麥秸稈結渣特性實驗與分析

時在濤，武瑞娟，馬志勇，秦威鋒，徐廣印

(河南農業大學機電工程學院，河南鄭州450002)

生物質燃料壓塊是一種新型的清潔能源，由于其節能、減排、環保、原料多、成本低、可再生等特點，生物質燃料成為推廣的方向之一。生物質固體成型燃料是指利用生物質壓塊技術將廢棄農作物秸稈、花生殼、樹枝樹皮、木屑等壓制成型的。這種生物質壓塊燃料熱值高，燃點低，燃盡率高，排放出的氣體對大氣無污染。使用生物質燃料代替煤，可以一次性解決來自環保上的壓力(成本浮動約為±5%左右);使用生物質燃料代替石油、天然氣等能源，可以給企業節約20%～50%的能源成本。生物質燃料有著廣泛的應用前景。

但是以農作物秸稈為原料的生物質固體燃料在燃燒過程中存在結渣現象，結渣嚴重影響了燃燒效率。選取麥秸稈作為實驗材料進行結渣特性試驗，旨在研究其結渣特性，為提高燃燒效率提高一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

麥秸稈，灰熔點測試儀，烘干機，電子天平，馬弗爐，灰錐模具。

1.2 方法

將麥秸稈在馬弗爐里灼燒成灰燼，然后將灰化試樣用模具制成灰錐，將灰錐烘干并粘在灰錐托板的三角坑內，放入灰熔點測試儀，選取國際檔進行測定，依次記錄下變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動溫度。重復3組，取平均值。

其中變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動溫度具體含義:變形溫度指灰錐尖端開始變圓或彎曲時的溫度;軟化溫度指錐體彎曲至錐尖觸及托板或灰錐變成球形時的溫度;半球溫度指灰錐形變成半球形，即高約等于底長的1/2時的溫度;流動溫度指灰錐熔化展開成1.5 m以下的薄層時的溫度[1]。

根據GB/T1572—2001燃料的結渣性測定方法和GB/T476—2001燃料灰渣成分分析方法對生物質成型燃料進行結渣性能分析。測灰熔點的具體步驟如下。

取麥秸稈試樣放入坩堝中，使其分布均勻0.15 g·cm－2，并將坩堝放入電阻爐中，在自然通風條件下在30 min內將溫度從室溫升至500℃;達到該溫度后在此溫度下保持30 min，再繼續升溫至800℃，并在此溫度下灼燒1 h。之后進行檢驗性灼燒，直至重量變化小于0.001 g為止。

將完全灰化的試樣用玻璃研缽研細至0.1 mm以下。取1～2 g試樣放在玻璃板上，用數滴糊精濕潤并調成可塑狀，然后用小尖刀鏟入灰錐模中擠壓成型。用小尖刀將模內灰錐小心地推至玻璃板上，與空氣中風干或恒溫60℃烘干備用。

用將灰錐牢固地粘在灰錐托板的三角坑內，并使灰錐的垂直于底面的側面與托板表面垂直。擰緊觀測口蓋，在手電筒照明下將剛玉舟徐徐推入爐內，并使灰錐與電偶熱相距2 mm左右，選取國際檔(900℃以前升溫速度15～20℃·min－1;900℃以后升溫速度±5℃·min－1)開始測定[2]。

2 結果與分析

2.1 特征溫度

實驗結果表明，秸稈特征溫度變形溫度為1 195℃，軟化溫度為1 205℃，半球溫度為1 225℃，流動溫度為1 280℃。

還原性氣氛中的初始變形溫度是預測爐內結渣傾向的一種常用指標，用溫度判別燃料結渣性界限為:＞1 280℃，不結渣;1 108～1 288℃，中等結渣;＜1 260℃，嚴重結渣。根據這種標準對麥秸燃料結渣情況進行預測，變形溫度1 195℃為麥秸具有中等結渣性。

判別燃料結渣性界限為:＞1 390℃，輕微結渣;1 260～1 390℃，中等結渣;＜1 260℃，嚴重結渣。根據這種標準對麥秸稈結渣情況進行預測，軟化溫度1 205℃為麥秸具有嚴重結渣性[3－5]。

灰熔融特征溫度的測定具有較大的測量誤差，因而只能提供爐內結渣傾向的粗略判別。通常，灰熔融特征溫度較高的燃料大多不具有結渣性，而具有低或中等灰熔融特征溫度的燃料，則往往還需要結合其他的方法進行判別。

2.2 灰渣成分及含量

麥秸燃料的灰渣成分及含量見表1。

表1 麥秸稈的灰渣成分

硅比。硅比=(SiO2×100)/(CaO+SiO2+MgO+Fe2O3)。由于木質生物質中SiO2含量較少，一般不超過總灰量的20%，計算結果表明，木質生物質硅比較小，現有的煤判別界限不適合麥秸稈結渣特性判別。

堿酸比。堿酸比=(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)/(Al2O3+SiO2+TiO2)。將表1中麥秸數據代入式子，得出麥秸堿酸比0.62，與表2中范圍相比較＞0.4，可知麥秸稈具有嚴重結渣傾向。

表2 煤結渣指數判別界限

硫分結渣指數。由于生物質中含S較少使得硫分結渣指數較小，大多數硫分結渣指數遠遠低于輕微結渣判別界限，與實際結渣傾向不吻合。因此不適合判別生物質結渣傾向。

鐵鈣比。鐵鈣比雖然在判別界限范圍內但由于生物質中氧化鈣含量較大，致使用鐵鈣比判別生物質向時基本為輕微，也不符合實際結渣傾向，因此鐵鈣比也不適合作為生物質結渣傾向判別指數。

堿性氧化物指數。文獻[7－8]作者提出采用堿性氧化物指數來判別燃料的結渣特性。＜0.17為輕微，0.17～0.34為中度，＞0.34為嚴重。由表1中麥秸稈灰分數據得出麥秸稈的堿性氧化物指數為1.07＞0.34，由此判別標準麥秸稈也具有嚴重結渣傾向。

3 小結

實驗得出麥秸稈燃燒后具有嚴重的結渣傾向，針對以農作物秸稈為原料的生物質固體燃料在燃燒過程中存在結渣現象，建議在生產過程中添加相關的抗結渣劑，以降低燃燒過程中的結渣現象，同時研究開發具有破渣、清灰的生物質燃燒器，以適應我國的秸稈類生物質燃料。

[1]張全國，劉圣勇.燃燒理論及其應用[M].鄭州:河南科學技術出版社，1993.

[2]李寶謙，馬孝琴，張百良，等.秸稈成型與燃燒技術的產業化分析[J].河南農業大學學報，1999，35(1):70－80.

[3]劉圣勇，王淮東，康艷，等.玉米秸稈成型燃料結渣特性試驗與分析[J].河南農業大學學報，2006，40(6):648－652.

[4]劉圣勇，鄭丹，蘇超杰，等.生物質成型燃料熱風爐結渣特性及成因實驗研究[J].農業工程學報，2007(6):1032－1035.

[5]劉圣勇，李文雅，蘇超杰，等.物質成型燃料燃燒設備結渣特性試驗研究[J].農業工程學報，2006，22(增1):135－137.

[6]閻維平，陳今穎.TK6生物質燃料結渣特性分析與判別[J].華北電力大學學報，2006，22(增1):135－137.

[7]Jenkins BM，Baxter LL，Miles TR，et al.Combustion properties of biomass[J].Fuel Processing Technology，1998，54:17－46.

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