花生殼成型燃料結渣特性分析

夏許寧，劉圣勇，王鵬曉，管澤運，翟萬里，劉洪福

(河南農業大學農業部可再生能源重點開放/生物質能源河南省協同創新中心，河南鄭州450002)

隨著能源需求量的增加，以及煤燃燒帶來的環境污染等問題的加劇，生物質因其儲量大、易取材、可再生、污染小等優點，已成為唯一可替代化石能源轉化成氣態、固態和液態以及其他化工原料或者產品的碳資源［1］。生物質成型燃料以秸稈、木屑、稻殼等農林業剩余物為主要原料，用機械加壓的方法，使原本松散的原料壓縮成有一定形狀的成型燃料，最后制成成型環保燃料，熱值高、燃燒充分，是一種潔凈低碳的可再生能源。作為鍋爐燃料，它的燃燒時間長，強化燃燒爐膛溫度高，而且經濟實惠，同時對環境無污染，是替代常規化石能源的優質環保燃料。

我國是花生種植大國，主要分布在山東、河南、河北、廣東等地區。其中，山東省種植面積最大，達80萬hm2，年產量高達11萬t;河南省種植面積約73萬hm2，僅次于山東省。花生殼的年產量約378．19萬t［2］，一小部分用作飼料或直接燃燒，大部分被廢棄，造成資源的大量浪費。利用花生殼制作成型燃料，不僅可以回收資源，而且花生殼作燃料密度大、熱值高、耐焚燒，還可以減少S、N等氧化物對環境的污染。

由于生物質成型燃料中無機元素(K、Na、Cl、S、Ca、Si、P等)含量較高，以鹽或氧化物的形式存在于生物質原料內，這些物質的熔點相對較低，大部分為700～900℃［3］。當生物質成型燃料燃燒時，爐膛溫度高于堿金屬化合物的熔點，使其軟化并粘結在受熱面上，出現結渣、沾污等現象，不僅影響燃燒設備的熱性能，嚴重時還危及燃燒設備的安全運行。所以，對結渣特性進行研究，有利于生物質鍋爐的爐膛設計、受熱面的布置以及吹灰系統的設計。筆者研究花生殼固體成型燃料的結渣特性，為燃燒效率的提高提供理論依據。

1 材料與方法

1．1 試驗原料與儀器 原料為成型花生殼。主要儀器包括粉碎機、烘干箱、電子天平、馬弗爐、灰熔點測定儀、手持快速紅外測溫儀、等離子體發射光譜儀。

1．2 試驗方法 燃料的結渣性測定參照《煤的結渣性測定方法》(GB/T 1572-2001);燃料的灰渣成分測定參照《煤的元素分析方法》(GB/T 476-2001)。

2 結果與分析

2．1 花生殼成型燃料的熔融特征溫度 花生殼成型燃料的熔融特征溫度包括變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動溫度，分別為1 210、1 260、1 315、1 350 ℃。

2．2 基于灰熔融特征溫度的結渣特性評價 無論是燃煤鍋爐還是生物質鍋爐，受熱面均會出現積灰、結渣等現象，生物質鍋爐結渣現象更為嚴重。燃料在燃燒過程中，揮發性高的堿金屬最先揮發，揮發后的氣體部分凝結在煙氣中的細小顆粒上，使顆粒的表面粘性增強，粘附在管壁上，導致受熱面積積灰、結渣、腐蝕等。灰熔融特征溫度是判斷固體排渣層燃料結渣傾向的重要指標之一，根據花生殼成型燃料的灰熔融特征溫度，來預測花生殼成型燃料的結渣傾向。

2．2．1 初始變形溫度。還原性氣氛中的初始變形溫度DT是預測爐內結渣傾向的一種常用指標。當燃料的DT＞1 289℃時，燃料不結渣;當DT為1 108～1 288℃時，中等結渣;當DT＜1 107℃時，嚴重結渣。根據該標準對生物質成型燃料結渣情況進行預測，得出生物質成型燃料的結渣性［4－7］。花生殼成型燃料的初始變形溫度為1 210℃，由此推斷花生殼成型燃料具有中等結渣性。

2．2．2 軟化溫度。當燃料的軟化溫度ST＞1 390℃時，燃料輕微結渣;當ST為1 260～1 390℃時，中等結渣;當ST＜1 260℃，嚴重結渣。根據該標準對花生殼成型燃料結渣情況進行預測。花生殼成型燃料的軟化溫度為1 260℃，由此推斷花生殼成型燃料具有中等結渣性。灰熔融特征溫度的測定具有較大的誤差，只能粗略判斷爐內的結渣傾向。而灰熔融特征溫度較高的燃料大都不具有結渣性，具有低等或中等灰熔融特征溫度的燃料需要結合其他判別方法進行分析。

2．3 基于灰成分綜合比值的結渣傾向判斷 根據灰分的各成分含量計算堿酸比、鐵鈣比、硅比，判斷生物質成型燃料的結渣傾向［8］。花生殼成型燃料灰渣成分中，Si、Fe、Ti、Ca、Mg、Na、K、Al含量分別為 26．8%、2．56%、0．32%、3．70%、2．04%、0．92%、5．66%、6．60%;SiO2、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O、Al2O3含量分別為 57．46%、3．65%、0．53%、5．05%、3．40%、1．53%、6．82%、9．54%。

2．3．1 堿酸比B/A。堿酸比是指灰分中堿性成分的含量與酸性成分含量的比值，計算公式為:B/A=(Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O)/(SiO2+Al2O3+TiO2)，式中 SiO2、Fe2O3等分別為干燥基灰組分的質量分數。在高溫的作用下，堿性氧化物和酸性氧化物會相互作用形成低熔點的共熔鹽，且酸性氧化物的熔點比堿性氧化物的熔點普遍要高。因此，可以用堿酸比來衡量燃料結渣的難易程度。根據堿酸比，將燃料的結渣傾向分為3個等級，即低等(＜0．206)、中等(0．206～0．400);高等(＞0．400)。花生殼成型燃料灰分的堿酸比為0．302，具有中等結渣傾向。

2．3．2 硅比G。硅比的計算公式為G=SiO2/(SiO2+CaO+MgO+Fe2O3)，式中分母大多為助熔劑，SiO2較大意味著灰渣粘度和灰熔點較高，因而G越大，結渣傾向越小［9］。花生殼成型燃料的硅比G=82．6%，根據表1，可判斷花生殼成型燃料具有輕微結渣傾向。

表1 利用硅比G判斷結渣傾向的界限值［10］ %

2．3．3 鐵鈣比。由于花生殼成型燃料燃燒時揮發分含量較高，與煙煤更相近，故按煙煤型灰判斷其結渣傾向。美國近年來用鐵鈣比作為判斷煙煤型灰的結渣指標之一，當鐵鈣比＜0．3 時，燃料不結渣;當鐵鈣比為0．3 ～3．0 時，中等或嚴重結渣;當鐵鈣比＞3．0時，不結渣［11］。花生殼成型燃料的鐵鈣比為0．72，說明花生殼成型燃料具有中等或嚴重結渣性。

2．4 花生殼成型燃料沾污特性評價 由于許多生物質的灰份中K、Na等元素含量很高，造成灰的灰熔點下降。灰熔點的下降會引起流化床的燃料粘結和換熱面灰污、結垢和腐蝕問題［12－13］。爐排上的結渣和對流受熱面上沾污的形成原理不同，但兩者相互影響。花生殼成型燃料燃燒時揮發分含量較高，與煙煤相近，所以按煙煤型灰來判斷其沾污傾向。

2．4．1 沾污指數Rf。沾污指數Rf計算公式為(Na2O)，式中A/B為酸堿比;對于煙煤型灰，Na2O為煤灰中Na總含量。根據沾污指數Rf，煙煤型灰沾污傾向可以劃分為4 個等級，即低(＜0．2)、中(0．2 ～0．5)、高(0．5 ～1)、嚴重(＞1)。花生殼成型燃料沾污指數Rf=0．051，所以其沾污傾向低［14］。

2．4．2 灰分中Na2O含量和當量Na2O。堿金屬氧化物中Na2O的含量對鍋爐沾污影響最為嚴重，所以常用灰分中Na2O的含量和堿金屬氧化物的總含量來預測灰的沾污傾向。把Na2O含量按下式折算成當量Na2O:當量Na2O=，式中A為燃料的灰分;系數0．659為Na2O和K2O的摩爾當量比。花生殼成型燃料的Na2O含量為1．53%，當量Na2O為0．15%，根據表2，可以判斷花生殼成型燃料具有低沾污傾向。

表2 利用灰分中Na2O含量和當量Na2O來判斷沾污傾向

3 結論

采用不同方法判斷花生殼成型燃料的結渣特性及污染特性，結果表明花生殼成型燃料具有中等結渣傾向和低沾污傾向。為避免生物質成型燃料在燃燒過程中出現結渣現象，可以在生產過程中添加抗結渣劑，或采用固體排渣的方式。在設計生物質成型燃料燃燒設備時，要結合不同生物質成型燃料的燃燒特性，合理布置爐膛結構，盡量減少結渣現象，實現生物質燃料的高效燃燒。

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