王振宇

摘要：生物質(zhì)能是指綠色植物經(jīng)光合作用，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學能后以有機質(zhì)形式固定和儲藏在生物體內(nèi)的能量，可實現(xiàn)CO2近零排放，且生物質(zhì)中氮、硫含量較低，其燃燒后NOx、SO2等污染物排放量比煤小。所以，利用生物質(zhì)能既可解決能源問題，也可以解決環(huán)境問題。近年來，我國高度重視大氣污染防治工作，不斷研究制定相關政策，積極推廣清潔能源供熱方式。生物質(zhì)顆粒燃料是一種高效、環(huán)保、方便儲存與運輸、易燃的成型燃料，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料應用于取暖、發(fā)電等領域，但存在易結(jié)渣和腐蝕等缺點。目前我國生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)還面臨著發(fā)展瓶頸，存在著技術相對落后、缺乏排放標準等問題，因此，了解生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性和燃燒過程中污染物釋放水平及規(guī)律十分必要。筆者在本課題組研究的基礎上，著重探討燃燒過程中氮氧化物、二氧化硫、顆粒物等污染物的排放情況，并對未來發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞：生物質(zhì)灰;灰化溫度;結(jié)渣性;資源化利用

引言

隨著化石能源（煤、石油、天然氣）的不斷消耗，環(huán)境污染日趨嚴重?？偭控S富、碳中性、可再生等優(yōu)點的生物質(zhì)越來越受到人們的關注。在燃料方面的開發(fā)和利用對于改善我國能源消費結(jié)構(gòu)、降低環(huán)境污染、促進經(jīng)濟發(fā)展意義重大。由于生物質(zhì)灰中富含堿金屬，在燃燒過程中因其灰熔點較低易出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢、結(jié)渣等問題。因此灰熔融特性調(diào)控成為目前生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的研究熱點。

1生物質(zhì)灰熔融特性的調(diào)控途徑

1.1添加劑對生物質(zhì)灰熔融特性的影響

添加劑主要有Al2O3、SiO2以及鈣鎂含量高的化合物，不同的添加劑對生物質(zhì)灰熔融特性的作用機理不同。

在生物質(zhì)燃燒過程中鉀易形成低熔點化合物，易粘附飛灰顆粒，是形成積灰或結(jié)渣的重要原因。添加少量Al2O3可以大大改善操作條件，有助于減輕結(jié)渣。不同類型的生物質(zhì)或生物質(zhì)與其他燃料（例如污水污泥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)垃圾和煤）的共燃也可有助于減少沉積物的形成，改變生物質(zhì)的結(jié)渣特性。

1.2煤與生物質(zhì)混合燃料的灰熔融特性

煤與生物質(zhì)共利用為生物質(zhì)的大規(guī)模利用提供了方向，減少了對化石燃料的過渡依賴和污染氣體的排放。將煤和生物質(zhì)以合適的比例混合，可以減少混合灰中堿金屬的含量，從而提高生物質(zhì)的灰熔點，避免生物質(zhì)單獨燃燒時產(chǎn)生的一些操作問題（灰沉積、燒結(jié)、結(jié)渣等）。這主要是由于煤中堿金屬含量較少，Si、Al含量較高。隨著煤含量的增加，生物質(zhì)灰熔融溫度升高，引起溫度變化的原因是因為長平煤灰中的石英和莫來石與生物質(zhì)中的成分發(fā)生反應生成鈉長石、白榴石和尖晶橄欖石等礦物質(zhì);在熔融特性方面，煤灰易形成高黏度的高溫難熔體，稻草灰熔融時會釋放更多的揮發(fā)物，易形成低黏度熔體。稻草和煤的混合灰則易發(fā)生流動，有利于礦物質(zhì)發(fā)生反應而熔融。

2燃燒過程中排放的氣體污染物

2.1氮氧化物

燃料燃燒過程中NOx的生成有3種途徑，即熱力型NOx、瞬態(tài)型NOx和燃料型NOx。生物質(zhì)燃燒溫度很難達到1300℃以上，基本不產(chǎn)生熱力型NOx，80%的NOx來自于燃料中N的氧化（燃料型NOx），也有少量是在特定條件下由空氣中的N轉(zhuǎn)化而成（瞬態(tài)型NOx）。NOx的排放量主要與生物質(zhì)顆粒燃料中N的含量有關。通常，燃料中N含量越高、O/N比值越大，NOx排放量越高。另外，S/N比也影響NOx的排放，一般情況下SO2的排放量較高，則NOx的排放量就較低。生物質(zhì)燃燒過程中NOx的釋放峰值有兩個，分別出現(xiàn)在揮發(fā)分的析出燃燒階段和焦炭燃燒階段，且第一個峰值大于第二個。由于生物質(zhì)顆粒燃料中氮元素含量較低，故燃燒產(chǎn)生的NOx比煤要少很多，稻草和木材燃燒釋放的NOx量分別占煤燃燒NOx釋放量的1/3和1/2。Murari等研究發(fā)現(xiàn)：稻草顆粒（N占0.87%）燃燒后NOx排放量約為315mg/m3，而木質(zhì)顆粒（N占0.05%）為67mg/m3，稻草顆粒中含N量是木質(zhì)顆粒的17.4倍，而NOx排放量只有木質(zhì)顆粒的4.7倍，這表明燃料中N的含量越高，N轉(zhuǎn)化成NOx的轉(zhuǎn)化率越低，Eskilsson等和Dias等也都得出同樣的結(jié)論。燃燒溫度、空氣流量等因素也會影響NOx釋放量。本課題組通過實驗發(fā)現(xiàn)：700～900℃的溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高，反應過程中中間產(chǎn)物HCN的生成率增加，NOx釋放量隨之增大;繼續(xù)升高溫度，反應速率大幅增加，O2濃度下降，主燃燒區(qū)呈現(xiàn)強還原性氣氛，部分NO被還原，使得NOx釋放量反而呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2顆粒物

燃料燃燒排放的顆粒物（尤其是細顆粒物）對人體健康具有潛在危害，應該引起關注。生物質(zhì)中的鉀等金屬元素通過燃燒釋放出來，大部分以無機鹽形式凝結(jié)成渣，但也有一小部分以氣溶膠形式進入環(huán)境，這是顆粒物形成的一個重要途徑。生物質(zhì)顆粒燃料燃燒產(chǎn)生的煙塵成分復雜，包括含C的煙灰、揮發(fā)性有機物（VOC）、多環(huán)芳烴及由復雜有機和無機組分組成的氣溶膠等，其中PM2.5所占比重較大，并且顆粒物氣溶膠的主要成分是K2SO4，主要元素有K、S、Cl、Zn、Na、Pb。生物質(zhì)燃料燃燒排放的顆粒物遠少于煤，如松木和玉米秸稈燃燒后排放的顆粒物比傳統(tǒng)煤燃料減少70%。但是，高溫富氧條件下還原性氣氛增強，揮發(fā)分大量析出并燃燒，顆粒物產(chǎn)生量會有一定增加

3生物質(zhì)的結(jié)渣性

生物質(zhì)元素組成不同，燃燒結(jié)渣性不同，主要原因是燃燒灰礦物組成各異。生物質(zhì)灰的結(jié)渣性與其中堿金屬氧化物（K2O、Na2O）、堿土金屬氧化物（CaO、MgO）、SiO2和Cl等含量有關。在生物質(zhì)燃燒過程中，K、Na、Ca等以氣體形式揮發(fā)出來，并以氯化物、硫酸鹽的形式凝結(jié)在灰粒上，降低了飛灰的熔點，增強了灰表面黏性，在燃燒室氣流的作用下，粘結(jié)在受熱面形成結(jié)渣。生物質(zhì)燃料中的氯化物在高溫下參與氧化還原反應，產(chǎn)生HCl和Cl2，與爐膛或者換熱器金屬表面發(fā)生化學反應，造成了受熱面的腐蝕。木質(zhì)類生物質(zhì)中堿金屬與SiO2含量較低，堿土金屬含量較高，燃燒灰熔點高而不易結(jié)渣;秸稈類和草本植物生物質(zhì)中堿金屬與SiO2含量高，堿土金屬含量低，燃燒灰熔點較低、容易結(jié)渣。以Al2O3、SiO2及Ca、Mg等含量較高的化合物為添加劑，可提高生物質(zhì)灰熔溫度，有效減輕結(jié)渣現(xiàn)象。不同添加劑改善生物質(zhì)灰結(jié)渣性的作用機理不同，Al2O3、SiO2與堿金屬氯化物反應生成熔點較高的礦物質(zhì)KAlSiO4（1600℃）和KAlSi2O6（1500℃），提高灰熔溫度，減輕生物質(zhì)灰結(jié)渣性[13]。CaCO3、MgCO3高溫分解生成的CaO、MgO與Al2O3、SiO2反應生成高熔點的CaSiO3、Ca3Si2O7和MgO·Ca3O3Si2O4等，減少玻璃態(tài)物質(zhì)的生成，抗生物質(zhì)灰結(jié)渣效果明顯。

結(jié)語

生物質(zhì)能的開發(fā)利用越來越受到各級政府的高度重視，生物質(zhì)發(fā)電、清潔供暖、作物烘干等方面的應用已具規(guī)模，其燃燒灰也日益增多。生物質(zhì)作為清潔能源，具有可再生、綠色環(huán)保等優(yōu)點，但是燃燒過程中的積灰、結(jié)渣等問題，嚴重影響生物質(zhì)燃燒設備的穩(wěn)定運行。所以，生物質(zhì)灰的物化特性及資源化利用需要廣大科技工作者的關注。

參考文獻：

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[3]李冬冬.添加劑對生物質(zhì)灰結(jié)渣特性影響的實驗室研究[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學，2018.