麥秸稈結(jié)渣特性實(shí)驗(yàn)與分析

時(shí)在濤，武瑞娟，馬志勇，秦威鋒，徐廣印

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002)

生物質(zhì)燃料壓塊是一種新型的清潔能源，由于其節(jié)能、減排、環(huán)保、原料多、成本低、可再生等特點(diǎn)，生物質(zhì)燃料成為推廣的方向之一。生物質(zhì)固體成型燃料是指利用生物質(zhì)壓塊技術(shù)將廢棄農(nóng)作物秸稈、花生殼、樹(shù)枝樹(shù)皮、木屑等壓制成型的。這種生物質(zhì)壓塊燃料熱值高，燃點(diǎn)低，燃盡率高，排放出的氣體對(duì)大氣無(wú)污染。使用生物質(zhì)燃料代替煤，可以一次性解決來(lái)自環(huán)保上的壓力(成本浮動(dòng)約為±5%左右);使用生物質(zhì)燃料代替石油、天然氣等能源，可以給企業(yè)節(jié)約20%～50%的能源成本。生物質(zhì)燃料有著廣泛的應(yīng)用前景。

但是以農(nóng)作物秸稈為原料的生物質(zhì)固體燃料在燃燒過(guò)程中存在結(jié)渣現(xiàn)象，結(jié)渣嚴(yán)重影響了燃燒效率。選取麥秸稈作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行結(jié)渣特性試驗(yàn)，旨在研究其結(jié)渣特性，為提高燃燒效率提高一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

麥秸稈，灰熔點(diǎn)測(cè)試儀，烘干機(jī)，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(nèi)，放入灰熔點(diǎn)測(cè)試儀，選取國(guó)際檔進(jìn)行測(cè)定，依次記錄下變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度。重復(fù)3組，取平均值。

其中變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度具體含義:變形溫度指灰錐尖端開(kāi)始變圓或彎曲時(shí)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(shí)的溫度;半球溫度指灰錐形變成半球形，即高約等于底長(zhǎng)的1/2時(shí)的溫度;流動(dòng)溫度指灰錐熔化展開(kāi)成1.5 m以下的薄層時(shí)的溫度[1]。

根據(jù)GB/T1572—2001燃料的結(jié)渣性測(cè)定方法和GB/T476—2001燃料灰渣成分分析方法對(duì)生物質(zhì)成型燃料進(jìn)行結(jié)渣性能分析。測(cè)灰熔點(diǎn)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(fēng)條件下在30 min內(nèi)將溫度從室溫升至500℃;達(dá)到該溫度后在此溫度下保持30 min，再繼續(xù)升溫至800℃，并在此溫度下灼燒1 h。之后進(jìn)行檢驗(yàn)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(xì)至0.1 mm以下。取1～2 g試樣放在玻璃板上，用數(shù)滴糊精濕潤(rùn)并調(diào)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(nèi)灰錐小心地推至玻璃板上，與空氣中風(fēng)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(nèi)，并使灰錐的垂直于底面的側(cè)面與托板表面垂直。擰緊觀(guān)測(cè)口蓋，在手電筒照明下將剛玉舟徐徐推入爐內(nèi)，并使灰錐與電偶熱相距2 mm左右，選取國(guó)際檔(900℃以前升溫速度15～20℃·min－1;900℃以后升溫速度±5℃·min－1)開(kāi)始測(cè)定[2]。

2 結(jié)果與分析

2.1 特征溫度

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dòng)溫度為1 280℃。

還原性氣氛中的初始變形溫度是預(yù)測(cè)爐內(nèi)結(jié)渣傾向的一種常用指標(biāo)，用溫度判別燃料結(jié)渣性界限為:＞1 280℃，不結(jié)渣;1 108～1 288℃，中等結(jié)渣;＜1 260℃，嚴(yán)重結(jié)渣。根據(jù)這種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)麥秸燃料結(jié)渣情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，變形溫度1 195℃為麥秸具有中等結(jié)渣性。

判別燃料結(jié)渣性界限為:＞1 390℃，輕微結(jié)渣;1 260～1 390℃，中等結(jié)渣;＜1 260℃，嚴(yán)重結(jié)渣。根據(jù)這種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)麥秸稈結(jié)渣情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，軟化溫度1 205℃為麥秸具有嚴(yán)重結(jié)渣性[3－5]。

灰熔融特征溫度的測(cè)定具有較大的測(cè)量誤差，因而只能提供爐內(nèi)結(jié)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(jié)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(jié)合其他的方法進(jìn)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(jiàn)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(zhì)生物質(zhì)中SiO2含量較少，一般不超過(guò)總灰量的20%，計(jì)算結(jié)果表明，木質(zhì)生物質(zhì)硅比較小，現(xiàn)有的煤判別界限不適合麥秸稈結(jié)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(shù)據(jù)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(yán)重結(jié)渣傾向。

表2 煤結(jié)渣指數(shù)判別界限

硫分結(jié)渣指數(shù)。由于生物質(zhì)中含S較少使得硫分結(jié)渣指數(shù)較小，大多數(shù)硫分結(jié)渣指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輕微結(jié)渣判別界限，與實(shí)際結(jié)渣傾向不吻合。因此不適合判別生物質(zhì)結(jié)渣傾向。

鐵鈣比。鐵鈣比雖然在判別界限范圍內(nèi)但由于生物質(zhì)中氧化鈣含量較大，致使用鐵鈣比判別生物質(zhì)向時(shí)基本為輕微，也不符合實(shí)際結(jié)渣傾向，因此鐵鈣比也不適合作為生物質(zhì)結(jié)渣傾向判別指數(shù)。

堿性氧化物指數(shù)。文獻(xiàn)[7－8]作者提出采用堿性氧化物指數(shù)來(lái)判別燃料的結(jié)渣特性。＜0.17為輕微，0.17～0.34為中度，＞0.34為嚴(yán)重。由表1中麥秸稈灰分?jǐn)?shù)據(jù)得出麥秸稈的堿性氧化物指數(shù)為1.07＞0.34，由此判別標(biāo)準(zhǔn)麥秸稈也具有嚴(yán)重結(jié)渣傾向。

3 小結(jié)

實(shí)驗(yàn)得出麥秸稈燃燒后具有嚴(yán)重的結(jié)渣傾向，針對(duì)以農(nóng)作物秸稈為原料的生物質(zhì)固體燃料在燃燒過(guò)程中存在結(jié)渣現(xiàn)象，建議在生產(chǎn)過(guò)程中添加相關(guān)的抗結(jié)渣劑，以降低燃燒過(guò)程中的結(jié)渣現(xiàn)象，同時(shí)研究開(kāi)發(fā)具有破渣、清灰的生物質(zhì)燃燒器，以適應(yīng)我國(guó)的秸稈類(lèi)生物質(zhì)燃料。

[1]張全國(guó)，劉圣勇.燃燒理論及其應(yīng)用[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

[2]李寶謙，馬孝琴，張百良，等.秸稈成型與燃燒技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，35(1):70－80.

[3]劉圣勇，王淮東，康艷，等.玉米秸稈成型燃料結(jié)渣特性試驗(yàn)與分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(6):648－652.

[4]劉圣勇，鄭丹，蘇超杰，等.生物質(zhì)成型燃料熱風(fēng)爐結(jié)渣特性及成因?qū)嶒?yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007(6):1032－1035.

[5]劉圣勇，李文雅，蘇超杰，等.物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備結(jié)渣特性試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(增1):135－137.

[6]閻維平，陳今穎.TK6生物質(zhì)燃料結(jié)渣特性分析與判別[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，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.

[8]Vamvuka D，Zografos D.Predicting the behaviour of ash from agricultural wastes during combustion[J].Fuel，2004，83:2051－2057.