0、前言
生物質(zhì)燃燒（經(jīng)
顆粒機、
秸稈壓塊機壓制生產(chǎn)而成）發(fā)電以其二氧化碳排放近零、污染物排放少等優(yōu)點成為生物質(zhì)能資源利用的一種重要形式。流化床燃燒技術(shù)由于其燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高以及污染物排放少等優(yōu)點，成為當(dāng)前生物質(zhì)燃燒應(yīng)用及研究的熱點。由于生物質(zhì)中含有一定量的堿金屬(如K、Na)，在流化床燃燒過程中很容易發(fā)生床料粘結(jié)現(xiàn)象，其原因是生物質(zhì)灰中高含量的堿金屬化合物能夠與床料中的Si0
2反應(yīng)生成低熔點物質(zhì)。針對生物質(zhì)在流化床中發(fā)生的粘結(jié)現(xiàn)象，目前提出的解決辦法歸納起來主要為三個方面：一是在床料中加入添加劑；二是更換床料，使用含硅量低的惰性床料；三是對生物質(zhì)進(jìn)行燃燒前脫除堿金屬前處理。Steenari通過實驗得出高嶺土比白云石更合適作為生物質(zhì)燃燒的床料；別如山等通過實驗分析指出在床料中添加Fe
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3、Al
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3可以在一定程度上抑制床料燒結(jié)的發(fā)生；FernandezLlorente等研究了以石灰石作為床料對生物質(zhì)結(jié)團的影響，通過實驗研究，得出石灰石能有效抑制床料中結(jié)團現(xiàn)象的發(fā)生，同時還能減輕換熱器的燒結(jié)。
本文將以河砂、白云石、粘土、安化石煤灰為床料，進(jìn)行玉米秸桿成型燃料在流化床中燃燒粘結(jié)特性實驗研究。通過SEM/EDX分析手段研究控制生物質(zhì)流化床燃燒粘結(jié)機理，據(jù)此找到適合生物質(zhì)流化床燃燒的床料，為生物質(zhì)流化床直燃技術(shù)的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。
1、實驗裝置及實驗方法
流化床實驗裝置由提升管、加熱電爐、螺旋給料機以及空氣壓縮機等組成，如圖1所示。實驗臺總高為950 mm，下部高度為500 mm，內(nèi)徑為120mm；上部為450 mm，內(nèi)徑為200 mm。流化空氣由空氣壓縮機經(jīng)冷干機進(jìn)入風(fēng)室。實驗臺上部設(shè)有觀察口，可實時觀察實驗過程中的實驗現(xiàn)象。
實驗燃料為遼河平原的玉米秸稈，通過秸稈粉碎機、顆粒機、秸稈壓塊機等粉碎機、成型機粉碎壓縮得到的成型顆粒，形狀為圓柱狀，直徑為6mm，平均長度為10～15 mm，其工業(yè)分析、元素分析及熱值見表1。玉米秸稈成型燃料的灰成分和灰熔融特性分別見表2。實驗采用的床料共四種，分別為河砂、白云石、粘土和安化石煤灰，床料粒徑為0.25～0.355 mm，其成分分析見表2。
實驗過程中靜止料位高度為120 mm，流化速度為0.25 m/s，過量空氣系數(shù)為1.29，實驗溫度為900℃，給燃料量為0.44 kg/h。在實驗開始階段，首先通過電爐預(yù)熱床料，當(dāng)床層溫度達(dá)到400℃時，開始給入玉米秸稈成型燃料，調(diào)節(jié)電爐使床層溫度保持在900℃。試驗結(jié)束后，取出床料，將結(jié)團進(jìn)行SEMlEDX分析。
2、實驗結(jié)果與分析
2.1床料特性分析
在以四種不同床料進(jìn)行的實驗中，實驗均正常運行了8h，床料沒有發(fā)生大面積粘結(jié)。但在四個實驗后的床料中，都發(fā)現(xiàn)有結(jié)團顆粒存在，這些結(jié)團顆粒的形狀大都類似于玉米秸稈成型顆粒的原始形狀，見圖2，這與文獻(xiàn)得到的實驗現(xiàn)象相一致。四個實驗后的床料在粒徑分布
拋丸機上彼此存在著差異，圖3為不同床料實驗后的粒徑分布。在大干0.355 mm的粒徑范圍里占總床料比重最大的為河砂，其次為白云石，再其次為安化石煤灰，粘土最小；在粒徑小于0.355 mm的粒徑范圍里情況卻相反。根據(jù)上述實驗現(xiàn)象分析，此四種床料同生物質(zhì)灰反應(yīng)形成結(jié)
吊鉤拋丸機團具有不同的難易程度，根據(jù)形成結(jié)團的大小和占實驗后床料的粒徑分布劃分床料結(jié)團的難易程度，其由易到難的順序為：河砂>白云石>安化石煤灰分>粘土。
2.2結(jié)團顆粒的SEM/EDX分析
2.2.1床料為河砂
在以河砂為床料的實驗中發(fā)現(xiàn)，存在兩種不同表面形貌的結(jié)團顆粒，見圖4(a)和圖4(b)。在圖4(a)中可以觀察到結(jié)團顆粒表面粘附大量的床料顆粒，并且顆粒之間排列緊密，將生物質(zhì)燃料顆粒完全覆蓋；而在圖4(b)中觀察到的結(jié)團顆粒與圖4(a)中的結(jié)團顆粒相差較大。圖4(b)中的結(jié)團顆粒表面包裹著一層絮狀物，粘附的床料顆粒較少。圖5(a)和圖5(b)分別為圖4中兩種結(jié)團顆粒表面局部放大的SEM/EDX分析結(jié)果。從圖5(a)照片中進(jìn)一步觀察到床料顆粒的表面比較粗糙，有少量絮狀物生成；在圖5(b)中，表面粘附的床料顆粒較少，主要為絮狀物；對床料顆粒之間絮狀物的EDX分析結(jié)果表明，后者堿金屬K和Na含量高于前者，而堿土金屬Mg、Ca反之，后者Al
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3的含量也較前者高。由此可以推斷，結(jié)團顆粒表面床料的粘附是生物質(zhì)燃燒后的灰散布在床料中堿金屬同Si0
2發(fā)生反應(yīng)生成低熔點共熔物的結(jié)果，在900℃下，這些低熔點共熔物熔融，不斷在碰撞中粘附新的生物質(zhì)灰，又不斷發(fā)生反應(yīng)，因此出現(xiàn)了生物質(zhì)顆粒表面粘附床料顆粒的情形。但是由于河砂中含有一定量的Al和Fe元素，將能夠與這些低熔點的物質(zhì)反應(yīng)進(jìn)一步生成高熔點的物質(zhì)，實驗表明，SEM/EDX分析中發(fā)現(xiàn)
濟南網(wǎng)站優(yōu)化的絮狀物便是生成的高熔點物質(zhì)，結(jié)團顆粒表面的絮狀物覆蓋了整個表面，阻止了結(jié)團顆粒進(jìn)一步增大．從而抑制了床料粘結(jié)和結(jié)團。同時，根據(jù)圖4(a)中的結(jié)團顆粒與圖4(b)中的結(jié)團顆粒形態(tài)的相似性和表面結(jié)構(gòu)的差異性，可以推斷前者為后者的前趨生成物。
2.2.2床料為白云石
圖6為實驗后結(jié)團顆粒表面的SEM/EDX分析，從不同放大倍數(shù)的照片中觀察到結(jié)團顆粒的表面同圖4(b)的形貌相似，被一層絮狀物質(zhì)覆蓋，表面粘附的床料顆粒較少。從對結(jié)團顆粒的EDX分析結(jié)果來看，絮狀物質(zhì)中Mg、Ca、Si和O含量較高，還含有C、K、Al等元素。實驗中白云石分解生成Mg0和Ca0， Mg0和Ca0能夠與生物質(zhì)灰中的堿金屬生成高熔點物質(zhì)如K
2Ca
2Si
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9、 K
2Ca
3Si
6 0
16、 K
2 Mg
2 Si
3 0
9以及K
2Ca
3Si
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16等，同時由于白云石中本身Si0
2的含量很少，因此這些高熔點物質(zhì)在結(jié)團顆粒表面形成覆蓋物后，能夠有效地阻止結(jié)團顆粒的進(jìn)一步增大，從而大大抑制了床料粘結(jié)和結(jié)團現(xiàn)象的發(fā)生。
2.2.3床料為粘土
圖7為實驗后結(jié)團顆粒表面的SEMlEDX分析，從照片中觀察到，結(jié)團顆粒的表面被厚厚的包裹著，表面粘附的床料顆粒較少。通過EDX分析結(jié)果來看，床料結(jié)團中含有較高的堿土 金屬元素K和Na以及Si元素，同時還含有Al、Fe、Mg和Ca、Al、Fe以及堿土金屬與生物質(zhì)灰中的含堿金屬化合物均能夠形成高熔點化合物，覆蓋在生物質(zhì)碳顆粒表面形成隔絕層，阻止低熔點物質(zhì)的生成與遷移，從而在一定程度上抑制生物質(zhì)顆粒在流態(tài)化燃燒過程中出現(xiàn)的床料粘結(jié)現(xiàn)象。
2.2.4床料為安化石煤灰
圖8為實驗后結(jié)團顆粒表面的SEM/EDX分析，從結(jié)團照片中可以觀察到，結(jié)團表面覆蓋了一層床料顆粒，并且在顆粒之間有絮狀物存在。對絮狀物進(jìn)行EDX分析發(fā)現(xiàn)，絮狀物中含有較高含量的K元素，同時含有Ca、Mg、Fe、Al元素。在堿金屬元素K含量較高的情況下，床料沒有發(fā)生結(jié)團，這是由于Fe和Al的存在，同時由于安化石煤在燃燒后，其灰分已處于一種平衡態(tài)，均在一定程度上抑制床料粘結(jié)和結(jié)團現(xiàn)象的發(fā)生。
3、結(jié)論
(1)河砂、白云石、粘土和安化石煤灰四種床料同生物質(zhì)灰反應(yīng)形成結(jié)團具有不同的難易程度，根據(jù)形成結(jié)團的大小和占實驗后床料的粒徑分布劃分床料結(jié)團的難易程度，其由易到難的順序為：河砂>白云石>安化石煤灰分>粘土。
(2)床料中含有的Al、Fe、Mg以及Ca元素能夠與含堿金屬元素的化合物反應(yīng)形成絮狀的高熔點物質(zhì)，覆蓋在結(jié)團的表面，阻止結(jié)團顆粒進(jìn)一步長大，從而控制床料粘結(jié)和結(jié)團。
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