生物質(zhì)的燃燒特性及積灰結(jié)渣特性研究1

張昱軒 卓建坤 肖正航 姚強(qiáng)

(清華大學(xué)熱能工程系,北京100084)

生物質(zhì)的燃燒特性及積灰結(jié)渣特性研究1

張昱軒 卓建坤 肖正航 姚強(qiáng)

(清華大學(xué)熱能工程系,北京100084)

本文基于25kw的高溫一維爐系統(tǒng),對(duì)十種不同的生物質(zhì)燃料的燃燒特性及結(jié)渣特性進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)燃燒著火點(diǎn)以及最大失重溫度基本低于一般的煤,且積灰速率與燃料的最大失重速率有很大關(guān)系。而通常情況下針對(duì)煤燃燒提出的熔渣指數(shù)(SI)和其補(bǔ)充指數(shù)硫指數(shù)(SIs),在針對(duì)生物質(zhì)燃燒積灰的模型中實(shí)驗(yàn)符合程度并不理想。相比之下,新提出的氯指數(shù),在本研究中表現(xiàn)出來(lái)更好的規(guī)律,能更好的預(yù)測(cè)生物質(zhì)積灰特點(diǎn)。

生物質(zhì)燃燒特性 積灰結(jié)渣 硫指數(shù) 氯指數(shù)

1 引言

全球氣候變暖日益顯著，已成為各國(guó)政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。生物質(zhì)在鍋爐中燃燒，是最直接的生物質(zhì)能利用方式，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)發(fā)展可再生能源、控制碳排放目標(biāo)的重要手段之一。由于生物質(zhì)與煤在大容量燃煤鍋爐中的混合燃燒發(fā)電技術(shù)，具有投資改造費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用低、熱效率比直燃鍋爐高、通過(guò)主燃料煤的調(diào)整可以彌補(bǔ)生物質(zhì)燃料來(lái)源特性多變等特點(diǎn)，是國(guó)際上先進(jìn)的生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)方向，利用生物質(zhì)混燒發(fā)電是我國(guó)資源利用的迫切需要，也是解決能源出路的有效途徑之一。

表1 十種生物質(zhì)燃料特性分析Table 1 Proximate and ultimate analyses of ten biomass

表2 十種生物質(zhì)的灰成分及其含量Table 2 ash composition and its content of the ten biomass

2009年12月26日國(guó)家修正的《可再生能源法》明確提出：國(guó)家鼓勵(lì)清潔、高效地開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)燃料，鼓勵(lì)發(fā)展能源作物。《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》也確定了到2020年全國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達(dá)到5000萬(wàn)噸、生物質(zhì)發(fā)電總裝機(jī)容量要達(dá)到2000萬(wàn)kw，年替代2800萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)下發(fā)的環(huán)發(fā)[2006]82號(hào)文件《關(guān)于加強(qiáng)生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理工作的通知》中規(guī)定：“國(guó)家鼓勵(lì)對(duì)常規(guī)火電項(xiàng)目進(jìn)行摻燒生物質(zhì)的技術(shù)改造，當(dāng)生物質(zhì)摻燒量按照熱值換算低于80%時(shí)，應(yīng)按照常規(guī)火電項(xiàng)目進(jìn)行管理?！?/p>

表3 十種不同生物質(zhì)600℃、1小時(shí)的積灰量Table4 the amount of soot formation of ten different kinds of biomass under 600 ℃ in 1 hour

表4 十種生物質(zhì)燃燒特性參數(shù)Table 3 Ten kinds of biomass combustion characteristic parameters

此時(shí)生物質(zhì)的燃燒特性對(duì)于大規(guī)模鍋爐就顯得極為重要，了解和利用生物質(zhì)的燃燒特性對(duì)于生物質(zhì)與煤的混燒發(fā)電有著至關(guān)重要的作用。而生物質(zhì)作為燃料同時(shí)也面臨著新的挑戰(zhàn)：生物質(zhì)燃料中的堿金屬含量很大，燃燒時(shí)很容易在爐膛內(nèi)部產(chǎn)生積灰，積灰會(huì)增大熱阻，減小鍋爐效率，造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，大熱阻也會(huì)產(chǎn)生安全隱患[1]；而堿金屬和酸性離子在高溫下也會(huì)腐蝕爐體表面[2]導(dǎo)致重大后果。這些問(wèn)題不得到克服，生物質(zhì)的混燒發(fā)展就難以繼續(xù)。

到目前為止，針對(duì)生物質(zhì)的積灰的研究有很多，一些文獻(xiàn)中采用熔渣指數(shù)構(gòu)建模型進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]還有一些運(yùn)用灰熔點(diǎn)溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)[4]。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，CFD已經(jīng)成為了生物質(zhì)積灰預(yù)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分[5]，但是在建立模型的過(guò)程中，存在著大量的估計(jì)以及經(jīng)驗(yàn)公式作為計(jì)算模型，而以往的研究多是以單獨(dú)的煤或者大量的煤和少量的生物質(zhì)的混燒作為模型背景的，隨著以后可能出現(xiàn)的生物質(zhì)燃料比例的上升乃至單獨(dú)生物質(zhì)燃燒的鍋爐，煤占主導(dǎo)的燃燒模型會(huì)出現(xiàn)比較大的偏差，那么對(duì)生物質(zhì)燃燒以及結(jié)渣特性的研究作為CFD模型的參數(shù)補(bǔ)充就顯得尤為重要。在生物質(zhì)燃料的發(fā)展中，尋找生物質(zhì)燃燒積灰過(guò)程中的結(jié)渣特性的規(guī)律迫在眉睫。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)常見(jiàn)并具有代表性的十種生物質(zhì)進(jìn)行單獨(dú)燃燒，觀察和分析它們?cè)谌紵^(guò)程中的特性以及結(jié)渣現(xiàn)象，并對(duì)燃燒現(xiàn)象進(jìn)行TGA分析，再以熔渣指數(shù)為基礎(chǔ)，加入對(duì)其他元素(硫元素和氯元素)的考慮并對(duì)結(jié)渣現(xiàn)象進(jìn)行分析，對(duì)十種生物質(zhì)積灰速率進(jìn)行估計(jì)以及擬合，希望找到一種對(duì)于生物質(zhì)燃燒和積灰結(jié)渣特性有效而相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)體系，一方面為大型利用生物質(zhì)的發(fā)電方式提供生物質(zhì)燃燒特性，另一方面也為今后CFD模型的數(shù)據(jù)補(bǔ)充提供生物質(zhì)相關(guān)的參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本項(xiàng)目的研究共收集了十種代表性的燃料，分別為小麥稈、水稻稈、玉米稈、大豆稈、棉花稈、油菜稈、玉米芯、稻殼、樹(shù)皮、木片十種生物質(zhì)。從大的類型上，這十種生物質(zhì)除了木片和樹(shù)皮屬于木本植物之外，其他的都是草本植物。在實(shí)驗(yàn)中需要用不同的方法進(jìn)行粉碎，對(duì)十種生物質(zhì)秸稈都進(jìn)行了磨碎(磨碎粒度200-300um)，以進(jìn)行燃燒特性、一維爐積灰實(shí)驗(yàn)研究。

表1分別給出十種生物質(zhì)燃料的燃料特性分析(按設(shè)計(jì)燃料35.5%水分折算)，從表中可以看出，十種生物質(zhì)燃料揮發(fā)份含量很高，在41.86%-52.68%之間，而固定碳含量偏低，固定碳含量在8.72%-13.51%之間；生物質(zhì)燃料的發(fā)熱量普遍不高，十種生物質(zhì)的低位發(fā)熱量范圍在9.41-11.45MJ/kg，不到煤的一半；灰分含量總體水平不高，但十種生物質(zhì)差別很大，灰分最低的玉米芯僅有1.12%的灰分，而稻殼的灰分含量達(dá)到了12.26%，差別非常明顯。

表2中給出的是這是種生物質(zhì)結(jié)焦的灰化學(xué)成分以及其含量，十種生物質(zhì)的灰成分區(qū)別較大，重要積灰成分等含量有著明顯的差異。

圖1 高溫一維爐燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)Figure 1 high temperature one-dimension furnace combustion experimental system

圖2 積灰速率隨最大失重速率變化關(guān)系Figure 2 formation rate change with maximum weight loss rate

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在清華大學(xué)一臺(tái)25kw的高溫一維爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，如圖1所示，煤粉或其他燃料可以通過(guò)一臺(tái)1-8kg/h給粉量刷式微量稱重螺旋給料機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)定量給料，由一次風(fēng)氣力輸送送到多燃料組合燃燒器的一次風(fēng)入口。多燃料組合燃燒器的配風(fēng)由一次風(fēng)和二次風(fēng)構(gòu)成，二次風(fēng)經(jīng)過(guò)電加熱器時(shí)，其溫度被加熱到400℃后，通過(guò)燃燒器出口旋流片加旋后送入到一維下行爐中，一次風(fēng)和二次風(fēng)在下行爐燃燒器出口區(qū)域形成了一段回流區(qū)域，增加煙氣的返混，以增強(qiáng)燃燒器出口燃料的加熱，以及實(shí)現(xiàn)燃料和空氣的快速混合。燃燒在直徑為150mm、高3.2m的下行爐膛中進(jìn)行，燃盡后的煙氣經(jīng)過(guò)煙氣冷卻器、布袋除塵器后排入到大氣中。

本研究中，選用刮板式給料機(jī)(MFOV-1VO)為一維爐系統(tǒng)輸送生物質(zhì)燃料，輸送速度調(diào)節(jié)范圍是0.1-20cc/min。使用的高溫積灰采樣系統(tǒng)為清華大學(xué)自行設(shè)計(jì)具有自主專利的積灰取樣系統(tǒng)，除了能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的積灰實(shí)驗(yàn)外，也可以用于實(shí)際鍋爐中的積灰采集實(shí)驗(yàn)。其中采樣管外徑根據(jù)采樣當(dāng)?shù)氐牧鲌?chǎng)參數(shù)確定，保證積灰采樣時(shí)流場(chǎng)條件貼近實(shí)際情況。

圖3 積灰速率隨SI值變化的分布Figure 3 deposition rate changing with SI value distribution

本項(xiàng)目考察生物質(zhì)燒結(jié)積灰的影響，選擇采樣管表面溫度： 600℃。當(dāng)一維爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定工況并穩(wěn)定后，火焰區(qū)溫度約為1150℃，采樣處煙氣溫度降至750℃左右，采樣時(shí)間為60min，各工況生物質(zhì)燃料輸送速度均設(shè)置600g/h。

樣品的熱重分析實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)NETSCH公司的STA-409 C/3F熱重分析儀，該儀器可以同時(shí)進(jìn)行試樣的TG和DSC/DTA分析。本次測(cè)試采用空氣作為環(huán)境氣體，按照10℃/min的升溫速率由室溫升溫到1000℃，測(cè)量燃燒失重曲線。

圖4 積灰速率隨SIs值變化的分布Figure 4 deposition rate changing with SIs value distribution

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

事實(shí)上，不同生物質(zhì)的灰含量都有很大差別，而實(shí)驗(yàn)積灰溫度為600℃，各種物質(zhì)在60min的積灰量在表3中給出。本文分別從燃料燃燒過(guò)程中的失重速率以及燃料自身的結(jié)渣特性分析生物質(zhì)燃燒過(guò)程中的積灰情況。

3.1 生物質(zhì)燃燒特性的TGA分析

通過(guò)TGA分析可以得到生物質(zhì)的熱穩(wěn)定性和組分特點(diǎn)，在本次在燃燒特性實(shí)驗(yàn)中，生物質(zhì)的燃燒特性以TG、DTG燃燒分布曲線來(lái)反映，樣品的失重過(guò)程可以假設(shè)分成3個(gè)階段：①由于樣品中的吸附水和揮發(fā)氣體析出，溫度在200℃以下；②生物質(zhì)樣品中的半纖維素、纖維素以及木質(zhì)素的熱解和揮發(fā)分的燃燒反應(yīng)，溫度在200—350℃；③生物質(zhì)中剩余木質(zhì)素?zé)峤庖约敖固咳紵?，溫度?50—600℃。其特性參數(shù)有以下：

(1)著火溫度Ti(℃)。著火溫度是燃料著火性能的主要指標(biāo)，著火溫度越低，表明燃料的著火性能越好。

(2)最大失重速率(最大燃燒速率)(dw/dt)max，%/min，DTG曲線上的峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)過(guò)程中最快的反應(yīng)速率即是最大燃燒速率，(dw/dt)max越大，揮發(fā)分釋放得越強(qiáng)烈。

(3)Tmax最大失重速率所對(duì)應(yīng)的溫度，℃。Tmax越低，則揮發(fā)分的釋放高峰出現(xiàn)得越早，越集中，對(duì)著火越有利；反之，則越不利于著火。

實(shí)驗(yàn)中的十種生物質(zhì)的TG-DTG曲線中的各個(gè)樣品的主要燃燒特性如表4所示。與煤的著火溫度相比，生物質(zhì)的著火溫度很低，由表中可以看出，十種生物質(zhì)的著火溫度在220℃-286℃之間，豆桿的著火溫度最低，為220℃，著火溫度最高的樹(shù)皮也僅僅286℃；在從最大失重速率及其對(duì)應(yīng)的溫度來(lái)看，十種生物質(zhì)的最大失重速率發(fā)生在269℃-335℃之間，相對(duì)來(lái)說(shuō)十種生物質(zhì)的Tmax都比較低，玉米芯最大失重速率對(duì)應(yīng)的溫度最低，為269℃，樹(shù)皮最大失重速率對(duì)應(yīng)的溫度最高，為335℃；從開(kāi)始著火到最大失重速率出現(xiàn)，十種生物質(zhì)的溫度浮動(dòng)都很小，在30℃-72℃之間，說(shuō)明生物質(zhì)會(huì)迅速析出揮發(fā)份，迅速燃燒。

生物質(zhì)由于其成分的原因，無(wú)論在著火溫度，還是最大失重溫度上跟煤都有較大區(qū)別(煤著火溫度350—450℃左右，最大失重溫度在500℃左右[6])，由于其著火溫度和最大失重溫度低，是著火性能非常好燃料；另一方面，也說(shuō)明煤和生物質(zhì)的燃燒特性有所區(qū)別，用煤的燃燒參數(shù)代替生物質(zhì)是不夠準(zhǔn)確的。

本實(shí)驗(yàn)中的積灰速率和燃料燃燒最大失重速率關(guān)系如圖2所示。由于趨勢(shì)明顯不符，去掉了稻桿的數(shù)據(jù)(最大失重速率11.8(dw/dt)max(%/min)，積灰速度9.12(mg/min))，可能由于測(cè)量中對(duì)其最大失重速率的測(cè)量計(jì)算存在偏差或者植物自身的特殊屬性。在其余的9個(gè)數(shù)據(jù)中當(dāng)(dw/dt)max處在8(%/min)左右的時(shí)候生物質(zhì)的積灰速率達(dá)到最大，當(dāng)在8(%/min)左右，無(wú)論增大或減小，都會(huì)使得其積灰速率有所減小。

圖5 積灰速率隨值變化的分布Figure 5 deposition rate changing with value distribution

一方面，積灰的形成，初期機(jī)制是凝結(jié)成核，包括氣相成灰物質(zhì)的冷凝以及較細(xì)小顆粒的沉積，當(dāng)燃料失重速率小時(shí)(小于8(%/min))，成灰物質(zhì)會(huì)形成以K為代表的堿金屬涂層，增大采樣管的表面粘性，積灰速率會(huì)隨著燃料的失重增快而增大；如果燃料失重速率大(大于8(%/min))，含有Si，Al等元素的飛灰也會(huì)很快析出，并且被捕集，與容易析出的高反應(yīng)性堿金屬共同構(gòu)成采樣管外壁，使得外層采樣管的粘性下降，對(duì)飛灰的捕集能力下降，此時(shí)即使燃料失重速率變大，也會(huì)使得積灰速率下降；如果積灰速率很大，采樣管表面熱阻也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)大大增加，溫度升高，熔融態(tài)的成灰物質(zhì)比例增多，表面粘附力又一次增強(qiáng)，但伴隨積灰增厚，外層積灰更容易在大速率產(chǎn)生的飛灰的沖刷下脫落，當(dāng)二者達(dá)到平衡時(shí)，成為積灰的“飽和”態(tài)，形成穩(wěn)定的積灰。

另一方面，積灰的形成不僅和燃料的失重速率相關(guān)，和燃料的灰成分特性也有很大的關(guān)系。不同的灰成分的燃料會(huì)表現(xiàn)出來(lái)不同的特性，其積灰速率也會(huì)受到很大影響。這一點(diǎn)在文章的后面給予說(shuō)明。

3.2 生物質(zhì)的熔渣指數(shù)分析

3.2.1 熔渣指數(shù)

很多文獻(xiàn)中都提到過(guò)熔渣指數(shù)Slagging Index[7]，用來(lái)預(yù)測(cè)生物質(zhì)或煤的結(jié)焦特性，基本的理念是基于堿性氧化物和酸性氧化物的比值作為基礎(chǔ)，然后進(jìn)行分析，一般的公式如下：

有些時(shí)候這個(gè)指數(shù)也會(huì)添加一些其他的因素作為修正。但是，由于添加的修正因素并不會(huì)影響大的趨勢(shì)，在眾多涉及這個(gè)參數(shù)的文獻(xiàn)中[7][8]，都提到，在SI位于0.75-2.0這個(gè)范圍的時(shí)候結(jié)渣強(qiáng)度會(huì)非常大，而小于0.75或是大于2.0范圍都會(huì)使結(jié)渣強(qiáng)度降低。

而在本實(shí)驗(yàn)中的熔渣指數(shù)和積灰速率的關(guān)系正如圖3所示，由于油菜桿和豆桿的灰成分中的堿性氧化物含量非常大，而等酸性氧化物的含量很低，導(dǎo)致SI值相比于其他實(shí)驗(yàn)組大了很多，在圖中可以看到當(dāng)SI＞1后的幾個(gè)點(diǎn)已經(jīng)趨于穩(wěn)定在2mg/min左右的積灰速率上。

可以發(fā)現(xiàn)，積灰速率在SI小于0.6的時(shí)候是較高的，并且在0.2，0.4左右出現(xiàn)兩個(gè)峰值，在SI大于0.6后，雖然略有波動(dòng)，但相對(duì)保持平穩(wěn)狀態(tài)，積灰速率也保持在2mg/min左右小幅波動(dòng)。

大多數(shù)文獻(xiàn)中所體現(xiàn)的0.75-2.0的值域，并沒(méi)有在本次實(shí)驗(yàn)中得到很好地體現(xiàn)。事實(shí)上，整個(gè)SI參數(shù)和值域的提出都是針對(duì)煤在燃燒過(guò)程中的特性提出的，雖然生物質(zhì)和煤的結(jié)構(gòu)類似，燃料特性和積灰成分也有一些相似之處，但相較之下還是有很多不同點(diǎn)。生物質(zhì)中通常有較高量的K，P，Ca元素，但是Fe，Ti元素都低于常見(jiàn)的煤。此外，生物質(zhì)中的堿金屬元素通常以離子或有機(jī)物的形式存在，而煤中通常是以礦物質(zhì)存在。而在燃燒過(guò)程中，離子和有機(jī)元素相比于礦物質(zhì)會(huì)更加不穩(wěn)定一些，非常容易蒸發(fā)、冷凝然后形成沉積，而礦物質(zhì)會(huì)更難一些。

但考慮到煤和生物質(zhì)形成的沉積物的成分大致一致，都作為生物燃料，它們的相似性也是存在的。考慮到上述離子和礦物質(zhì)形態(tài)的堿金屬元素的遷移難易問(wèn)題，由于生物質(zhì)中的堿金屬以離子態(tài)和有機(jī)物態(tài)存在，更容易遷出[9]，生物質(zhì)的積灰速度和SI曲線相比于煤也應(yīng)該會(huì)向左偏移。

相比于煤SI在0.75-2.0之間的積灰速率最大，生物質(zhì)SI可能會(huì)在0.6以內(nèi)就出現(xiàn)積灰速率的迅速增大。但是由于SI在0.6以內(nèi)的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)目所限，規(guī)律還不是非常明確。

3.2.2 硫指數(shù)和氯指數(shù)的考慮

一些文獻(xiàn)中也提到了在結(jié)渣過(guò)程中，特定元素對(duì)積灰的影響非常大，一些研究中也引入了硫指數(shù)這個(gè)概念[10]，用熔渣指數(shù)乘以硫元素在干燃料中的比例，得到一個(gè)新的指數(shù)——硫指數(shù)。即

SIs=SI*

不過(guò)，考慮到氯元素在生物質(zhì)燃燒過(guò)程中對(duì)堿金屬的蒸發(fā)起到的重要作用，本文中也引入一個(gè)新的指數(shù)，用熔渣指數(shù)乘以氯元素在干燃料中的比例，得到一個(gè)新的指數(shù)——氯指數(shù)，即：

SICl=SI*

式中分別表示硫元素和氯元素在干燃料中的比例。

如前文所述，去掉大的指數(shù)對(duì)圖表比例的影響，積灰速度和硫指數(shù)的關(guān)系如圖4所示，而積灰速度和氯指數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

S作為煤燃燒結(jié)焦的重要元素，在生物質(zhì)燃燒積灰的圖樣中并沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)很好的特性，但與最初的SI指數(shù)相比，還是保持了雙峰的特點(diǎn)，并且排除的由于橫坐標(biāo)值過(guò)大的點(diǎn)，它們的積灰速率基本上在2mg/min，這也說(shuō)明了在硫指數(shù)比較大的時(shí)候，積灰速率也趨于平穩(wěn)，這個(gè)和SI曲線是一致的。但整個(gè)圖像比較散亂，規(guī)律性不好，這也是因?yàn)镾元素并不是生物質(zhì)燃燒積灰的最重要元素。

相比之下，Cl作為生物質(zhì)燃燒積灰的重要元素，圖像的特點(diǎn)非常明顯。與其它指數(shù)不同，圖像中的兩個(gè)最大值點(diǎn)(積灰速率10mg/min左右的點(diǎn))在氯指數(shù)的圖中是連續(xù)的兩個(gè)點(diǎn)，中間沒(méi)有大幅的下降的點(diǎn)，構(gòu)成了一個(gè)比較明顯的“峰”，且在這個(gè)大“峰”的右側(cè)，積灰速率都有明顯的下降，并趨于平緩；而在“峰”的左側(cè)，積灰速率雖然有所波動(dòng)，但是也是在2mg/min上下波動(dòng)，而且區(qū)別較大的兩個(gè)點(diǎn)(積灰速率在4mg/min)是樹(shù)皮和木片，這兩種材料組成非常接近，并且是明顯的木本生物，而其他的實(shí)驗(yàn)組多為草本生物質(zhì)，導(dǎo)致了這個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的略微差異。

由此可見(jiàn)，Cl元素作為生物質(zhì)燃燒積灰的重要元素，在積灰結(jié)渣中起著重要的作用。

首先，是它的傳輸作用，在生物質(zhì)燃燒時(shí)，氯元素有助于堿金屬元素從燃料顆粒內(nèi)部遷移到顆粒表面與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

第二，氯元素有助于堿金屬元素的氣化，它可以與堿金屬硅酸鹽反應(yīng)生成氣態(tài)堿金屬氯化物，比如，Cl在焦炭表面與K發(fā)生反應(yīng)生成KCl，而后KCl和含氧的官能團(tuán)進(jìn)一步發(fā)生發(fā)應(yīng)，導(dǎo)致Cl以HCl的形式進(jìn)入煙氣。當(dāng)Cl與堿金屬形成氣態(tài)或者形成HCl的時(shí)候，在燃料粒子的周圍形成了一個(gè)氣膜，改變了燃料的傳熱性能，一方面增大了熱傳導(dǎo)的熱阻，使得周圍的高溫空氣換熱變得困難，另一方面，形成的氣態(tài)KCl、HCl在周圍形成了一個(gè)“遮熱板”的涂層，使輻射傳熱過(guò)程增加了阻力，輻射換熱量減小，此時(shí)，熱量不是由爐壁直接傳給燃料表面，而是由爐壁先輻射給周圍的Cl化物膜，再由這層膜輻射給燃料粒子。在增加了這個(gè)“遮熱板”后，使得換熱量受到一定影響。由于這兩方面的共同影響，整個(gè)燃料顆粒的換熱減弱，吸收的熱量減小，燃燒不充分，形成一部分熔融的堆積，以致形成沉積。

而且隨著堿金屬元素氣化程度增加，形成的氣膜加厚，致使整個(gè)沉淀物和燃料顆粒的溫度下降，而固體和液體的粘性隨著溫度的降低而增加，即沉積物數(shù)量和其粘性也增加。隨著沉積物的粘性增加，導(dǎo)致其撞擊效率一定的基礎(chǔ)上管壁的捕集效率增加，使得沉積速度增加，沉積總量增大。

但是隨著氯指數(shù)的比例進(jìn)一步增大，一方面，由于結(jié)渣指數(shù)在之前圖像中的特性，會(huì)使得整個(gè)積灰的總量下降；另一方面，由于氯元素在這里起到的是一個(gè)加強(qiáng)效果的作用，隨著氯自身的比例增加，會(huì)使結(jié)渣成分的比例降低，也會(huì)使得積灰的總量受到影響而下降。

對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的生物質(zhì)而言，當(dāng)氯指數(shù)在0.05-0.1之間的時(shí)候，積灰速率很大，小于0.05或者大于0.1的時(shí)候，都會(huì)使積灰速率減小并趨于平穩(wěn)(對(duì)多數(shù)草本生物質(zhì))，趨向于2mg/min。

4 結(jié)語(yǔ)

研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)同煤相比，著火點(diǎn)很低，而且最大失重溫度都集中在300℃左右，且從著火點(diǎn)到最大溫度的浮動(dòng)很小，只有30-70℃左右，綜合來(lái)看著火性能非常好，且明顯異于煤。由于燃料特性和積灰機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)燃料失重速率達(dá)到8(%/min)左右時(shí)，積灰的速率達(dá)到峰值。

一些文獻(xiàn)中提到的熔渣指數(shù)(SI)和其補(bǔ)充指數(shù)硫指數(shù)(SIs)，在對(duì)煤的燃燒判斷和積灰預(yù)測(cè)中可以體現(xiàn)出不錯(cuò)的效果，但在針對(duì)生物質(zhì)燃燒積灰的模型中實(shí)驗(yàn)符合程度并不理想。新提出的氯指數(shù)，對(duì)生物質(zhì)的燃燒特性和積灰特性的說(shuō)明符合上做的更好，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)氯指數(shù)在0.05-0.1之間的時(shí)候，積灰速率增長(zhǎng)很大，小于0.05或者大于0.1的時(shí)候，都會(huì)使積灰速率減小并趨于平穩(wěn)，趨向于2mg/min。

實(shí)驗(yàn)作為生物質(zhì)的特性研究，系統(tǒng)地對(duì)不同生物質(zhì)的燃燒和積灰特性做了分析，對(duì)煤與生物質(zhì)的混燒配比以及生物質(zhì)的混合燃燒起到了一個(gè)預(yù)測(cè)和指引的作用，為工業(yè)發(fā)電中煤與生物質(zhì)混燒的減少積灰提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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1張昱軒(1993—),男,江蘇宿州人,漢族,清華大學(xué)本科大四學(xué)生,研究方向:熱能動(dòng)力。