秸稈生物質燃料意義與生物質鍋爐燃燒特性分析

　　生物質是一種貯存太陽能的可再生能源，用現代技術可以轉化成固態、液態和氣態燃料，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。

　　生物質資源包括薪柴、農林作物，尤其是為了生產能源而種植的能源作物，以及農業和林業殘剩物，食品加工和林產品加工的下腳料，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能的開發利用均以豐富的森林資源為基礎。而我國有豐富的農作物秸稈資源，國內現有的生物質鍋爐主要以燃燒農作物秸稈為主，但由于我國秸稈生物質資源的開發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用作工業原料，2.8×10⁸t作為農民傳統的生活燃料，余下的1.0×10⁸t左右在田間地頭被直接焚燒了，這不僅污染環境，還造成能源浪費。因此，積極開發利用生物質能對解決能源短缺和協調環境發展有重要意義。

　　生物質燃料特性分析根據發電燃燒的特點，農作物秸稈一般分為兩類：一類為黃色秸稈又稱軟質秸稈，主要包括麥秸、玉米秸和稻草等，在生物質秸稈燃燒應用中占很大比重；另一類為灰色秸稈又稱硬質秸稈，主要包括棉稈、麻稈等。本文我國常見的、有代表性的3種黃色秸稈(稻草、麥秸和玉米秸)為研究對象，分析其燃料特性，并判別其燃燒過程中的結渣特性。不同生物質的元素分析結果不同，灰分組成也有明顯的差異。

　　生物質的揮發分含量較多，特別是玉米秸的揮發分高達70%，遠遠超過煙煤；生物質固定碳含量較低，不到20%，而煙煤的固定碳含量超過生物質的兩倍；另外，生物質的含硫量和熱值明顯低于煙煤。3種生物質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低于煙煤；生物質灰分中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，生物質灰中的堿金屬氧化物(K₂O+Na₂O)的含量遠遠高于煙煤。

　　生物質特性對燃燒的主要影響有以下4點：

　　一是含水量高、熱值低，產生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高，因而爐膛溫度低，燃燒效率也較低；

　　二是揮發分含量高，析出速度快，燃料在爐內能快速著火燃燒，燃燒時需補充大量空氣，否則會造成空氣供給量不足，難以保證生物質燃料充分燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率；

　　三是固定碳的含量遠小于煙煤，由于固定碳的燃點高，其含量越高越難燃燒，因此生物質很容易燃燒；

　　四是生物質燃料中的硫、氮、碳含量較低，可以降低電廠SO₂和NO_x的排放，CO₂近似零排放。

　　生物質結渣特性的判別目前主要是根據灰成分，采用堿性指數、堿酸比的方法評價生物質積灰結渣的特性，稻草的結渣性最強，其次是麥秸，玉米稈的結渣可能性較小。由堿酸比判別法得到的結果與堿性指數法相比存在一些差異，對于生物質而言，說明用酸堿比判別法判別結渣特性有待進一步研究。

　　生物質是清潔的可再生能源，這是生物質鍋爐發展的主要優勢之一。然而由于秸稈生物質自身的燃料特性，以及堿金屬和氯的存在，使得生物質直燃鍋爐比燃煤鍋爐更容易產生積灰、結渣和腐蝕等問題。目前生物質利用中普遍存在的堿金屬問題，直接制約了生物質鍋爐的發展，這已引起國內外學者的廣泛關注。

　　主要堿金屬對結渣的影響結渣是個復雜的物理化學過程，其主要形態是以黏稠或熔融的沉淀物形式出現，而造成結渣的一個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、爐膛溫度等參數對結渣率有重要影響，而生物質具有區別于煤炭的燃料特性，除了以上參數的影響外，堿金屬特別是K，Cl，S元素對積灰結渣和腐蝕有重要影響。K元素在秸稈生物質中含量較高，主要形成氧化物、氯化物和硫酸鹽，這些化合物都表現為低熔點。當K及其化合物凝結在飛灰顆粒上時具有黏性和低熔點，K的凝結速度和擴散速率對灰粒熔點和黏性有著決定性作用。

　　Cl元素在生物質燃燒中起著傳輸作用，有助于堿金屬元素從燃料顆粒內部遷移到顆粒表面與秸稈生物質燃料燃燒特性分析其他物質發生化學反應，而且Cl元素有助于堿金屬元素的氣化，與堿金屬物質反應生成相對穩定且易揮發的堿金屬氯化物。另外，Cl元素，特別是K元素的化合物，還有助于增加無機化合物的流動性。堿金屬，S，Cl元素揮發出來，相互之間發生化學反應，然后以硫酸鹽或氯化物的形式凝結在飛灰顆粒和受熱面壁面上，多數硫酸鹽呈熔融狀態，增加了沉積層表面的黏性，加劇結渣程度。隨著堿金屬元素氣化程度增加，沉積物數量及黏性也不斷增加。同時，還會發生氣體和沉積物灰渣本身的反應，使結渣層更厚。

　　我國常見的3種秸稈生物質(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%。通過以上堿金屬對結渣影響的分析可以看出，稻草的結渣性大于其他兩種秸稈。氯對腐蝕的影響生物質燃料的Cl含量比煤炭高，Cl元素可以將K從穩定的硅酸鹽中吸收出來，形成低熔點腐蝕性強的硫酸鹽，一方面，這些硫酸鹽在管壁上結成釉瓷狀的渣膜，該渣層在表面溫度升高融化時放出SO₃并向內外擴散，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，對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，它對于金屬的高溫腐蝕有重要影響，玉米稈的燃燒過程中Cl對腐蝕的影響會更加嚴重。

　　我國的生物質直燃技術主要以燃燒農作物秸稈為主，而秸稈生物質的燃料特性和煤炭有很大差距，這些燃料特性導致不同生物質結渣特性的差異。在我國具有代表性的3類生物質秸稈中，稻草的結渣性遠高于玉米秸，生物質中堿金屬和Cl的含量會加劇結渣和腐蝕的可能。因此，研究生物質燃料特性有利于減輕燃燒中存在的結渣腐蝕等問題，并可促進生物質燃燒技術的發展，提高生物質鍋爐的使用。我國在這方面需要加強向生物質燃料利用很成熟的國家，特別是北歐國家學習。