近年來隨著全球經濟的持續、高速發展，各國對能源的需求日益劇增，致使現有的煤、石油等化石能源的儲備量日益減少，幾乎面臨枯竭，能源危機日益凸出。按照現在的開采速度，全世界的天然氣、石油只能維持到21世紀中葉，即便是煤炭也只能夠維持200年左右。并且在化石能源使用的過程中，產生大量的粉塵、有害氣體等，對空氣的污染非常嚴重，導致近幾年我國多地霧霾天氣頻繁出現，嚴重影響著人們的健康。因此，全球各國正努力尋求一種清潔、安全、可持續的新能源。
生物質能源作為一種儲量大、可再生的綠色能源，具有可觀的發展潛力和良好的產業化前景，在全球的能源結構中擁有重要地位。我國每年約有2.5億t的農作物秸稈可用于生產致密成型
生物質顆粒燃料，可加工2億t左右的生物質成型生物質顆粒燃料，直接可以有效減少4.2億t的C02.120萬t SO4和300萬t的煙塵排放量。所以，實現我國經濟的可持續發展，大力推進秸稈成型生物質顆粒燃料的發展具有十分重要的現實意義。由于秸稈成型生物質顆粒燃料在燃燒過程中容易出現結渣現象，不僅影響燃燒設備的燃燒熱性能，還可能危及燃燒設備的安全性，阻礙了秸稈成型生物質顆粒燃料的推廣與應用。因此，進行秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣性研究并對此做好預防措施，具有重要意義。筆者在對秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒過程介紹的基礎上，對成型生物質顆粒燃料燃燒結渣機理、性能判斷及主要影響因素進行了具體分析，探討燃燒結渣的危害并對其預防提出了主要措施，富通新能源專業生產銷售
秸稈顆粒機、
木屑顆粒機等生物質顆粒燃料成型機械設備。
1、成型生物質顆粒燃料燃燒過程及特點
秸稈成型生物質顆粒燃料是農作物秸稈原料經過干燥、粉碎等預處理后，在成型設備中利用機械加壓的方法獲得的具有一定形狀和密度的固體燃料，其能量密度與煤相比并不算低。如含水率10%、密度1.25g/cm3的秸稈成型生物質顆粒燃料與煤的能量密度比可達0.72。秸稈成型生物質顆粒燃料中所含的有機化合物，其固定碳約是煤炭的1/3，但揮發含量較多，因此秸稈成型生物質顆粒燃料比煤炭容易燃燒。秸稈成型生物質顆粒燃料的燃燒主要可以分為預熱干燥、熱解燃燒、固定碳燃燒和燃盡4個階段。這些階段有的部分也是重合的，沒有完全嚴格的界線。
1.1預熱干燥階段秸稈成型生物質顆粒燃料被加熱點燃以后，在輻射熱流的作用下，當溫度達100℃左右時，燃料的表面和燃料縫隙之間的水分逐漸蒸發出來，逐漸由液態變為氣態，擴散到空氣中去。
1.2熱解燃燒階段隨著燃燒溫度的升高，秸稈成型生物質顆粒燃料中分子量小的成分熱解氣化，達到著火點后發生氣相燃燒。熱解氣化主要得到的產物有CO，H2<C02.CH4、CnHm。等，當溫度達260℃時，這些揮發分開始著火，然后持續燃燒。隨著氣相燃燒的進行，纖維素與半纖維素的熱解速率下降，但木質素逐漸高溫炭化，通過氧化作用后開始慢慢燃燒。當氣相火焰完全熄滅以后，此時成型生物質顆粒燃料中的木質素已經完全炭化，進入焦炭的表面燃燒過程，燃燒速率加快。
1.3固定碳燃燒階段秸稈成型生物質顆粒燃料中剩余的固定碳在揮發分燃燒初期被包圍著，氧氣不能與碳的表面接觸，經過一段時間以后，焦炭開始燃燒。此階段固定碳主要分別與氧氣、二氧化碳、水蒸氣發生反應。這個階段燃燒速率加快，出現第2次燃燒速率峰值。
1.4燃盡階段隨著燃燒的進行，燃燒速率逐漸減慢，產生的灰分也不斷增加，剩余的焦炭被灰分包裹起來，阻礙了揮發分的擴散，從而妨礙焦炭的繼續燃燒，造成燃燒速率降低，直至燃盡。與此同時，灰渣中出現了殘碳。
通過上述4個階段的介紹可知，秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒的過程其實是揮發分和焦炭的燃燒過程，前者雖占燃燒時間的15%，但放出的熱量卻占總熱量的65%。
2、成型生物質顆粒燃料燃燒結渣分析
2.1結渣機理秸稈成型生物質顆粒燃料由于灰熔點較低，因此燃燒過程中容易結渣，對燃燒效率影響很大。秸稈成型生物質顆粒燃料容易結渣的根本原因在于堿金屬形成的氧化物降低了灰熔點，所以導致了結渣。秸稈成型生物質顆粒燃料的灰渣中主要有Si02.Al203、Fe203、Ca0、Mg0、S02、P205、K20、Na20等，以玉米秸稈為例，其灰渣成分及含量如表1所示。
表1 玉米秸稈灰渣成分及含量
|
灰渣成分 |
均值 |
標準差 |
范圍 |
|
SiO2 |
44.04 |
11.32 |
23.22～59.60 |
|
AL2O3 |
2.65 |
1.53 |
0.93～5.97 |
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Fe2O3 |
1.14 |
0.71 |
0.21～2.54 |
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CaO |
8.92 |
1.99 |
5.16～11.12 |
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MgO |
11.11 |
3.06 |
6.69～16.92 |
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SO3 |
1.25 |
0.39 |
0.76～1.78 |
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P2O3 |
4.56 |
1.32 |
3.10～7.36 |
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K2O |
21.11 |
9.13 |
10.94～37.13 |
|
Na2O |
0.66 |
0.51 |
0.16～1.65 |
在秸稈組成的成分中，鉀元素、硫元素和氯元素對燃燒結渣起到決定性作用。鉀元素是影響秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣的主要元素，鉀元素在秸稈中形成的有機物在燃燒的過程中發生分解和汽化，產生了低熔點的氯化物、氧化物和硫化物等，當這些化合物和鉀元素凝結在灰粒上時，就會使得灰粒具有低熔點和粘性。研究表明，當鉀元素和鈉元素組成的化合物與秸稈成型生物質顆粒燃料混有砂土的Si02發生反應后，就會生成低熔點的共晶體( Na20·2Si02)，逐漸聚團后就會形成大面積結渣。硫元素在燃燒過程中從秸稈成型生物質顆粒燃料中揮發出來，與堿金屬元素結合生成堿金屬類的硫化物，這些產物易凝結在灰粒表面。CaSO4相當于灰粒的粘合劑，能夠加重結渣的程度，因此，燃燒富含硫的稻草秸稈時更容易出現大面積的結渣現象。氯元素在秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒的過程中，一方面加快了堿金屬元素的遷移和發生化學反應，另一方面增加了許多無機化合物的流動性，尤其是含鉀元素的化合物。氯元素可以和堿金屬形成穩定且易揮發的堿金屬化合物，溫度在600℃左右時，形成的含氯堿金屬化合物開始進入氣相，這是堿金屬析出的最主要途徑。隨著堿金屬元素的汽化加劇，灰粒的粘性也增加，結渣明顯加快。總之，秸稈成型生物質顆粒燃料中的堿金屬、氯元素和硫元素含量越高，就越容易形成低熔點的共晶體，導致聚團結渣加劇，影響秸稈成型生物質顆粒燃料的燃燒效率。
2.2結渣性能判斷秸稈成型生物質顆粒燃料在爐排中燃燒時，當氧化層或還原層達到灰渣的軟化溫度時，灰粒就會軟化。隨著爐溫的升高，灰中的硫酸鹽就會形成較大的共熔體，當這些共熔體附著在溫度較低的爐壁上就會形成結渣。通常以硅比(G)、鐵鈣比(I)、堿酸比（B/A）、堿性氧化物指數(A/)來判斷秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣性能，其判斷界限值如表2所示。
2.2.1硅比(G)。硅比是體現秸稈成型生物質顆粒燃料中殘余灰分中Si04的含量，其計算公式為：g=SiO42*100/（SiO2+CaO+MgO+Fe2O3），式中分母的成分主要為助熔劑，當G值越大時，表明灰渣粘度和灰熔點越高，結渣傾向就越小。
2.2.2鐵鈣比(1)。鐵鈣比是指Fe203與Ca0的比值，其計算公式為：I=Fe2O3/CaO。秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣傾向性可以通過鐵鈣比(1)來判斷。研究得出玉米秸稈成型生物質顆粒燃料的鈣鐵比約為0.9，由表1可知，玉米秸稈的成型生物質顆粒燃料具有中等或嚴重結渣性。
2.2形成結渣的主要因素
2.2.1爐膛溫度。秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣率受爐膛溫度影響很大，當溫度在800 - 900℃時，燃燒結渣緩慢增加；當溫度在900 -1000℃時，秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣明顯增加；當溫度>1000℃后，秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣逐漸增加。
2.2.2燃料粒徑及料層厚度。由于燃料粒徑的增大，導致燃燒中心的溫度升高，灰渣溫度容易達到灰熔點，所以容易出現結渣。因此秸稈成型生物質顆粒燃料的粒徑越大，燃燒的結渣率也越高。同理，料層厚度增加后，也是導致燃燒中心的溫度升高，灰渣溫度容易達到灰熔點，所以也容易出現結渣。
2.2.3運行整體工況。燃燒爐中的溫度決定于燃燒調整和供風控制，若是二者運行不當，容易使得爐內溫度升高，這樣就會引起爐內中心區域表面結渣。在保證燃料充分燃燒和供熱要求的前提下，通過調整和控制燃料量、通風量等工況條件來降低爐內溫度，減少秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣率。通常往燃燒爐通入過量的空氣時（過量空氣系數為1.5-2.0），可以有效降低燃燒結渣率。
3、結渣危害及預防措施
3.1結渣危害秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣危害對于不同形式的燃燒爐影響不同。如果秸稈成型生物質顆粒燃料用于小型家用爐，由于燃燒結渣的存在，阻礙了成型生物質顆粒燃料的完全燃燒，降低了燃燒爐的熱效率。但如果秸稈成型生物質顆粒燃料用于工業用大型燃燒爐，結渣的危害除了上述所提的，還有其他危害。在此主要討論秸稈成型生物質顆粒燃料用于工業用大型燃燒爐，以電廠鍋爐為例，結渣的主要危害有：①燃燒爐的爐膛結渣會使水冷壁的傳熱阻力增大，降低了水冷壁的吸熱效率，導致爐膛出口的溫度急劇升高。當溫度達到爐膛的超溫狀態時，就不得不降負荷運行，這樣就降低了鍋爐的“出力”能力。②結渣后的渣塊聚集以后，如果覆蓋在水冷管壁上，不僅使水冷管壁受熱強度減少，而且使水的循環速度降低。當正常的水循環速度破壞后，極有可能引發爆管事故。③如果結渣出現在燃燒器的噴口，除了直接影響一、二次配風氣流量的正常噴射，導致爐膛內燃料、風、煙不能均勻分布以外，還可能造成一次風管堵塞，使得燃燒無法正常進行。④爐膛內部的受熱面如果大面積結渣，一旦大渣塊從受熱面脫落下來，極有可能打壞灰斗的水冷壁管，嚴重的可能導致爆炸事故，使生命財產受到損失。
3.2結渣預防做好秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒結渣預防工作不僅可以使燃料充分燃燒，提高燃燒爐的熱效率，還可以保障燃燒爐的運行安全性，減少不必要的損失。以工業用大型鍋爐為例，主要做好以下4個方面的預防工作，可以顯著降低燃燒結渣率。
3.2.1控制燃燒溫度。由于秸稈成型生物質顆粒燃料的燃燒后的灰熔點較低，在高溫下容易聚集結渣，因此可以利用自動控制系統，通過調節配風和燃料量，讓爐膛內的溫度維持在穩定燃燒時的狀態下，確保溫度不超過灰熔點溫度，這樣就可以有效抑制結渣的形成。
3.2.2機械除渣。在生物質燃燒鍋爐工作過程中，將爐排改裝成能夠轉動、振動和往復運動的結構形式，這樣可以依靠剪切、捶打等外力來破壞渣塊聚集，以此抑制結渣。
3.2.3改善鍋爐結構設計。除了上述2種抑制結渣的措施，通過改善鍋爐的結構設計，降低鍋爐燃燒時的爐膛溫度，也是避免燃燒結渣的有效措施。對生物質燃燒鍋爐進行分段式燃燒設計，能明顯降低結渣率。
3.2.4加入添加劑混燃。通過前面結渣機理的分析可知，由于大量堿金屬氧化物的存在導致灰熔點低，所以才容易形成結渣。可以在秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒的同時，混合一些易與堿金屬氧化物發生反應，并能把堿金屬固定下來的添加劑，這樣可以起到抑制結渣的作用。
4、結論
秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒的過程其實就是一個放熱與吸熱的過程，燃燒產生的灰渣由于灰熔點低，導致秸稈成型生物質顆粒燃料燃燒后的灰粒易于結渣。灰熔點低的根本原因是由于堿金屬和氯、硫等元素存在，所以易于結渣。結渣的傾向性可以用硅比(G)、鐵鈣比(I)、堿酸比（B/A）、堿性氧化物指數(AI)來進行判斷，形成結渣的主要因素有爐膛溫度、燃料粒徑及料層厚度和運行整體工況等。燃燒結渣不僅使鍋爐燃燒效率降低，還可能造成重大經濟損失，因此，做好燃燒結渣的預防工作十分重要，可以促進秸稈成型生物質顆粒燃料的大力發展和推廣，實現經濟與環境的可持續、協調發展。
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