水洗及水浴对秸秆燃料燃烧结渣特性的影响

刘兵　李瑞华　马孝琴　逄明华　陈彦新

摘要：碱金属的存在使得生物质秸秆在燃烧过程中会出现结渣问题。采用水洗及水浴的方法对小麦秆、稻秆、玉米秆碎屑进行预处理，测定其烧结强度指数（SII值），考察水洗及水浴对秸秆燃烧结渣特性的影响。结果表明：秸秆经水洗及水浴预处理后，样品的烧结强度指数明显减小，可以达到缓解结渣的效果。

关键词：秸秆；结渣；水浴；烧结强度指数

中图分类号：TK6 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）06-0030-04

生物质能源因其清洁性、可持续性、资源量巨大以及容易获取等优点而成为世界热门课题之一，许多国家都制定了生物质能源研究计划。我国的生物质能源十分丰富，除了少部分用作家畜饲料和工业原料，其余都为农村炊事、取暖所用。在当前我国面临经济发展与环境保护双重压力的形势下，改变能源结构、开发利用生物质等可再生能源对于可持续发展具有重大意义。

与煤相比，生物质燃料中碱金属元素含量较高，这导致生物质在利用过程中存在积灰、结渣和腐蚀现象，严重影响锅炉正常安全运转。一般认为，生物质燃料中富含的钾、钠金属与自身所含以及沙中的SiO2反应生成低熔点共晶体K2O·4SiO2，熔融的共晶体包裹在灰粒表面，被包裹的灰粒之间相互粘结，从而形成渣块。因此，通过研究生物质燃料的燃烧特性及结渣特性，找到改善其结渣性能、抑制结渣问题的方法，具有重要意义。有研究表明，选择合适的添加剂加入到生物质燃料中，使其在燃烧过程中与生物质中的元素反应，从而改变灰的成分，提高灰分的熔点，可达到缓解结渣的效果；或将生物质燃料与煤之间按一定比例进行混烧，从而改变灰分中矿物质比例。

本研究采用不同工况条件（即不同水浴温度和水浴时间）对秸秆进行预处理，测定秸秆烧结强度指数，考察水洗及水浴对生物质秸秆燃烧结渣特性的影响。

1 材料与方法

1.1 试验原料

试验选用3种生物质原料：小麦秆、稻秆、玉米秆，均取自河南省新乡市，在自然条件下风干。3种秸秆原料的工业分析结果见表1，其中Mad，Aad，Vad，FCad分别为秸秆空干基水分、灰分、挥发分和固定碳的质量分数；Q为单位热量。3种秸秆原料的元素分析结果见表2。

1.2 仪器设备

AL140电子天平：梅特勒—托列多上海有限公司；JXL-620型节能马弗炉；SIRION场发射扫描电镜：SEN/EDS荷兰FEI公司；高速粉碎机；电热恒温鼓风干燥箱；电热恒温水浴锅。

1.3 试验方法

1.3.1 试验过程 原料水洗预处理：将3种生物质原料分别置于烧杯中，用去离子水浸泡1～2 min，捞出烘干；原料水浴预处理：将3种原料分别置于高温水浴锅中，在30，45，60，75，90 ℃下浸泡30 min和60 min。将经过预处理的原料分别在电热恒温鼓风干燥箱中干燥12 h，确认干燥后取出，利用小型高速粉碎机将原料充分粉碎，然后过80目标准筛，得到小于0.2 mm粉末，备用。将以上各工况下制得的秸秆试样分别在智能马弗炉中进行快速灰化，测定各个试样的烧结强度指数SII值，并对其规律性进行分析。

1.3.2 SII值计算方法 生物质灰分的烧结强度指数SII值，是指将80目的秸秆粉末试样在一定的温度下进行快速灰化，用具体数值替代直观判断来量化烧结程度。取瓷舟（质量记录为mp），取80目以下的秸秆粉末试样（质量记录为m），在马弗炉中以一定的温度进行快速灰化，待恒重后记录质量mt。

1） 当灰样微熔时（即可用海绵条划动时），将瓷舟和灰样倒扣于80目筛子中，轻弹瓷舟底部，直至没有灰落入筛子中，然后手动或在小型振动筛中筛灰，直至没有灰粒掉落为止，掉落的灰粒质量记录为ma，此时灰样的烧结强度指数：SII=1-（ma/mt-mp），SII∈[0，1]。

2） 当烧结强度指数SII>1时（即用海绵条划不动时），参照莫氏硬度法，参照物SII值见表3。

2 结果与分析

2.1 3种秸秆烧结强度指数

1） 不同水洗及水浴工况下小麦秆试样烧结强度指数见表4，其烧结强度指数变化情况如图1所示。

由表4和图1可以看出：小麦秆800 ℃灰化时，相比于原样，其水洗及水浴后烧结强度指数明显减小；但随着水浴温度升高，水浴30 min和60 min的SII值减小幅度均逐渐降低。水浴30 min时60 ℃处理的缓解结渣效果最好，水浴60 min时30 ℃效果最好。小麦秆900 ℃灰化时，相比于原样，其水洗及水浴后烧结强度指数明显减小；但随着水浴温度升高，水浴30 min和60 min的SII值减小幅度均逐渐降低，当水浴温度达到75 ℃后效果反而不如水洗处理。水浴30 min时30 ℃效果最好，水浴60 min时30 ℃效果最好。

2） 由于基本工况相同，稻秆和玉米秆的水洗及水浴工况和烧结强度指数不再用表格列出，只列出其燒结强度指数变化曲线，分别如图2和图3所示。

由图2可以看出：稻秆800 ℃灰化时，相比于原样，水洗及水浴处理后烧结强度指数明显减小；但随着水浴温度升高，水浴30 min和60 min的SII值减小幅度均逐渐降低。水浴30 min时30 ℃处理的缓解结渣效果最好，水浴60 min时30 ℃效果最好。稻秆900 ℃灰化时，相比于原样，水洗及水浴处理后烧结强度指数明显减小；但随着水浴温度升高，水浴30 min和60 min的SII值减小幅度均逐渐降低，当水浴温度达到45 ℃后效果反而不如水洗处理。水浴30 min时30 ℃效果最好。

由图3可以看出：玉米秆800 ℃灰化时，随着水浴温度升高，水浴30 min和60 min的SII值减小幅度均逐渐降低。水浴30 min时45 ℃处理的缓解结渣效果最好，水浴60 min时30 ℃效果最好。玉米秆900 ℃灰化时，相比于原样，水洗及水浴处理后烧结强度指数明显减小。水浴30 min时45 ℃和60 ℃效果最好，水浴60 min时90 ℃效果最好。endprint

2.2 灰样分析

以稻秆灰样（如图4所示）为例，分析不同工况下灰样的理化性质。

由图4可以看出：经过预处理的秸秆灰样，其结渣问题得到明显改善。在相同灰化温度、相同水浴时间条件下，不同水浴温度的灰样表面表现出不同的形式，具有一定的差异性。灰化温度为800 ℃时，灰样表面颜色变化不大，表面裂纹随着水浴温度升高逐渐变大。

3 結论

在生物质燃烧结渣特性试验基础上，研究不同水洗及水浴条件对生物质结渣性能的影响。结果表明：水洗及水浴处理对不同生物质的结渣性能影响略有差异。水洗处理后，小麦秆、稻秆、玉米秆烧结强度指数均显著减小，缓解结渣效果较好；水浴处理后，小麦秆、稻秆、玉米秆烧结强度指数均显著减小，缓解结渣效果较为理想，但均随着水浴温度升高而效果减弱。不同的是，小麦秆、稻秆均在水浴30 ℃时效果最好，而玉米秆则是水洗后效果最好。

参考文献

[1] 刘圣勇，张白良，张全国，等.玉米秸秆成型燃料锅炉的设计与试验研究[J].热科学与技术，2003，2（2）：71-75.

[2] 马孝琴，秦建光，骆仲泱，等.添加剂对稻草灰熔融特性影响的实验研究[J].浙江大学学报：工学版，2010，44（8）：103-109.

[3] 马孝琴，骆仲泱，方梦祥，等.添加剂对秸秆燃烧过程中碱金属行为的影响[J].浙江大学学报：工学版，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] 袁艳文.添加剂对玉米秸秆颗粒燃烧结渣特性的影响[J].农业工程学报，2011，27（2）：99-103.

[6] 刘兵，李瑞华，马孝琴.添加剂对玉米秸秆燃烧结渣特性的影响[J].河南科技学院学报：自然科学版，2015（1）：5-10，14.

[7] 刘兵，马孝琴，安爱琴，等.添加剂对小麦秸秆燃烧结渣特性的影响研究[J].湖北农业科学，2016（6）：1 562-1 565，1 622.endprint