)K2O 含量增加幅度最為明顯，摻混比例超過(guò)30%時(shí)CaO、MgO 的含量增幅明顯；而隨著梧桐木摻混比例的增加，F(xiàn)e2O3、Na2O 的含量增幅較小，說(shuō)明梧桐木灰中CaO、MgO 的含量明顯高于煙煤，而Fe2O3的含量略高于煙煤，幾乎不含有Na2O。

（2）隨著梧桐木摻混比例的增加，混煤灰中SiO2和A12O3的含量不斷下降，這說(shuō)明煙煤灰中SiO2、A12O3的含量高于梧桐木。

（3）隨著麥稈摻混比例的增加，麥稈混煤灰中MgO 的含量明顯增加，當(dāng)麥稈摻混比例超過(guò)30%時(shí)最為明顯；而CaO、SiO2含量提高幅度不大，F(xiàn)e2O3的含量變化不明顯，說(shuō)明麥稈灰中MgO的含量明顯高于煙煤，CaO、SiO2含量略高于煙煤，F(xiàn)e2O3的含量與煙煤接近。

（4）隨著麥稈摻混比例的增加，麥稈混煤灰A12O3含量不斷下降，說(shuō)明基本不含有Al2O3。