東北地區(qū)草本生物質(zhì)灰熔融及結(jié)渣特性 實(shí)驗(yàn)研究

周偉健，潘佩媛，張乃強(qiáng)

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 國(guó)家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

隨著我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出和十四五能源規(guī)劃的發(fā)布，降低化石能源發(fā)電在我國(guó)整個(gè)電力結(jié)構(gòu)中的占比和大力發(fā)展可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。而可再生能源發(fā)電中的生物質(zhì)能發(fā)電更具零碳排放甚至負(fù)碳排放的優(yōu)勢(shì)[1-6]，所以積極推進(jìn)生物質(zhì)能發(fā)電對(duì)建設(shè)低碳、清潔、高效的能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。

生物質(zhì)發(fā)電目前以農(nóng)林生物質(zhì)固體燃料為主，而其堿金屬、堿土金屬和Cl元素含量較高[7-10]，會(huì)使生物質(zhì)鍋爐煙氣側(cè)極易發(fā)生結(jié)渣、積灰和腐蝕等問(wèn)題[11-14]，嚴(yán)重影響生物質(zhì)鍋爐的正常運(yùn)行。生物質(zhì)鍋爐在運(yùn)行中發(fā)生沾污結(jié)渣主要由生物質(zhì)本身的灰熔融特性決定，而灰熔融特性又取決于灰分的物質(zhì)組成。目前，針對(duì)煤灰和污泥耦合燃煤的灰熔融特性及預(yù)測(cè)煤灰沾污結(jié)渣情況的研究已趨于完善[15-22]，但生物質(zhì)灰的灰熔融特性與煤灰存在較大差異。因此，對(duì)生物質(zhì)灰的熔融結(jié)渣特性以及沾污結(jié)渣預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行深入研究十分必要。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取中國(guó)東北地區(qū)常見的7種生物質(zhì)樣品：花生秧、花生殼、稻殼、稻草、玉米芯、玉米秸、地瓜秧為實(shí)驗(yàn)原料，用粉碎機(jī)分別將7種生物質(zhì)樣品充分粉碎，收集粒徑小于0.425 mm的粉末。

1.2 生物質(zhì)灰樣品制備

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法》（GB/T 28731—2012）在550 ℃下制取生物質(zhì)灰樣品[23]。將7種生物質(zhì)樣品分別置于灰皿上送入處于室溫下國(guó)產(chǎn)DC-B-1馬弗爐的恒溫區(qū)，關(guān)閉爐門并使?fàn)t門留有15 mm縫隙；從室溫加熱1 h至250 ℃，并在250 ℃下保溫1 h后，繼續(xù)加熱1 h至550 ℃，保持恒溫3 h；最后灼燒至樣品粉末全部灰化，之后用瑪瑙研缽將生物質(zhì)灰顆粒研至粒徑小于0.1 mm，得到生物質(zhì)灰樣品。

1.3 微觀形貌及物質(zhì)組成分析方法

使用美國(guó)賽默飛公司的 ARLAdvantX IntellipowerTM3600的X射線熒光光譜儀，對(duì)所制生物質(zhì)灰樣品進(jìn)行X射線熒光（XRF）元素分析；采用德國(guó)布魯克公司的BRUCKER D8 ADVANCE型X射線粉末衍射儀，對(duì)7種生物質(zhì)灰樣的物質(zhì)組成進(jìn)行X射線衍射（XRD）表征分析；生物質(zhì)灰樣品的微觀形貌特征通過(guò)對(duì)7種生物質(zhì)灰樣品表面進(jìn)行噴金處理后使用德國(guó)ZEISS公司生產(chǎn)的GeminiSEM 300型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行掃描電子電鏡-X射線能譜（SEM-EDS）分析。

1.4 熔融特性分析方法

1.4.1 測(cè)定生物質(zhì)灰灰熔融溫度

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《固體生物灰燃料灰熔融性測(cè)定方法》（GB/T 30726—2014）[24]，采用中國(guó)開元公司生產(chǎn)的5E-AF4000自動(dòng)測(cè)定儀使用封碳法在弱還原氣氛下分別測(cè)定了7種生物質(zhì)灰的變形溫度DT（deformation temperature）、軟化溫度ST（sphere temperature）、半球溫度HT（hemisphere temperature）和流動(dòng)溫度FT（flow temperature）。

1.4.2 熔融過(guò)程生物質(zhì)灰灰錐形態(tài)

生物質(zhì)灰在熔融過(guò)程中灰分的形態(tài)通過(guò)智能灰熔融立式測(cè)試儀的工業(yè)攝像機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍攝記錄。將生物質(zhì)灰樣品從環(huán)境溫度以20 ℃/min的速度加熱到700 ℃，然后以5 ℃/min的速度加熱到1 500 ℃；當(dāng)溫度超過(guò)700 ℃時(shí)，每間隔1 ℃用攝像機(jī)拍攝1張灰錐形態(tài)照片，所得照片用圖像分析軟件對(duì)灰錐的面積進(jìn)行測(cè)量。基于生物質(zhì)灰在700 ℃的初始面積，運(yùn)用公式(1)計(jì)算灰錐各溫度下面積的收縮率f[25]。以灰錐面積收縮率的變化表征生物質(zhì)灰的熔融速率。

式中：S0為生物質(zhì)灰在700 ℃的面積；S為生物質(zhì)灰在特定溫度下的面積。

2 生物質(zhì)灰微觀形貌及物質(zhì)組成

2.1 生物質(zhì)灰SEM-EDS分析

圖1為不同生物質(zhì)灰樣品EDS結(jié)果。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，在550 ℃灰化溫度下7種生物質(zhì)灰都含有未燃盡C，除花生殼、稻草及稻殼外其他4種生物質(zhì)灰的未燃盡C含量都較高。

圖1 灰化溫度為550 ℃時(shí)7種生物質(zhì)灰樣品SEM-EDS Fig.1 SEM-EDS of seven kinds of biomass ash when the ashing temperature is 550 ℃

由圖1還可見，玉米芯灰的組成元素主要由K、Cl、S、Si、O組成，550 ℃玉米秸灰的未燃盡C含量高于玉米芯灰，但兩者K含量都較高，玉米秸灰的Ca和Mg含量高于玉米芯灰。花生殼的K、Si、Mg、O、Al、Ca、Fe元素含量較高。稻草的Si和O的衍射峰最高，然后是K、Mg、Ca、Cl等元素，表明構(gòu)成多孔結(jié)構(gòu)的主要物質(zhì)有SiO2、氯鹽、鉀鹽等礦物成分。稻殼的Si和O衍射峰最高，即稻殼所含主要物質(zhì)為SiO2。地瓜秧灰中的主要成分是以K、Na、Cl、Ca、S、O組成的化合物，而K元素的衍射峰遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于除了O元素以外的其他元素的峰，灰粒表面存在富K現(xiàn)象。

觀察不同倍率下7種生物質(zhì)灰樣品的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，玉米秸的灰粒形態(tài)可以分為棒狀、片狀及塊狀，玉米芯灰已經(jīng)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，灰渣表面粘附有絮狀物質(zhì)。玉米秸灰的灰粒表面絮狀物質(zhì)少于玉米芯灰，生物質(zhì)原有骨架結(jié)構(gòu)的破壞程度要低于玉米芯灰。在5 000×的放大倍率下550 ℃的花生殼灰表面也粘連有絮狀物質(zhì)，維持花生殼骨架結(jié)構(gòu)的大顆粒物質(zhì)在高溫下已部分被破壞，經(jīng)灼燒后改變了原有形態(tài)。550 ℃下花生秧仍部分留有花生秧生物質(zhì)原有骨架特征，在5 000×的放大倍率下可以看到花生秧的纖維桿狀、導(dǎo)管狀及其原始多孔結(jié)構(gòu)，且存在一定量的絮狀物質(zhì)，絮狀物質(zhì)的表面粘附有許多微小顆粒，表明花生秧灰在550 ℃下已經(jīng)出現(xiàn)輕微粘結(jié)。部分稻草灰灰粒表面附著有大量絮狀物質(zhì)，并可以觀察到灰粒內(nèi)部原有的生物質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，多孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成了生物質(zhì)的基本骨架特征。掃描電鏡下觀察到的稻殼灰形態(tài)大致可以分為橢球狀、片狀、塊狀和棒狀等，從圖中未能發(fā)現(xiàn)明顯的絮狀物質(zhì)，灰粒間粘連現(xiàn)象較少。

2.2 生物質(zhì)灰元素組成

7種不同生物質(zhì)灰樣品的XRF元素組成分析結(jié)果見表1。由表1可見：玉米芯灰的K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，花生殼灰Al2O3和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，花生秧灰MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于其他6種生物質(zhì)灰，地瓜秧灰CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，稻殼灰SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高。本文重點(diǎn)以含量較多的堿性氧化物K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3，及酸性氧化物SiO2、Al2O3為研究對(duì)象[26-27]

表1 7種生物質(zhì)灰樣品成分分析 w/% Tab.1 Composition analysis of seven kinds of biomass ash samples

2.3 生物質(zhì)灰物質(zhì)組成

對(duì)7種生物質(zhì)灰樣品進(jìn)行XRD表征分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見：在550 ℃灰化條件 下，玉米秸灰和玉米芯灰的物質(zhì)組成主要為KCl和K2SO4；花生殼灰主要物質(zhì)組成為SiO2、KCl、K2SO4；花生秧灰主要由KCl、K2SO4、MgO、SiO2、碳酸鹽和硅酸鹽構(gòu)成；地瓜秧灰主要由KCl、K2SO4構(gòu)成；稻殼灰主要成分則為SiO2；稻草灰的成分是這7種生物質(zhì)灰中物質(zhì)組成最簡(jiǎn)單的，分別為KCl、K2SO4、SiO2。由此可見，構(gòu)成這7種生物質(zhì)灰的主要成分為KCl、K2SO4、SiO2、MgO和其他鹽類，該結(jié)果與XRF分析結(jié)果相吻合。

圖2 7種生物質(zhì)灰XRD分析結(jié)果 Fig.2 XRD analysis results of seven kinds of biomass ash

3 生物質(zhì)灰熔融特性

3.1 生物質(zhì)灰熔點(diǎn)分析

生物質(zhì)灰熔融特征溫度為變形溫度DT、軟化溫度ST、半球溫度HT、流動(dòng)溫度FT，其測(cè)定結(jié)果及各特征溫度下灰錐形貌如圖3所示。由圖3可見，玉米秸灰、花生殼灰、花生秧灰、稻草灰和稻殼灰的軟化溫度均超過(guò)1 000 ℃，其中花生秧灰和稻殼灰軟化溫度已超1 300 ℃，而玉米芯和地瓜秧的軟化溫度則均低于900 ℃。

圖3 7種生物質(zhì)灰熔融特征溫度 Fig.3 The melting characteristic temperatures of seven kinds of biomass ash

3.2 生物質(zhì)灰熔融過(guò)程灰錐形態(tài)分析

國(guó)內(nèi)外一些研究中有學(xué)者用初始變形溫度（IDT）作為參考溫度[28]。在工程上，一般采用軟化溫度來(lái)表征灰熔融溫度，本研究采用軟化溫度作為判別生物質(zhì)沾污結(jié)渣的參考溫度。運(yùn)用圖像分析軟件對(duì)各生物質(zhì)灰在不同熔融溫度下的灰錐面積進(jìn)行 提取，根據(jù)公式(1)繪制生物質(zhì)灰錐面積收縮率曲線，結(jié)果如圖4和圖5所示。根據(jù)圖4和圖5收縮曲線變化趨勢(shì)的不同，可以將7種生物質(zhì)灰分成兩大類，并按軟化溫度由低到高的順序排列，結(jié)果見表2。

表2 7種生物質(zhì)灰熔融階段 Tab.2 The melting stage of seven kinds of biomass ash

圖4 稻草與地瓜秧不同灰熔融溫度下收縮率變化曲線 Fig.4 The shrinkage rate curves of rice straw and sweet potato seedlings at different ash melting temperatures

圖5 5種生物質(zhì)灰不同灰熔融溫度下收縮率變化曲線 Fig.5 The shrinkage rate curves of five kinds of biomass ashes at different ash melting temperatures

3.2.1 第1類稻草和地瓜秧

第1類是以稻草和地瓜秧為代表的收縮曲線波動(dòng)震蕩幅度較大的生物質(zhì)。其特征是收縮曲線沒有穩(wěn)定階段，700 ℃時(shí)收縮曲線已經(jīng)開始發(fā)生變化，由此可以推測(cè)稻草和地瓜秧在熔融溫度低于700 ℃時(shí)發(fā)生了初始熔融[29]。Siim Link等[30]指出混合燃料的灰熔融行為不僅取決于物質(zhì)組成，還取決于單一燃料礦物質(zhì)的含量，當(dāng)含鉀和含硅燃料混合時(shí)，低熔點(diǎn)共晶是可能的。

①稻草灰在整個(gè)熔融過(guò)程中分為6個(gè)階段：初始擴(kuò)張階段I、收縮階段I、微擴(kuò)張階段Ⅱ、微收縮階段Ⅱ、擴(kuò)張階段Ⅲ、快速熔融階段。稻草灰在700 ℃左右首先發(fā)生面積擴(kuò)張，初始擴(kuò)張階段I的熔融速率要大于收縮階段I，絕對(duì)值增幅在0.05%/℃左右，微擴(kuò)張階段Ⅱ的熔融速率高于微收縮階段Ⅱ約0.045%/℃。在快速熔融階段收縮速率急劇上升，難熔物質(zhì)全部熔化，收縮速率大于之前任一階段。

②地瓜秧灰也在整個(gè)過(guò)程分為5個(gè)階段：初始收縮階段I、擴(kuò)張階段I、收縮階段Ⅱ、穩(wěn)定波動(dòng)階段、快速熔融階段。與稻草灰不同的是地瓜秧灰首先發(fā)生的是面積收縮階段，且之后存在一段類似等幅震蕩的穩(wěn)定波動(dòng)階段，該階段平均收縮速率在0.039 39%/℃。此后，進(jìn)入快速熔融階段，平均收縮速率為1.414 7%/℃，達(dá)到最大值，難熔物質(zhì)全部熔化，地瓜秧灰自身骨架結(jié)構(gòu)徹底坍塌，致使熔融速率加快。

3.2.2 第2類花生秧、花生殼、稻殼、玉米芯、玉米秸

這5種生物質(zhì)灰收縮率變化曲線的共同點(diǎn)為：在熔融初期都存在一個(gè)穩(wěn)定階段；當(dāng)熔融溫度逐漸升高接近變形溫度時(shí)，平均收縮速率呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，熔融速率快速增大。不同的是花生殼灰有3個(gè)穩(wěn)定階段，花生秧灰有2個(gè)穩(wěn)定階段。根據(jù)Jung等人[31]提出的在溫度達(dá)到新熔體形成溫度之前，灰渣熔融暫停，待新熔體形成后，隨著溫度的升高，收縮繼續(xù)，灰分面積擴(kuò)大，從而證明花生殼灰存在3種共熔體系，花生秧灰存在2種共熔體系，熔點(diǎn)低的共熔物先熔，熔點(diǎn)高的共熔物后熔。其余3種生物質(zhì)稻殼、玉米芯、玉米秸熔融中間階段未發(fā)現(xiàn)明顯穩(wěn)定階段。

3.3 三元體系中典型氧化物對(duì)生物質(zhì)灰熔點(diǎn)影響

根據(jù)生物質(zhì)灰XRF的測(cè)試結(jié)果，灰成分含量較多及對(duì)灰熔點(diǎn)影響較大的成分是K2O、SiO2、MgO、CaO。Al2O3也可提高灰熔融溫度[14,32-33]，但除花生殼灰的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高外，其余生物質(zhì)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在3%左右，與SiO2形成硅鋁酸鹽的量極為稀少。因此，認(rèn)為此7種生物質(zhì)灰中除花生殼灰外，Al2O3不是影響灰熔點(diǎn)的主要因素。

高溫下K2O、SiO2、MgO、CaO、Al2O3存在復(fù)雜相轉(zhuǎn)化體系，借助三元相圖以便分析不同灰成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)灰熔點(diǎn)的影響。選取堿金屬氧化物中具有代表性的K2O和Na2O，堿土金屬氧化物中具有代表性的SiO2和Al2O3，以及可能提高灰熔點(diǎn)的氧化物CaO、MgO、Fe2O3，對(duì)這3類組分進(jìn)行有選擇的排列組合后，再將其質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行歸一化處理，并繪制三元相圖，結(jié)果如圖6—圖9。根據(jù)7種生物質(zhì)灰的軟化溫度大小和生物質(zhì)鍋爐結(jié)渣難易程度對(duì)應(yīng)溫度范圍，將三相圖分成高中低3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。其中點(diǎn)1—點(diǎn)7依次代表玉米秸、玉米芯、花生殼、花生秧、地瓜秧、稻草、稻殼。

圖6 (K2O+Na2O)-CaO-(SiO2+Al2O3)系對(duì)生物質(zhì)灰熔點(diǎn)影響三元相圖 Fig.6 The ternary phase diagram of the influence of (K2O+Na2O)-CaO-(SiO2+Al2O3) system on the melting point of biomass ashes

圖9 (K2O+Na2O)-(CaO+MgO+Fe2O3)-(SiO2+Al2O3)系對(duì)生物質(zhì)灰熔點(diǎn)影響三元相圖 Fig.9 The ternary phase diagram of the influence of (K2O+Na2O)-(CaO+MgO+Fe2O3)-(SiO2+Al2O3) system on the melting point of biomass ashes

3.3.1 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

三元相圖中玉米芯灰（點(diǎn)2）、地瓜秧灰（點(diǎn)5）的K2O與Na2O歸一化百分比高于60%，SiO2和Al2O3歸一化百分比低于30%，軟化溫度基本分布在730～860 ℃，處在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。高含量的堿金屬鹽會(huì)加劇生物質(zhì)鍋爐的結(jié)渣趨勢(shì)，降低生物質(zhì)灰熔融溫度。所以，在生物質(zhì)鍋爐實(shí)際燃燒運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)減少地瓜秧和玉米芯的摻燒比例。

3.3.2 中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

當(dāng)生物質(zhì)灰中SiO2和Al2O3的歸一化百分比接近或高于30%時(shí)，此時(shí)軟化溫度均已達(dá)到1 000 ℃，且越遠(yuǎn)離高高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，軟化溫度越高。此時(shí)，玉米秸（點(diǎn)1）、花生殼（點(diǎn)3）、稻草（點(diǎn)6）處于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。但點(diǎn)3軟化溫度卻明顯高于點(diǎn)1、點(diǎn)6，達(dá)到1 183 ℃，為中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)軟化溫度的最大值。結(jié)合XRF分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3的Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，因此針對(duì)點(diǎn)3軟化溫度的增大，有必要考慮Fe2O3的影響（圖9）。Fe2O3是可以提高生物質(zhì)灰熔融溫度和減輕生物質(zhì)鍋爐發(fā)生熔融結(jié)渣的一種良好的添加劑，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中添加少量Fe2O3就可減緩結(jié)渣現(xiàn)象。另外，其余6種生物質(zhì)灰Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于花生殼（點(diǎn)3），所以其他生物質(zhì)灰在加入Fe2O3后并未發(fā)生明顯變化，只有點(diǎn)3提高?？梢姡現(xiàn)e2O3是提高點(diǎn)3灰熔融溫度的重要因素。當(dāng)不考慮CaO、Fe2O3時(shí)（圖7），中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)點(diǎn)1、點(diǎn)3、點(diǎn)6的連線近似為一條直線，無(wú)法體現(xiàn)出點(diǎn)3軟化溫度高于其他兩點(diǎn)，顯然該趨勢(shì)與實(shí)際情況不符。所以選擇將CaO、Fe2O3加入到三相圖中 （圖8），點(diǎn)3高于點(diǎn)6，只加入CaO則點(diǎn)3向上發(fā)生了位移；再加入Fe2O3后（圖9），點(diǎn)3繼續(xù)向上發(fā)生了一定的位移，恰往遠(yuǎn)離高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)移動(dòng)。因此，證明CaO和Fe2O3可以作為提高灰熔融溫度的添加劑。

圖7 (K2O+Na2O)-MgO-(SiO2+Al2O3)系對(duì)生物質(zhì)灰熔點(diǎn)影響三元相圖 Fig.7 The ternary phase diagram of the influence of (K2O+Na2O)-MgO-(SiO2+Al2O3) system on the melting point of biomass ashes

圖8 (K2O+Na2O)-(CaO+MgO)-(SiO2+Al2O3)系對(duì)生物質(zhì)灰熔點(diǎn)影響三元相圖 Fig.8 The ternary phase diagram of the influence of (K2O+Na2O)-(CaO+MgO)-(SiO2+Al2O3) system on the melting point of biomass ashes

3.3.3 低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)

處于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的生物質(zhì)灰有點(diǎn)4和點(diǎn)7。造成 點(diǎn)4軟化溫度顯著升高的主要因素為MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，這一點(diǎn)也可以在XRF、XRD的分析結(jié)果中得到。而點(diǎn)7的軟化溫度升高則是因?yàn)槠錁O高的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在三元相圖中具體表現(xiàn)為接近SiO2+Al2O3一邊，即熔融溫度越高越遠(yuǎn)離堿金屬氧化物一邊。

4 預(yù)測(cè)生物質(zhì)灰沾污結(jié)渣指標(biāo)

目前我國(guó)并未出臺(tái)預(yù)測(cè)和判別生物質(zhì)灰沾污結(jié)渣特性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。而已有多種基于煤灰灰成分及灰熔融特征溫度的指標(biāo)[22,34]，來(lái)預(yù)測(cè)煤的沾污結(jié)渣情況。結(jié)合表1的XRF分析結(jié)果，得到 7種生物質(zhì)灰的沾污結(jié)渣傾向見表3[22,34-35]。按照燃煤指標(biāo)計(jì)算后的結(jié)果中只有少數(shù)為輕微結(jié)渣，其他均為嚴(yán)重或中度結(jié)渣傾向，這與灰熔融溫度測(cè)試結(jié)果存在較大差異。所以沿用燃煤的指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)和判斷生物質(zhì)結(jié)渣傾向是不可行的，這些指標(biāo)則不適用于預(yù)測(cè)生物質(zhì)灰沾污結(jié)渣特性。需要探尋適用于生物質(zhì)沾污結(jié)渣的新指標(biāo)。

表3 7種生物質(zhì)灰沾污結(jié)渣傾向 Tab.3 The fouling and slagging tendency of seven kinds of biomass ash

在生物質(zhì)鍋爐實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，為減少結(jié)渣，爐內(nèi)燃燒溫度一般控制在950 ℃左右[11]。通常酸性氧化物含量越高，灰熔融溫度越高，起到減緩結(jié)渣的作用就越強(qiáng)；堿性氧化物含量越高，灰熔融溫度越低，可以起到助熔作用[36]。根據(jù)7種生物質(zhì)灰中堿金屬氧化物與堿土金屬氧化物含量的關(guān)系及軟化溫度的高低，提出判別生物質(zhì)熔融結(jié)渣指標(biāo)J：

當(dāng)J<1時(shí)，具有嚴(yán)重結(jié)渣傾向；當(dāng)1≤J＜2時(shí)，具有中等結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)；J≥2，具有較低結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)。

7種生物質(zhì)灰J指標(biāo)判別結(jié)果見表4。

由表4可以看出，玉米芯和地瓜秧具有嚴(yán)重結(jié)渣傾向，而玉米秸、花生殼則呈現(xiàn)出中等結(jié)渣趨勢(shì)，花生秧以及稻草和稻殼呈現(xiàn)出較低結(jié)渣的趨勢(shì)。這與灰熔融測(cè)試結(jié)果及生物質(zhì)灰收縮率變化曲線相吻合。

表4 7種生物質(zhì)灰J指標(biāo)判別結(jié)果 Tab.4 The discriminating results of index J for seven kinds of biomass ash

5 結(jié) 論

1）分析了7種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)花生秧、花生殼、稻殼、稻草、玉米芯、玉米秸、地瓜秧的灰熔融收縮曲線可知，收縮曲線出現(xiàn)分段，每一段平臺(tái)說(shuō)明存在熔融共晶現(xiàn)象，每一段代表一個(gè)共熔體系；而生物質(zhì)灰收縮曲線沒有發(fā)生分段，則說(shuō)明該生物質(zhì)可能在更低溫度下已經(jīng)發(fā)生熔融共晶。其中，KCl、K2SO4等堿金屬氯化物和硫酸鹽會(huì)形成低熔點(diǎn)共熔物，在較低溫度范圍內(nèi)就已發(fā)生共熔。

2）只要遠(yuǎn)離三元體系中高堿金屬三角區(qū)（高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)），生物質(zhì)的結(jié)渣趨勢(shì)就會(huì)得到極大緩解。添加一定量的SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3，可在一定程度上提高生物質(zhì)灰的灰熔融溫度。

3）提出適用于判別生物質(zhì)熔融結(jié)渣指標(biāo)J。當(dāng)J<1時(shí)，生物質(zhì)灰具有嚴(yán)重結(jié)渣傾向；當(dāng)1≤J＜2時(shí)，生物質(zhì)灰具有中等結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)J≥2時(shí)，生物質(zhì)灰具有較低結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)。

4）可采用摻燒高熔點(diǎn)生物質(zhì)等方法，抑制玉米芯和地瓜秧等低熔點(diǎn)生物質(zhì)灰發(fā)生結(jié)渣。