DOC《改善生物质燃料灰熔融性方法的研究的文献综述》

改善生物质燃料灰熔融性方法的研究的文献综述

0 前言 生物质能是一种清洁可再生能源,几乎不含硫、含氮很少,且具有CO2近零排放的优点.

据估计,地球上每年生物能总量约1 400亿~1 800亿千吨,相当于目前世界总能耗的10倍(((.现阶段生物质能源规模化利用的热点是生物质直接燃烧,生物质气化、液化技术[2] [3],随着应用的深入,在这些生物质能利用技术中一些问题不断出现,在生物质燃烧及热转化技术中,生物质的灰熔融性问题显得比较突出. 灰熔融性问题主要指燃料在使用过程中灰分容易熔融,灰分的熔融加剧了灰分在设备表面沉积粘结,对设备的正常运行及设备的寿命都会产生不利的影响[4][5].本文对目前生物质能利用中关于灰熔融性的问题进行总结分析,综述了生物质灰熔融性的影响因素及该问题解决的途径.

1 生物质灰分粘结熔融的原因 现有的研究结果认为造成生物质灰分容易熔融粘结的主要原因是生物质灰分中的碱金属(Na,K)含量比较高[6][7],碱金属盐本身的熔点较低,并且当多种碱金属盐与碱土金属共存时,将形成熔点更低的共熔体[8],特别是草本植物较木本植物其碱金属含量更高[7][9][10],如木材加工企业使用较多的木材杨树的木质部和杨树皮的软化温度可达1380℃[11],思茅松灰分的软化温度可达1280℃[12],而秸秆资源量比较丰富的麦秸秆和稻草的软化温度都在1000℃左右[6] . 除了生物质灰分本身的特性外,在流化床设备使用生物质过程中生物质灰易与床料发生反应,即生物质灰中的碱金属与使用较多的床料SiO2发生反应生成低熔点的物质,从而造成换热面结垢、清灰困难,甚至造成流化床床层堵塞,导致锅炉不能正常运行[9] [10] [13][14] [15].

2 解决生物质灰熔融粘结问题方法的研究现状 2.1控制炉膛温度 温度是影响对生物质灰熔融粘结影响的主要因素[16],温度上升到一定数值后灰分中碱金属的物理化学反应就变得比较活跃,容易形成一些低温共熔体,较低的炉膛温度是控制生物质积灰粘结的有效手段,Ergüdenler等发现以麦秸秆为原料的流化床设备的积灰和流化停滞现象对温度非常敏感,设备运行中温度高于800℃以上就会出现流化停滞的现象[14].同样,宁新宇等人,在小型鼓泡流化床实验装置上,以石英砂为床料,进行了不同温度下果木枝条成型燃料流化床燃烧床料粘结机理实验研究,试验结果表明,随着床层温度的升高,床层发生结团的时间明显减小,得出温度是影响生物质流化床燃烧床料粘结的重要因素的结论((((.较高的温度还会造成部分钾会蒸发,蒸发的钾会在过热器表面凝结,特别是遇到氯和硫以后,很容易引起受热面的结垢和腐蚀[17][18][19].因此在生物质燃用设备中,针对不同的原料,不同的燃烧设备,注意总结合适的工作温度对防止灰分的粘结具有重要意义. 2.2生物质与高灰熔点燃料进行混燃 (1)不同生物质的混燃:相较于秸秆类生物质,木质燃料的灰熔点相对较高,将两者混燃可以一定程度的改善单独使用秸秆生物质的粘结积灰问题[18] . (2)生物质与煤的混燃:生物质与煤混烧是比较常见的生物质直接燃烧利用途径,宁新宇所作的玉米秸秆与石煤的流化床混燃研究发现,采用玉米秸秆与石煤混烧的方式能够控制由于流化床中单独烧玉米秸秆所造成的床料黏结,原因在于石煤灰分中含有的 Al 和Fe 能够与玉米秸秆灰中的碱金属化合物以及低熔点共熔物发生化学反应生成高熔点物质,并且覆盖在玉米秸秆碳颗粒表面以及石英砂颗粒表面形成隔绝层,阻止低熔点物质的生成与迁移[20].此类研究也有不同结果,如徐晓光等做过粉状生物质与煤混燃的积灰研究,实验结果发现混燃过程中由于煤灰中带入的大量硅铝氧化物及生物质中带入的碱性金属的相互作用造成混和燃料积灰量显著增大[21].有学者所作的生物质与煤灰混合的灰熔点实验中发现,两者混合物的灰熔点相较于单独的燃用生物质有所提高,因此将两者混燃来改善单独燃用生物质的灰粘结积灰问题还是有开发潜力的[11],本文认为采用生物质型煤技术将两者混燃,会大大减少飞灰量,从而减少飞灰的粘结和沉积,此技术在改善生物质灰粘结积灰方法的应用还有待进一步研究. 2.3更换流化床床料及加添加剂 当前流化床床料使用比较多的是SiO2,SiO2很容易和碱金属发生反应.国内外替换床料的研究主要集中在碱土金属方面,常用的有石灰、石灰石、氧化铝、高岭土、白云石等[10][15].李诗媛分别以河砂、白云石、粘土和安化石煤灰为床料,研究了不同床料结团的难易程度,结果表明四种床料结团由易到难的顺序为:河砂>

白云石>

安化石煤灰分>

粘土.进一步研究表明床料中的铁、铝、钙、镁会减弱床料粘结,主要是这些元素与含碱金属元素的化合物反应形成絮状的高熔点物质,覆盖在结团的表面,阻止结团颗粒进一步长大,从而控制床料粘结和结团[15].刘仁平等人在0.2 MW循环流化床上进行实验,以棉杆为燃料,分别采用石英砂和高铝矾土颗粒作为床料,长时间稳定运行后发现:传统的石英砂颗粒床料不适合于棉杆生物质的循环流化床燃烧, 而高铝矾土由于只含有少量的SiO2,当用做循环流化床床料燃烧棉杆生物质时,长时间运行只会产生少量的结渣,对循环流化床的稳定运行影响不大((((. 通过加入添加剂改善生物质成型燃料的灰分沉积粘结研究相对比较多,文献报道常用的添加剂有石灰、石灰石、高岭土、白云石、氧化铝等,袁艳文等在实验室条件下将添加剂MgC

03、 CaC03,、A

1203、高岭土加入玉米颗粒燃料中,分析了几种添加剂对燃料抗结渣效果的影响[22],国内外还有其它学者采用SiO2,Al(OH)3,石膏,膨润土等作为添加剂分析其对改善生物质灰分熔融粘结问题的影响,研究结果显示部分添加剂实验室条件下能在一定程度上改善生物质灰分熔融粘结问题[23],M.J. Fernández Llorente在文献中提出大部分添加剂对生物质灰熔融粘结问题的改善主要还是因为添加剂的加入能稀释生物质灰分,个别添加剂(如高岭土)有可能与生物质灰分发生了化学反应[24].在添加剂的使用方面,添加剂改善生物质灰熔融粘结的机理研究相对比较少,同时使用添加剂改善生物质灰分熔融粘结问题的工程应用研究报道较少. 2.4液态排渣固体废弃物旋转燃烧技术 侯祥松等人提出了液态排渣固体废弃物旋转燃烧技术,该技术适用于各种较大粒径难于破碎的燃料和灰熔点较低的燃料,并且炉膛温度很高, 灰渣一般都能够形成液态,在旋转燃烧室的尾部,熔渣在重力的作用下流入渣井((((.

3 结论 目前对改善生物质燃料灰熔融性方法的研究还不完善,灰熔融性问题还有待我们进一步去试验、分析和解决.该问题的有效研究进展对人们充分高效的利用生物质能源有重要帮助,也为生物质锅炉的设计提供理论分析依据. 参考文献 吴创之,马隆龙主编.生物质能现代化利用技术[M].北京:化学工业出版社, 2003. 吴创之,周肇秋,等.我国生物质能源发展现状与思考[J].农业机械学报, 2009, 40(1): 90-99. 马隆龙.生物质能利用技术的研究及发展[J].化学工业,2007, 25(8):9-14. 张百良,王许涛,等.秸秆成型燃料生产应用的关键问题探讨[J].农业工程学报,2008, 24(7):296-299. 唐艳玲.稻秸热解过程中碱金属析出的实验研究[D].杭州:浙江大学,2004. 朗芳,马晓茜,等.秸秆灰特性研究[J].可再生能源,2007, 25(4): 25-28. M.J. FENáNDEZ LLORENTE, J.M. Murillo Laplaza, et al. Ash behaviour of lignocellulosic biomass in bubbling ?uidised bed combustion[J]. Fuel,

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