不同秸秆生物质灰的熔融烧结特性对比研究.pdf

2023 年 8 月2023 年第 8 期生物质能源是以生物质为载体产生的能量，可以通过植物的光合作用再生，与煤相比，生物质含有更多的 H，O 元素，N，S 元素含量低，因此生物质燃烧可以减少 SO2，NOx等有害气体的排放。更重要的是，随着中国“双碳”目标的提出，中国以煤炭发电为主的电力结构的转型已经迫在眉睫。生物质燃烧或气化发电不仅有助于推动中国碳减排战略的实施，还有助于减少 SO2，NOx等有害气体的排放，是符合当前中国低碳能源与低碳技术发展的双赢技术。然而，从生物质能热转化应用的现状来看，生物质在热转化利用过程中不可避免地产生大量的生物质灰，这些生物质灰的熔融特征温度低，在燃烧或气化过程中容易发生熔融结渣现象，严重影响锅炉或设备的运行效率，结渣严重时还可能导致锅炉腐蚀、换热器爆炸或爆管等事故。生物质灰的烧结特性是表征灰的沾污结渣和结垢倾向的性质，涉及灰的沉积团聚、流动及黏结强度等很多方面。烧结指的是一个过程，当温度低于熔点或共晶点时，粉末填充物就会升温，毛孔就会消失，体积就会缩小，最终密度变大，具有一定的强度1-3。整个自然界都是自发地从高能量不稳定状态转变为低能量稳定状态，对比大的物体，粉末颗粒具有更高的能量且状态不稳定，所以粉末颗粒要想处于热力学的稳定状态，就需要减小其表面积的接触从而释放能量，进而致使烧结不断进行4-5。国内外许多学者对生物质烧结结渣特性展开了研究。但目前对于沾污结渣主要集中于定性研究，缺少定量描述6-7。本文利用管式炉定量研究了不同温度及不同种类秸秆的烧结特性，并借助灰熔点测定仪结合结渣判别指标来判定或预测秸秆灰的沾污结渣程度，这对于进一步理解秸秆生物质灰的沾污结渣过程、寻求抑制或减少灰的沾污结渣的新的技术及方法等都具有重要实际意义。收稿日期：2023-02-07基金项目：国家自然科学基金项目 渊 52004055 冤 曰 辽宁省自然科学基金项目 渊2021-MS-103 冤曰 中央高校基本科研业务费项目 渊 N2101004 冤 曰国家级大学生创新创业训练计划项目 渊 221104 冤第一作者简介：康子健袁 2002 年生袁 男袁 辽宁沈阳人袁 主要从事安全工程研究遥通信作者：姚锡文袁 1987 年生袁 男袁 山东五莲人袁 博士袁 副教授袁主要从事生物质能安全尧 系统安全方面的研究遥不同秸秆生物质灰的熔融烧结特性对比研究康子健袁 姚锡文袁 刘清华袁 许开立袁 李怡霖袁 王硕松（东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819）摘要：研究选取小麦秆尧 玉米秆和稻秆作为实验原料袁 探究秸秆生物质灰的烧结和沾污结渣特性袁 同时结合结渣判别指标来判定或预测不同秸秆灰的沾污结渣程度袁 以期为生物质热转化设备的安全稳定运行提供理论依据和科学指导遥研究结果表明袁 烧结率越高袁 结渣程度越严重遥 在 800 益以下袁 烧结率从大到小依次是玉米秆灰尧 小麦秆灰尧 稻秆灰曰当温度升高到 1 000 益时袁 烧结率从大到小依次是玉米秆灰尧 稻秆灰和小麦秆灰遥 综合 3 种结渣判别指标结果发现袁 利用软化温度和灰熔融特性指数这两个指标来判定灰结渣程度更具有准确性遥关键词：秸秆曰 生物质灰曰 烧结特性曰 沾污结渣中图分类号：TK6文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0009-03Comparison of Melting and Sintering Characteristics of Different StrawBiomass AshKANG Zijian,YAO Xiwen,LIU Qinghua,XU Kaili,LI Yilin,WANG Shuosong(School of Resources&Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,Liaoning,China)Abstract:Wheat straw,corn straw and rice straw were selected as experimental materials to explore the sintering and fouling andslagging characteristics of straw biomass ash,and determine or predict the degree of fouling and slagging of straw ash incombination with slagging identification indicators,in order to provide theoretical basis and scientific guidance for the safe andstable operation of biomass thermal conversion equipment.The results show that the higher the sintering rate is,the more seriousthe slagging degree is.At 800 益,the sintering rate is corn straw ash,wheat straw ash and rice straw ash from the largest to thesmallest;when the temperature rises to 1 000 益,the sintering rate is corn straw ash,rice straw ash and wheat straw ash from thehighest to the lowest.The results of three slagging indicators show that it is more accurate to use the softening temperature andash fusion index(AFI)to determine the degree of ash slagging.Key words:straw;biomass ash;sintering characterization;fouling and slagging（总第 215 期）能源产业92023 年第 8 期2023 年 8 月1实验部分1.1实验灰样制备实验材料选用来自沈阳市周边农村的小麦秆、稻秆和玉米秸秆，利用气氛可控的管式炉，通过改变炉内的温度来制取灰。实验前称取实验原料放入管式炉内，接好装置，然后先通入大约 15 min 的 N2将管式炉内的空气充分排出，确保炉内气氛可控；继续通入 N2，流量 0.3 L/min，设置管式炉升温速率为 10/min，最高温度设置为 400，600，800；达到最高温度之后恒温 30 min，之后降温，降温阶段持续通入 N2，直到温度降到 100 以下。1.2灰熔融温度测定方法利用鹤壁市创新仪表有限公司生产的微机灰熔点测定仪进行灰熔融特征温度测试，灰熔点测定仪可利用微机对灰熔融性测定过程进行自动控制。目前没有专门测定生物质灰熔融特性的方法，所以引用国家标准 GB/T 2192008 煤灰熔融性的测定方法 来制备灰锥，利用灰熔点测定仪测定，通过摄像机记录三角灰锥特定形状变化下的温度，即变形温度（DT）、软化温度（ST）、半球温度（HT）、流动温度（FT）。具体操作步骤为：取 2 g 左右灰样置于容器中，加入数滴糊精溶液使其呈现结块状，再将其放入灰锥模具中挤压成型，然后将灰锥放置在托盘上，推入微机灰熔点测定仪，启动设备，测定该生物质灰的熔融特征温度。1.3生物质灰烧结率测定方法灰的烧结程度在一定范围内也可称为烧结强度，反映灰表面张力的大小，也指灰样相互连接的强度大小，因此使用烧结率这一指标来反映烧结的程度。具体步骤为：将不同的生物质秸秆灰样研磨至粒度为 150滋m 左右，然后用坩埚将其放在马弗炉内灼烧，在 400，600，800，1 000 温度下烧结，时间控制分别为灼烧 30 min 和 60 min。冷却之后在粒度为 74滋m 振动筛上振动 1 min，计算筛上灰样质量占所有灰样质量的百分比，即可获得秸秆灰在其烧结时间和温度下的烧结率8。烧结率计算公式如下：rs=m3/（m2-m1），(1)式中：rs为烧结率，m1为坩埚的质量，m2为坩埚和秸秆灰的总质量，m3为灰样净重。2结果与讨论2.1不同秸秆生物质灰烧结特性对比分析图 1 为不同秸秆灼烧灰的烧结率变化曲线图。当停留时间为 30 min 时，由图 1(a)可知，随着燃烧温度的升高，秸秆灰的烧结率逐渐升高。造成该现象的主要原因，一方面是温度升高会促使灰颗粒进行烧结，当温度不断升高至某一个值时，离子进行迁移的数目会剧烈增加；而另一方面是部分碱金属或者碱土金属的化合物或共熔体的熔点为 9001 100，这些化合物或者共熔体颗粒发生熔融团聚，使灰粒黏度变大，加快烧结过程。当坩埚表面有沉积物之后，沉积物增加，厚度增大，其表面温度逐渐升高到某一临界值，灰的烧结程度显著提高，从而形成结构致密紧实的渣块。说明烧结率越高，秸秆灰的结渣程度越严重。当烧结时间增加到 60 min 时，由图 1(b)可知，小麦秆灰、稻秆灰和玉米秆灰的烧结率变化规律与图 1(a)一致，这是因为烧结时间增加致使沉积层变厚，表面温度升高，使得灰渣更加致密。烧结时间的增加对烧结率的影响没有燃烧温度的影响大，由此可知燃烧温度对秸秆灰结渣程度的影响比烧结时间的影响更大。2.2基于灰熔融特征温度的灰分沾污结渣指数判定表 1 为不同秸秆灰的熔融特征温度的测定结果。图 1不同秸秆灼烧灰的烧结率变化曲线图(a)停留时间 30 min(b)停留时间 60 min9080706050403020100小麦秆灰；稻秆灰；玉米秆灰。4006008001 000温度/益小麦秆灰；稻秆灰；玉米秆灰。90807060504030201004006008001 000温度/益102023 年 8 月2023 年第 8 期通过对小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆在不同条件下产生灰分的熔点进行测定，同时结合结渣判断指标分析，可以预测在不同工况条件下的秸秆结渣程度。结渣判别指标主要包括变形温度、软化温度和灰熔融特性指数（Ash Fusion Index，AFI）。将生物质灰的结渣程度分为低、中、高和极高，如表 2 所示。表 2结渣判定指标单位：结合表 2 结渣判定指标范围标定可得到秸秆灰结渣程度判定结果，如表 3 所示。在 N2气氛下，以小麦秆灰为例，软化温度判定结果为在 600 和 800 下小麦秆的结渣程度均为中，400 下结渣程度为高。AFI 判定结果表明，在 400，600 和 800 时，小麦秆热解的结渣程度为极高或高，两者较为接近。而小麦秆灰变形温度判定结果与上述两者存在较大差距，稻秆灰与玉米秆灰也存在相同的情况。所以建议使用软化温度和 AFI 结合判定灰结渣程度更具有准确性。表 3N2热解条件下的结渣程度判定3结论本文采用不同温度和停留时间下秸秆灰的烧结率这一指标来反映烧结程度，在一定程度上可以定量表示秸秆的结渣严重程度，并利用灰熔融温度的测定结合结渣判断指标来判定或预测在不同热转化条件下秸秆灰的沾污结渣程度，所得结论如下。1)烧结率在一定程度上可以定量表示结渣程度，烧结率越高，结渣程度越严重。燃烧温度由 400 升高至 800 的过程中，小麦秸秆灰和玉米秸秆灰的烧结率缓慢增长，水稻秸秆灰的烧结率出现微弱下降；而当温度超过 800 时，3 种秸秆灰的烧结率均急剧增长，在 800 温度以下时烧结率从大到小依次是玉米秆灰、小麦秆灰、稻秆灰；当温度升高到 1 000 时，烧结率从大到小依次是玉米秆灰、稻秆灰和小麦秆灰。2)利用 3 种沾污结渣判定指标判定秸秆灰的结渣程度发现，利用变形温度作为结渣指数判定结渣程度与利用软化温度和 AFI 判定结渣程度时存在较大差异，综合小麦秆灰、玉米秆灰和稻秆灰的烧结率及熔融特征温度分析可知，同时利用软化温度和 AFI 这两种指标来判定灰结渣程度更具有准确性。4结束语目前对于生物质灰沾污结渣的研究主要集中于定性研究，缺少定量分析，而熔融烧结特性是反映灰沾污结渣的重要指标。以中国典型的小麦秆、玉米秆和稻秆等废弃物作为研究对象，探究了秸秆灰的熔融烧结特性，分析了不同温度对秸秆灰熔融烧结的影响规律，研究结果对于探索抑制秸秆灰沾污结渣的新方法具有重要意义。生物质灰沾污结渣判别多沿用煤灰的判别指标，存在一定的不适用性，下一步应尽快探索适用于生物质灰的沾污结渣预测方法。参考文献：1赖喜锐，周肇秋，刘华财，等.生物质灰烧结熔融规律实验研究 J.农业机械学报，2016，47(3)：158-166.2VASSILEV S，BAXTER D，ANDERSEN L，et al援An overview of thechemical composition of biomass J.Fuel，2010，89(5)：913-933.3LUAN C，YOU C F，ZHANG D K.Composition and sintering cha-racteristics of ashes from co-firing of coal and biomass in a labora-tory-scaledrop tube furnace J.Energy，2014，69：562-570援4AL-OTOOM A Y，ELLIOTT L K，MOGHTADERI B，et al.The sin-tering temperature of ash，agglomeration，and defluidisation in abench scale PFBC J.Fuel，2005，84(1)：109-114.5MCLENNAN A R，BRYANT G W，BAILEY C W，et al.An experi-mental comparison of the ash formed from coals containing pyriteand siderite mineral in oxidizing and reducing conditions J.Energy&fuels，2000，14(2)：308-315.6何骏鹏.影响煤灰烧结特性及沾污的因素研究 D.北京：华北电力大学，2015.7李风海，黄戒介，房倚天，等.小龙潭褐煤灰烧结温度影响因素的研究 J.洁净煤技术，2011，17(3)：57-60.8李志.黑液水煤浆沾污结渣烧结特性及工业炉燃烧试验研究 D.杭州：浙江大学，2005.（编辑：刘晓芳）表 1N2气氛下秸秆灰的熔融特征温度单位：实验样品DTSTHTFT400 益小麦秆灰9861 2331 3061 353600 益小麦秆灰1 0321 2781 3281 394800 益小麦秆灰1 0601 3091 3611 390400 益稻秆灰9701 1801 2531 303600 益稻秆灰1 0421 2281 3281 384800 益稻秆灰1 0701 2781 3641 398400 益玉米秆灰7081 1401 2321 258600 益玉米秆灰7391 2021 2381 264800 益玉米秆灰9641 2321 2561 260结渣判别指标结渣程度低中高极高DT跃1 000900 耀 1 000约900ST跃1 3901 260 耀 1 390约1 260AFI跃1 3421 232 耀 1 3421 052 耀 1 232约1 052实验样品DTSTAFI400 益小麦秆灰高高极高600 益小麦秆灰低中高800 益小麦秆灰低中高400 益稻秆灰中高极高600 益稻秆灰低高高800 益稻秆灰低中高400 益玉米秆灰高高极高600 益玉米秆灰高高极高800 益玉米秆灰中高高康子健，等：不同秸秆生物质灰的熔融烧结特性对比研究11