劉兵1，李瑞華1，2，馬孝琴1，逄明華1，陳彥新1

（1.河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003；2.河南經(jīng)濟(jì)貿(mào)易高級(jí)技工學(xué)校，河南新鄉(xiāng)453000）

　　摘要：堿金屬的存在使得生物質(zhì)秸稈在燃燒過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)渣問(wèn)題。采用水洗及水浴的方法對(duì)小麥稈、稻稈、玉米稈碎屑進(jìn)行預(yù)處理，測(cè)定其燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)（SII值），考察水洗及水浴對(duì)秸稈燃燒結(jié)渣特性的影響。結(jié)果表明：秸稈經(jīng)水洗及水浴預(yù)處理后，樣品的燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)明顯減小，可以達(dá)到緩解結(jié)渣的效果。

　　生物質(zhì)能源因其清潔性、可持續(xù)性、資源量巨大以及容易獲取等優(yōu)點(diǎn)而成為世界熱門課題之一，許多國(guó)家都制定了生物質(zhì)能源研究計(jì)劃。我國(guó)的生物質(zhì)能源十分豐富，除了少部分用作家畜飼料和工業(yè)原料，其余都為農(nóng)村炊事、取暖所用。在當(dāng)前我國(guó)面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)雙重壓力的形勢(shì)下，改變能源結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)等可再生能源對(duì)于可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

　　與煤相比，生物質(zhì)燃料中堿金屬元素含量較高，這導(dǎo)致生物質(zhì)在利用過(guò)程中存在積灰、結(jié)渣和腐蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鍋爐正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)。一般認(rèn)為，生物質(zhì)燃料中富含的鉀、鈉金屬與自身所含以及沙中的SiO2反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共晶體K2O·4SiO2，熔融的共晶體包裹在灰粒表面，被包裹的灰粒之間相互粘結(jié)，從而形成渣塊。因此，通過(guò)研究生物質(zhì)燃料的燃燒特性及結(jié)渣特性，找到改善其結(jié)渣性能、抑制結(jié)渣問(wèn)題的方法，具有重要意義。有研究表明，選擇合適的添加劑加入到生物質(zhì)燃料中，使其在燃燒過(guò)程中與生物質(zhì)中的元素反應(yīng)，從而改變灰的成分，提高灰分的熔點(diǎn)，可達(dá)到緩解結(jié)渣的效果；或?qū)⑸镔|(zhì)燃料與煤之間按一定比例進(jìn)行混燒，從而改變灰分中礦物質(zhì)比例。

　　本研究采用不同工況條件（即不同水浴溫度和水浴時(shí)間）對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，測(cè)定秸稈燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)，考察水洗及水浴對(duì)生物質(zhì)秸稈燃燒結(jié)渣特性的影響。

　　1材料與方法

　　1.1試驗(yàn)原料

　　試驗(yàn)選用3種生物質(zhì)原料：小麥稈、稻稈、玉米稈，均取自河南省新鄉(xiāng)市，在自然條件下風(fēng)干。3種秸稈原料的工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1，其中Mad，Aad，Vad，F(xiàn)Cad分別為秸稈空干基水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Q為單位熱量。3種秸稈原料的元素分析結(jié)果見(jiàn)表2。

　　1.2儀器設(shè)備

　　AL140電子天平：梅特勒—托列多上海有限公司；JXL－620型節(jié)能馬弗爐；SIRION場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡：SEN／EDS荷蘭FEI公司；高速粉碎機(jī)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；電熱恒溫水浴鍋。

　　1.3試驗(yàn)方法

　　1.3.1試驗(yàn)過(guò)程 原料水洗預(yù)處理：將3種生物質(zhì)原料分別置于燒杯中，用去離子水浸泡1～2min，撈出烘干；原料水浴預(yù)處理：將3種原料分別置于高溫水浴鍋中，在30，45，60，75，90℃下浸泡30min和60min。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料分別在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥12h，確認(rèn)干燥后取出，利用小型高速粉碎機(jī)將原料充分粉碎，然后過(guò)80目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到小于0.2mm粉末，備用。將以上各工況下制得的秸稈試樣分別在智能馬弗爐中進(jìn)行快速灰化，測(cè)定各個(gè)試樣的燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)SII值，并對(duì)其規(guī)律性進(jìn)行分析。

　　1.3.2 SII值計(jì)算方法 生物質(zhì)灰分的燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)SII值，是指將80目的秸稈粉末試樣在一定的溫度下進(jìn)行快速灰化，用具體數(shù)值替代直觀判斷來(lái)量化燒結(jié)程度。取瓷舟（質(zhì)量記錄為mp），取80目以下的秸稈粉末試樣（質(zhì)量記錄為m），在馬弗爐中以一定的溫度進(jìn)行快速灰化，待恒重后記錄質(zhì)量mt。

　　1）當(dāng)灰樣微熔時(shí)（即可用海綿條劃動(dòng)時(shí)），將瓷舟和灰樣倒扣于80目篩子中，輕彈瓷舟底部，直至沒(méi)有灰落入篩子中，然后手動(dòng)或在小型振動(dòng)篩中篩灰，直至沒(méi)有灰粒掉落為止，掉落的灰粒質(zhì)量記錄為ma，此時(shí)灰樣的燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)：SII＝1-（ma／mt-mp），SII∈[0，1]。

　　2）當(dāng)燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)SII＞1時(shí)（即用海綿條劃不動(dòng)時(shí)），參照莫氏硬度法，參照物SII值見(jiàn)表3。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1 3種秸稈燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)

　　1）不同水洗及水浴工況下小麥稈試樣燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)見(jiàn)表4，其燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)變化情況如圖1所示。

　　由表4和圖1可以看出：小麥稈800℃灰化時(shí)，相比于原樣，其水洗及水浴后燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)明顯減??；但隨著水浴溫度升高，水浴30min和60min的SII值減小幅度均逐漸降低。水浴30min時(shí)60℃處理的緩解結(jié)渣效果最好，水浴60min時(shí)30℃效果最好。小麥稈900℃灰化時(shí)，相比于原樣，其水洗及水浴后燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)明顯減??；但隨著水浴溫度升高，水浴30min和60min的SII值減小幅度均逐漸降低，當(dāng)水浴溫度達(dá)到75℃后效果反而不如水洗處理。水浴30min時(shí)30℃效果最好，水浴60min時(shí)30℃效果最好。

　　2）由于基本工況相同，稻稈和玉米稈的水洗及水浴工況和燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)不再用表格列出，只列出其燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)變化曲線，分別如圖2和圖3所示。

　　由圖2可以看出：稻稈800℃灰化時(shí)，相比于原樣，水洗及水浴處理后燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)明顯減??；但隨著水浴溫度升高，水浴30min和60min的SII值減小幅度均逐漸降低。水浴30min時(shí)30℃處理的緩解結(jié)渣效果最好，水浴60min時(shí)30℃效果最好。稻稈900℃灰化時(shí)，相比于原樣，水洗及水浴處理后燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)明顯減?。坏S著水浴溫度升高，水浴30min和60min的SII值減小幅度均逐漸降低，當(dāng)水浴溫度達(dá)到45℃后效果反而不如水洗處理。水浴30min時(shí)30℃效果最好。

　　由圖3可以看出：玉米稈800℃灰化時(shí)，隨著水浴溫度升高，水浴30min和60min的SII值減小幅度均逐漸降低。水浴30min時(shí)45℃處理的緩解結(jié)渣效果最好，水浴60min時(shí)30℃效果最好。玉米稈900℃灰化時(shí)，相比于原樣，水洗及水浴處理后燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)明顯減小。水浴30min時(shí)45℃和60℃效果最好，水浴60min時(shí)90℃效果最好。

　　2.2灰樣分析

　　以稻稈灰樣（如圖4所示）為例，分析不同工況下灰樣的理化性質(zhì)。

　　由圖4可以看出：經(jīng)過(guò)預(yù)處理的秸稈灰樣，其結(jié)渣問(wèn)題得到明顯改善。在相同灰化溫度、相同水浴時(shí)間條件下，不同水浴溫度的灰樣表面表現(xiàn)出不同的形式，具有一定的差異性。灰化溫度為800℃時(shí)，灰樣表面顏色變化不大，表面裂紋隨著水浴溫度升高逐漸變大。

　　3結(jié)論

　　在生物質(zhì)燃燒結(jié)渣特性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究不同水洗及水浴條件對(duì)生物質(zhì)結(jié)渣性能的影響。結(jié)果表明：水洗及水浴處理對(duì)不同生物質(zhì)的結(jié)渣性能影響略有差異。水洗處理后，小麥稈、稻稈、玉米稈燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)均顯著減小，緩解結(jié)渣效果較好；水浴處理后，小麥稈、稻稈、玉米稈燒結(jié)強(qiáng)度指數(shù)均顯著減小，緩解結(jié)渣效果較為理想，但均隨著水浴溫度升高而效果減弱。不同的是，小麥稈、稻稈均在水浴30℃時(shí)效果最好，而玉米稈則是水洗后效果最好。

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