生物質燃燒（經顆粒機、秸稈壓塊機壓制生產而成）發電以其二氧化碳排放近零、污染物排放少等優點成為生物質能資源利用的一種重要形式。流化床燃燒技術由于其燃料適應性廣、燃燒效率高以及污染物排放少等優點，成為當前生物質燃燒應用及研究的熱點。由于生物質中含有一定量的堿金屬(如K、Na)，在流化床燃燒過程中很容易發生床料粘結現象，其原因是生物質灰中高含量的堿金屬化合物能夠與床料中的Si02反應生成低熔點物質。針對生物質在流化床中發生的粘結現象，目前提出的解決辦法歸納起來主要為三個方面：一是在床料中加入添加劑；二是更換床料，使用含硅量低的惰性床料；三是對生物質進行燃燒前脫除堿金屬前處理。Steenari通過實驗得出高嶺土比白云石更合適作為生物質燃燒的床料；別如山等通過實驗分析指出在床料中添加Fe203、Al203可以在一定程度上抑制床料燒結的發生；FernandezLlorente等研究了以石灰石作為床料對生物質結團的影響，通過實驗研究，得出石灰石能有效抑制床料中結團現象的發生，同時還能減輕換熱器的燒結。
本文將以河砂、白云石、粘土、安化石煤灰為床料，進行玉米秸桿成型燃料在流化床中燃燒粘結特性實驗研究。通過SEM/EDX分析手段研究控制生物質流化床燃燒粘結機理，據此找到適合生物質流化床燃燒的床料，為生物質流化床直燃技術的工程應用提供理論依據。
1、實驗裝置及實驗方法
流化床實驗裝置由提升管、加熱電爐、螺旋給料機以及空氣壓縮機等組成，如圖1所示。實驗臺總高為950 mm，下部高度為500 mm，內徑為120mm；上部為450 mm，內徑為200 mm。流化空氣由空氣壓縮機經冷干機進入風室。實驗臺上部設有觀察口，可實時觀察實驗過程中的實驗現象。
實驗燃料為遼河平原的玉米秸稈，通過秸稈粉碎機、顆粒機、秸稈壓塊機等粉碎機、成型機粉碎壓縮得到的成型顆粒，形狀為圓柱狀，直徑為6mm，平均長度為10～15 mm，其工業分析、元素分析及熱值見表1。玉米秸稈成型燃料的灰成分和灰熔融特性分別見表2。實驗采用的床料共四種，分別為河砂、白云石、粘土和安化石煤灰，床料粒徑為0.25～0.355 mm，其成分分析見表2。
實驗過程中靜止料位高度為120 mm，流化速度為0.25 m/s，過量空氣系數為1.29，實驗溫度為900℃，給燃料量為0.44 kg/h。在實驗開始階段，首先通過電爐預熱床料，當床層溫度達到400℃時，開始給入玉米秸稈成型燃料，調節電爐使床層溫度保持在900℃。試驗結束后，取出床料，將結團進行SEMlEDX分析。
2、實驗結果與分析
2.1床料特性分析
在以四種不同床料進行的實驗中，實驗均正常運行了8h，床料沒有發生大面積粘結。但在四個實驗后的床料中，都發現有結團顆粒存在，這些結團顆粒的形狀大都類似于玉米秸稈成型顆粒的原始形狀，見圖2，這與文獻得到的實驗現象相一致。四個實驗后的床料在粒徑分布上彼此存在著差異，圖3為不同床料實驗后的粒徑分布。在大干0.355 mm的粒徑范圍里占總床料比重最大的為河砂，其次為白云石，再其次為安化石煤灰，粘土最小；在粒徑小于0.355 mm的粒徑范圍里情況卻相反。根據上述實驗現象分析，此四種床料同生物質灰反應形成結團具有不同的難易程度，根據形成結團的大小和占實驗后床料的粒徑分布劃分床料結團的難易程度，其由易到難的順序為：河砂>白云石>安化石煤灰分>粘土。
2.2結團顆粒的SEM/EDX分析
2.2.1床料為河砂
在以河砂為床料的實驗中發現，存在兩種不同表面形貌的結團顆粒，見圖4(a)和圖4(b)。在圖4(a)中可以觀察到結團顆粒表面粘附大量的床料顆粒，并且顆粒之間排列緊密，將生物質燃料顆粒完全覆蓋；而在圖4(b)中觀察到的結團顆粒與圖4(a)中的結團顆粒相差較大。圖4(b)中的結團顆粒表面包裹著一層絮狀物，粘附的床料顆粒較少。圖5(a)和圖5(b)分別為圖4中兩種結團顆粒表面局部放大的SEM/EDX分析結果。從圖5(a)照片中進一步觀察到床料顆粒的表面比較粗糙，有少量絮狀物生成；在圖5(b)中，表面粘附的床料顆粒較少，主要為絮狀物；對床料顆粒之間絮狀物的EDX分析結果表明，后者堿金屬K和Na含量高于前者，而堿土金屬Mg、Ca反之，后者Al203的含量也較前者高。由此可以推斷，結團顆粒表面床料的粘附是生物質燃燒后的灰散布在床料中堿金屬同Si02發生反應生成低熔點共熔物的結果，在900℃下，這些低熔點共熔物熔融，不斷在碰撞中粘附新的生物質灰，又不斷發生反應，因此出現了生物質顆粒表面粘附床料顆粒的情形。但是由于河砂中含有一定量的Al和Fe元素，將能夠與這些低熔點的物質反應進一步生成高熔點的物質，實驗表明，SEM/EDX分析中發現的絮狀物便是生成的高熔點物質，結團顆粒表面的絮狀物覆蓋了整個表面，阻止了結團顆粒進一步增大．從而抑制了床料粘結和結團。同時，根據圖4(a)中的結團顆粒與圖4(b)中的結團顆粒形態的相似性和表面結構的差異性，可以推斷前者為后者的前趨生成物。
2.2.2床料為白云石
圖6為實驗后結團顆粒表面的SEM/EDX分析，從不同放大倍數的照片中觀察到結團顆粒的表面同圖4(b)的形貌相似，被一層絮狀物質覆蓋，表面粘附的床料顆粒較少。從對結團顆粒的EDX分析結果來看，絮狀物質中Mg、Ca、Si和O含量較高，還含有C、K、Al等元素。實驗中白云石分解生成Mg0和Ca0， Mg0和Ca0能夠與生物質灰中的堿金屬生成高熔點物質如K2Ca2Si309、 K2Ca3Si6 016、 K2 Mg2 Si3 09以及K2Ca3Si6016等，同時由于白云石中本身Si02的含量很少，因此這些高熔點物質在結團顆粒表面形成覆蓋物后，能夠有效地阻止結團顆粒的進一步增大，從而大大抑制了床料粘結和結團現象的發生。
2.2.3床料為粘土
圖7為實驗后結團顆粒表面的SEMlEDX分析，從照片中觀察到，結團顆粒的表面被厚厚的包裹著，表面粘附的床料顆粒較少。通過EDX分析結果來看，床料結團中含有較高的堿土 金屬元素K和Na以及Si元素，同時還含有Al、Fe、Mg和Ca、Al、Fe以及堿土金屬與生物質灰中的含堿金屬化合物均能夠形成高熔點化合物，覆蓋在生物質碳顆粒表面形成隔絕層，阻止低熔點物質的生成與遷移，從而在一定程度上抑制生物質顆粒在流態化燃燒過程中出現的床料粘結現象。
2.2.4床料為安化石煤灰
圖8為實驗后結團顆粒表面的SEM/EDX分析，從結團照片中可以觀察到，結團表面覆蓋了一層床料顆粒，并且在顆粒之間有絮狀物存在。對絮狀物進行EDX分析發現，絮狀物中含有較高含量的K元素，同時含有Ca、Mg、Fe、Al元素。在堿金屬元素K含量較高的情況下，床料沒有發生結團，這是由于Fe和Al的存在，同時由于安化石煤在燃燒后，其灰分已處于一種平衡態，均在一定程度上抑制床料粘結和結團現象的發生。
3、結論
(1)河砂、白云石、粘土和安化石煤灰四種床料同生物質灰反應形成結團具有不同的難易程度，根據形成結團的大小和占實驗后床料的粒徑分布劃分床料結團的難易程度，其由易到難的順序為：河砂>白云石>安化石煤灰分>粘土。
(2)床料中含有的Al、Fe、Mg以及Ca元素能夠與含堿金屬元素的化合物反應形成絮狀的高熔點物質，覆蓋在結團的表面，阻止結團顆粒進一步長大，從而控制床料粘結和結團。
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