秸秆的组成成分包括 :纤维素 、半纤维素 、木质素 、类脂物、蛋白质、单糖、淀粉、水分、灰分和其他化合物。每一种组分的含量比例是由生物质种类、生长时期和生长条件等因素决定的 。 秸秆中的灰分有2种来源:一是燃料本身固有的 ,其形成于植物生长过程中,本身固有的灰分相对均匀地分布在燃料中 ;二是燃料加工处理过程中带入的 ,如砂子、土壤颗粒等,其组分与燃料固有的灰分差别很大。秸秆生物质原料所包含的无机元素主要有钾、钠、氯、硫、钙、硅及磷等,它们是在生物质热化学转化利用过程中导致结渣、积灰的主要元素。根据生物质中所含无机元素的品种、数量的不同 、热化学转化工艺和采用的具体反应器类型的不同 ,碱金属引发的问题有各种各样的表现形式。 在高温燃烧环境下,碱金属及其相关无机元素可能在炉膛内形成熔渣或进入气相 ,以蒸汽和飞灰颗粒的形式沉积于受热面 ,影响锅炉的热效率 ,同时对换热面造成严重腐蚀 ;在采用流化床作为燃烧或气化反应器时 ,生物质原料中的碱金属可能与床料反应形成低熔点的共晶化合物而引起颗粒聚团 ,妨碍流化 ,甚至造成流化失败。这都会导致设备维护费用上升、可用率降低和运行周期缩短 ,从而大大削弱整个生物质转化利用系统的适用性和在能源市场上的竞争力。
碱金属引发的床料聚团 、结渣问题
国内外许多学者对生物质燃烧炉床料聚团、结渣问题进行了研究。以石英沙为床料的秸秆气化试验表明 : 床料聚团现象发生在 800℃,当温度超过800～820℃时 ,严重的不流化现象发生。他们认为 ,秸秆灰中钾的含量高是造成这一现象的主要原因 。秸秆在中型流化床上燃烧的试验结果证明:秸秆和木材混烧可减轻聚团发生 ,但该现象不能完全消除。150 kW 流化床连续运行试验中 ,尽管秸秆的燃烧温度低于 700℃,但由于床料的聚团和流化失败使锅炉在 1个月内停止2～3次。秸秆在实验室小型流化床上燃烧试验表明 :生物质燃烧过程中有机钾转化为不同形式的无机钾盐和不同的K2O - SiO2 共晶化合物。 当燃烧温度低于 900℃时 ,多数钾趋于留在床料中 ,石英沙表面明显地覆盖着一层引起聚团和不流化的熔融态 K2O - SiO2。研究还表明:降低温度可以明显地延长床料由流化到不流化过程 。 由此可见 ,结渣和聚团是由碱金属及相关无机元素引发的常见问题。 炉膛内的高温区通常形成含硅量很高的融渣 ,它们主要是由碱金属或碱土金属和硅、硫化合物反应形成的熔融混合物和玻璃状物质组成。 熔渣可以在炉排或者炉墙 ,特别是表面敷设有耐火材料的温度较高的墙面上形成并积累。有时在锅炉给料口附近的炉墙部分也可以发现这一类熔渣。单纯的灰是不能起粘结剂作用的。砂和灰的熔点都高于1 000℃,而实际运行表明 ,在700℃就会发生聚团、结渣。 一般认为 ,颗粒聚团是因为生物质灰中富含钾和钠 ,这些元素的化合物与砂中的 SiO2反应 ,生成低熔点的共晶体 ,熔化的晶体沿砂的缝隙流动 ,将砂粒粘结 ,形成结块 ,破坏流化。反应方程式如下
2SiO2 + Na2O→Na2O·2SiO2 , (1)
4SiO2 + K2O →K2O·4SiO2。 (2)
这2个反应可以形成熔点仅为650～700℃,低于流化床通常运行温度的共晶化合物 ,正是这些熔融态的物质充当颗粒之间的粘合剂而引起了聚团 。 颗粒聚团发生后降低了床内的流化质量 ,往往引起床内温度不均 ,出现局部高温 ,增加床内处于熔化状态的碱金属化合物出现的机会 ,加剧聚团趋势 ,最终导致流化失败 ,而且该过程具有自增强趋势 。
