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生物質(zhì)是一種貯存太陽能的可再生能源，用現(xiàn)代技術(shù)可以轉(zhuǎn)化成固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料,在我國是僅次于煤炭、石油和天然氣的能源,并占有重要地位。
生物質(zhì)資源包括薪柴、農(nóng)林作物,尤其是為了生產(chǎn)能源而種植的能源作物,以及農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘剩物,食品加工和林產(chǎn)品加工的下腳料,城市固體廢棄物、生活污水和水生植物等
歐洲主要國家生物質(zhì)能的開發(fā)利用均以豐富的森林資源為基礎(chǔ).而我國有豐富的農(nóng)作物秸稈資源,國內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)鍋爐主要以燃燒農(nóng)作物秸稈為主,但由于我國秸稈生物質(zhì)資源的開發(fā)利用尚處于起步階段,其中約有1.45×108t用作畜牧飼料,9.1×107t用作還田肥料,1.4×107t用作工業(yè)原料,2.8×108t作為農(nóng)民傳統(tǒng)的生活燃料,余下的1.0×108t左右在田間地頭被直接焚燒了,這不僅污染環(huán)境,還造成能源浪費(fèi)。因此,積極開發(fā)利用生物質(zhì)能對(duì)解決能源短缺和協(xié)調(diào)環(huán)境發(fā)展有重要意義.
生物質(zhì)燃料特性分析根據(jù)發(fā)電燃燒的特點(diǎn),農(nóng)作物秸稈一般分為兩類:一類為黃色秸稈又稱軟質(zhì)秸稈,主要包括麥秸、玉米秸和稻草等,在生物質(zhì)秸稈燃燒應(yīng)用中占很大比重;另一類為灰色秸稈又稱硬質(zhì)秸稈,主要包括棉稈、麻稈等?！ ?/p>
我國常見的、有代表性的3種黃色秸稈(稻草、麥秸和玉米秸)為研究對(duì)象,分析其燃料特性,并判別其燃燒過程中的結(jié)渣特性。不同生物質(zhì)的元素分析結(jié)果不同,灰分組成也有明顯的差異?！ ?/p>
生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較多,特別是玉米秸的揮發(fā)分高達(dá)70%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煙煤;生物質(zhì)固定碳含量較低,不到20%,而煙煤的固定碳含量超過生物質(zhì)的兩倍;另外,生物質(zhì)的含硫量和熱值明顯低于煙煤.3種生物質(zhì)中灰分含量相差很大,玉米秸的灰分含量最低,稻草的灰分含量最高,麥秸和玉米秸的灰分含量遠(yuǎn)低于煙煤;生物質(zhì)灰分中SiO2和CaO含量較高,均超過煙煤,其中SiO2含量超過總灰分的50%;另外,生物質(zhì)灰中的堿金屬氧化物(K2O+Na2O)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煙煤.
生物質(zhì)特性對(duì)燃燒的主要影響有以下4點(diǎn):
一是含水量高、熱值低,產(chǎn)生的煙氣體積較大,排煙熱損失較高,因而爐膛溫度低,燃燒效率也較低;
二是揮發(fā)分含量高,析出速度快,燃料在爐內(nèi)能快速著火燃燒,燃燒時(shí)需補(bǔ)充大量空氣,否則會(huì)造成空氣供給量不足,難以保證生物質(zhì)燃料充分燃燒,從而影響鍋爐的燃燒效率;
三是固定碳的含量遠(yuǎn)小于煙煤,由于固定碳的燃點(diǎn)高,其含量越高越難燃燒,因此生物質(zhì)很容易燃燒;
四是生物質(zhì)燃料中的硫、氮、碳含量較低,可以降低電廠SO2和NOx的排放,CO2近似零排放。
生物質(zhì)結(jié)渣特性的判別目前主要是根據(jù)灰成分,采用堿性指數(shù)、堿酸比的方法評(píng)價(jià)生物質(zhì)積灰結(jié)渣的特性,稻草的結(jié)渣性最強(qiáng),其次是麥秸,玉米稈的結(jié)渣可能性較小.由堿酸比判別法得到的結(jié)果與堿性指數(shù)法相比存在一些差異,對(duì)于生物質(zhì)而言,說明用酸堿比判別法判別結(jié)渣特性有待進(jìn)一步研究?！ ?/p>
生物質(zhì)是清潔的可再生能源,這是生物質(zhì)鍋爐發(fā)展的主要優(yōu)勢(shì)之一.然而由于秸稈生物質(zhì)自身的燃料特性,以及堿金屬和氯的存在,使得生物質(zhì)直燃鍋爐比燃煤鍋爐更容易產(chǎn)生積灰、結(jié)渣和腐蝕等問題.目前生物質(zhì)利用中普遍存在的堿金屬問題,直接制約了生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展,這已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
主要堿金屬對(duì)結(jié)渣的影響結(jié)渣是個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,其主要形態(tài)是以黏稠或熔融的沉淀物形式出現(xiàn),而造成結(jié)渣的一個(gè)重要原因是燃料層的溫度高于灰的軟化溫度.在燃煤鍋爐的燃燒過程中,過量空氣系數(shù)、爐膛溫度等參數(shù)對(duì)結(jié)渣率有重要影響,而生物質(zhì)具有區(qū)別于煤炭的燃料特性,除了以上參數(shù)的影響外,堿金屬特別是K,Cl,S元素對(duì)積灰結(jié)渣和腐蝕有重要影響.K元素在秸稈生物質(zhì)中含量較高,主要形成氧化物、氯化物和硫酸鹽,這些化合物都表現(xiàn)為低熔點(diǎn).當(dāng)K及其化合物凝結(jié)在飛灰顆粒上時(shí)具有黏性和低熔點(diǎn),K的凝結(jié)速度和擴(kuò)散速率對(duì)灰粒熔點(diǎn)和黏性有著決定性作用?！ ?/p>
Cl元素在生物質(zhì)燃燒中起著傳輸作用,有助于堿金屬元素從燃料顆粒內(nèi)部遷移到顆粒表面與秸稈生物質(zhì)燃料燃燒特性分析其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而且Cl元素有助于堿金屬元素的氣化,與堿金屬物質(zhì)反應(yīng)生成相對(duì)穩(wěn)定且易揮發(fā)的堿金屬氯化物.另外,Cl元素,特別是K元素的化合物,還有助于增加無機(jī)化合物的流動(dòng)性.堿金屬,S,Cl元素?fù)]發(fā)出來,相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng),然后以硫酸鹽或氯化物的形式凝結(jié)在飛灰顆粒和受熱面壁面上,多數(shù)硫酸鹽呈熔融狀態(tài),增加了沉積層表面的黏性,加劇結(jié)渣程度.隨著堿金屬元素氣化程度增加,沉積物數(shù)量及黏性也不斷增加.同時(shí),還會(huì)發(fā)生氣體和沉積物灰渣本身的反應(yīng),使結(jié)渣層更厚.我國常見的3種秸稈生物質(zhì)(稻草、麥秸和玉米秸)的灰分,稻草的堿金屬氧化物(K2O+SiO2+SO3)含量約為88.2%,麥秸約為85.3%,玉米稈約為76.7%。通過以上堿金屬對(duì)結(jié)渣影響的分析可以看出,稻草的結(jié)渣性大于其他兩種秸稈.氯對(duì)腐蝕的影響生物質(zhì)燃料的Cl含量比煤炭高,Cl元素可以將K從穩(wěn)定的硅酸鹽中吸收出來,形成低熔點(diǎn)腐蝕性強(qiáng)的硫酸鹽，一方面,這些硫酸鹽在管壁上結(jié)成釉瓷狀的渣膜,該渣層在表面溫度升高融化時(shí)放出SO3并向內(nèi)外擴(kuò)散,使管壁氧化層破壞;另一方面,這些硫酸鹽再吸收SO3并與Fe2O3,Al2O3生成焦硫酸鹽,該鹽通常在管壁溫度下呈熔融狀態(tài),對(duì)管壁的氧化膜造成腐蝕.另外,HCl也是Cl析出的一種重要形式,它對(duì)于金屬的高溫腐蝕有重要影響，玉米稈的燃燒過程中Cl對(duì)腐蝕的影響會(huì)更加嚴(yán)重?！ ?/p>
我國的生物質(zhì)直燃技術(shù)主要以燃燒農(nóng)作物秸稈為主,而秸稈生物質(zhì)的燃料特性和煤炭有很大差距,這些燃料特性導(dǎo)致不同生物質(zhì)結(jié)渣特性的差異.在我國具有代表性的3類生物質(zhì)秸稈中,稻草的結(jié)渣性遠(yuǎn)高于玉米秸,生物質(zhì)中堿金屬和Cl的含量會(huì)加劇結(jié)渣和腐蝕的可能.因此,研究生物質(zhì)燃料特性有利于減輕燃燒中存在的結(jié)渣腐蝕等問題,并可促進(jìn)生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展，提高生物質(zhì)鍋爐的使用。我國在這方面需要加強(qiáng)向生物質(zhì)燃料利用很成熟的國家，特別是北歐國家學(xué)習(xí)。
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