水洗及水浴對秸稈燃料燃燒結渣特性的影響

劉兵　李瑞華　馬孝琴　逄明華　陳彥新

摘要：堿金屬的存在使得生物質秸稈在燃燒過程中會出現結渣問題。采用水洗及水浴的方法對小麥稈、稻稈、玉米稈碎屑進行預處理，測定其燒結強度指數（SII值），考察水洗及水浴對秸稈燃燒結渣特性的影響。結果表明：秸稈經水洗及水浴預處理后，樣品的燒結強度指數明顯減小，可以達到緩解結渣的效果。

關鍵詞：秸稈；結渣；水浴；燒結強度指數

中圖分類號：TK6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）06-0030-04

生物質能源因其清潔性、可持續性、資源量巨大以及容易獲取等優點而成為世界熱門課題之一，許多國家都制定了生物質能源研究計劃。我國的生物質能源十分豐富，除了少部分用作家畜飼料和工業原料，其余都為農村炊事、取暖所用。在當前我國面臨經濟發展與環境保護雙重壓力的形勢下，改變能源結構、開發利用生物質等可再生能源對于可持續發展具有重大意義。

與煤相比，生物質燃料中堿金屬元素含量較高，這導致生物質在利用過程中存在積灰、結渣和腐蝕現象，嚴重影響鍋爐正常安全運轉。一般認為，生物質燃料中富含的鉀、鈉金屬與自身所含以及沙中的SiO2反應生成低熔點共晶體K2O·4SiO2，熔融的共晶體包裹在灰粒表面，被包裹的灰粒之間相互粘結，從而形成渣塊。因此，通過研究生物質燃料的燃燒特性及結渣特性，找到改善其結渣性能、抑制結渣問題的方法，具有重要意義。有研究表明，選擇合適的添加劑加入到生物質燃料中，使其在燃燒過程中與生物質中的元素反應，從而改變灰的成分，提高灰分的熔點，可達到緩解結渣的效果；或將生物質燃料與煤之間按一定比例進行混燒，從而改變灰分中礦物質比例。

本研究采用不同工況條件（即不同水浴溫度和水浴時間）對秸稈進行預處理，測定秸稈燒結強度指數，考察水洗及水浴對生物質秸稈燃燒結渣特性的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

試驗選用3種生物質原料：小麥稈、稻稈、玉米稈，均取自河南省新鄉市，在自然條件下風干。3種秸稈原料的工業分析結果見表1，其中Mad，Aad，Vad，FCad分別為秸稈空干基水分、灰分、揮發分和固定碳的質量分數；Q為單位熱量。3種秸稈原料的元素分析結果見表2。

1.2 儀器設備

AL140電子天平：梅特勒—托列多上海有限公司；JXL-620型節能馬弗爐；SIRION場發射掃描電鏡：SEN/EDS荷蘭FEI公司；高速粉碎機；電熱恒溫鼓風干燥箱；電熱恒溫水浴鍋。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗過程 原料水洗預處理：將3種生物質原料分別置于燒杯中，用去離子水浸泡1～2 min，撈出烘干；原料水浴預處理：將3種原料分別置于高溫水浴鍋中，在30，45，60，75，90 ℃下浸泡30 min和60 min。將經過預處理的原料分別在電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥12 h，確認干燥后取出，利用小型高速粉碎機將原料充分粉碎，然后過80目標準篩，得到小于0.2 mm粉末，備用。將以上各工況下制得的秸稈試樣分別在智能馬弗爐中進行快速灰化，測定各個試樣的燒結強度指數SII值，并對其規律性進行分析。

1.3.2 SII值計算方法 生物質灰分的燒結強度指數SII值，是指將80目的秸稈粉末試樣在一定的溫度下進行快速灰化，用具體數值替代直觀判斷來量化燒結程度。取瓷舟（質量記錄為mp），取80目以下的秸稈粉末試樣（質量記錄為m），在馬弗爐中以一定的溫度進行快速灰化，待恒重后記錄質量mt。

1） 當灰樣微熔時（即可用海綿條劃動時），將瓷舟和灰樣倒扣于80目篩子中，輕彈瓷舟底部，直至沒有灰落入篩子中，然后手動或在小型振動篩中篩灰，直至沒有灰粒掉落為止，掉落的灰粒質量記錄為ma，此時灰樣的燒結強度指數：SII=1-（ma/mt-mp），SII∈[0，1]。

2） 當燒結強度指數SII>1時（即用海綿條劃不動時），參照莫氏硬度法，參照物SII值見表3。

2 結果與分析

2.1 3種秸稈燒結強度指數

1） 不同水洗及水浴工況下小麥稈試樣燒結強度指數見表4，其燒結強度指數變化情況如圖1所示。

由表4和圖1可以看出：小麥稈800 ℃灰化時，相比于原樣，其水洗及水浴后燒結強度指數明顯減小；但隨著水浴溫度升高，水浴30 min和60 min的SII值減小幅度均逐漸降低。水浴30 min時60 ℃處理的緩解結渣效果最好，水浴60 min時30 ℃效果最好。小麥稈900 ℃灰化時，相比于原樣，其水洗及水浴后燒結強度指數明顯減小；但隨著水浴溫度升高，水浴30 min和60 min的SII值減小幅度均逐漸降低，當水浴溫度達到75 ℃后效果反而不如水洗處理。水浴30 min時30 ℃效果最好，水浴60 min時30 ℃效果最好。

2） 由于基本工況相同，稻稈和玉米稈的水洗及水浴工況和燒結強度指數不再用表格列出，只列出其燒結強度指數變化曲線，分別如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出：稻稈800 ℃灰化時，相比于原樣，水洗及水浴處理后燒結強度指數明顯減小；但隨著水浴溫度升高，水浴30 min和60 min的SII值減小幅度均逐漸降低。水浴30 min時30 ℃處理的緩解結渣效果最好，水浴60 min時30 ℃效果最好。稻稈900 ℃灰化時，相比于原樣，水洗及水浴處理后燒結強度指數明顯減小；但隨著水浴溫度升高，水浴30 min和60 min的SII值減小幅度均逐漸降低，當水浴溫度達到45 ℃后效果反而不如水洗處理。水浴30 min時30 ℃效果最好。

由圖3可以看出：玉米稈800 ℃灰化時，隨著水浴溫度升高，水浴30 min和60 min的SII值減小幅度均逐漸降低。水浴30 min時45 ℃處理的緩解結渣效果最好，水浴60 min時30 ℃效果最好。玉米稈900 ℃灰化時，相比于原樣，水洗及水浴處理后燒結強度指數明顯減小。水浴30 min時45 ℃和60 ℃效果最好，水浴60 min時90 ℃效果最好。endprint

2.2 灰樣分析

以稻稈灰樣（如圖4所示）為例，分析不同工況下灰樣的理化性質。

由圖4可以看出：經過預處理的秸稈灰樣，其結渣問題得到明顯改善。在相同灰化溫度、相同水浴時間條件下，不同水浴溫度的灰樣表面表現出不同的形式，具有一定的差異性。灰化溫度為800 ℃時，灰樣表面顏色變化不大，表面裂紋隨著水浴溫度升高逐漸變大。

3 結論

在生物質燃燒結渣特性試驗基礎上，研究不同水洗及水浴條件對生物質結渣性能的影響。結果表明：水洗及水浴處理對不同生物質的結渣性能影響略有差異。水洗處理后，小麥稈、稻稈、玉米稈燒結強度指數均顯著減小，緩解結渣效果較好；水浴處理后，小麥稈、稻稈、玉米稈燒結強度指數均顯著減小，緩解結渣效果較為理想，但均隨著水浴溫度升高而效果減弱。不同的是，小麥稈、稻稈均在水浴30 ℃時效果最好，而玉米稈則是水洗后效果最好。

參考文獻

[1] 劉圣勇，張白良，張全國，等.玉米秸稈成型燃料鍋爐的設計與試驗研究[J].熱科學與技術，2003，2（2）：71-75.

[2] 馬孝琴，秦建光，駱仲泱，等.添加劑對稻草灰熔融特性影響的實驗研究[J].浙江大學學報：工學版，2010，44（8）：103-109.

[3] 馬孝琴，駱仲泱，方夢祥，等.添加劑對秸稈燃燒過程中堿金屬行為的影響[J].浙江大學學報：工學版，2006，40（4）：44-50.

[4] TAN Z，LAGERKVIST A.Phosporus recovery from the biomass ash：review[J].Renewable and Sustainnable Ennergy Reviewsw，2011，15（8）：3 588-3 602.

[5] 袁艷文.添加劑對玉米秸稈顆粒燃燒結渣特性的影響[J].農業工程學報，2011，27（2）：99-103.

[6] 劉兵，李瑞華，馬孝琴.添加劑對玉米秸稈燃燒結渣特性的影響[J].河南科技學院學報：自然科學版，2015（1）：5-10，14.

[7] 劉兵，馬孝琴，安愛琴，等.添加劑對小麥秸稈燃燒結渣特性的影響研究[J].湖北農業科學，2016（6）：1 562-1 565，1 622.endprint