秸稈的組成成分包括 :纖維素 、半纖維素 、木質素 、類脂物、蛋白質、單糖、淀粉、水分、灰分和其他化合物。每一種組分的含量比例是由生物質種類、生長時期和生長條件等因素決定的 。 秸稈中的灰分有2種來源:一是燃料本身固有的 ,其形成于植物生長過程中,本身固有的灰分相對均勻地分布在燃料中 ;二是燃料加工處理過程中帶入的 ,如砂子、土壤顆粒等,其組分與燃料固有的灰分差別很大。秸稈生物質原料所包含的無機元素主要有鉀、鈉、氯、硫、鈣、硅及磷等,它們是在生物質熱化學轉化利用過程中導致結渣、積灰的主要元素。根據生物質中所含無機元素的品種、數量的不同 、熱化學轉化工藝和采用的具體反應器類型的不同 ,堿金屬引發的問題有各種各樣的表現形式。 在高溫燃燒環境下,堿金屬及其相關無機元素可能在爐膛內形成熔渣或進入氣相 ,以蒸汽和飛灰顆粒的形式沉積于受熱面 ,影響鍋爐的熱效率 ,同時對換熱面造成嚴重腐蝕 ;在采用流化床作為燃燒或氣化反應器時 ,生物質原料中的堿金屬可能與床料反應形成低熔點的共晶化合物而引起顆粒聚團 ,妨礙流化 ,甚至造成流化失敗。這都會導致設備維護費用上升、可用率降低和運行周期縮短 ,從而大大削弱整個生物質轉化利用系統的適用性和在能源市場上的競爭力。
堿金屬引發的床料聚團 、結渣問題
國內外許多學者對生物質燃燒爐床料聚團、結渣問題進行了研究。以石英沙為床料的秸稈氣化試驗表明 : 床料聚團現象發生在 800℃,當溫度超過800～820℃時 ,嚴重的不流化現象發生。他們認為 ,秸稈灰中鉀的含量高是造成這一現象的主要原因 。秸稈在中型流化床上燃燒的試驗結果證明:秸稈和木材混燒可減輕聚團發生 ,但該現象不能完全消除。150 kW 流化床連續運行試驗中 ,盡管秸稈的燃燒溫度低于 700℃,但由于床料的聚團和流化失敗使鍋爐在 1個月內停止2～3次。秸稈在實驗室小型流化床上燃燒試驗表明 :生物質燃燒過程中有機鉀轉化為不同形式的無機鉀鹽和不同的K2O - SiO2 共晶化合物。 當燃燒溫度低于 900℃時 ,多數鉀趨于留在床料中 ,石英沙表面明顯地覆蓋著一層引起聚團和不流化的熔融態 K2O - SiO2。研究還表明:降低溫度可以明顯地延長床料由流化到不流化過程 。 由此可見 ,結渣和聚團是由堿金屬及相關無機元素引發的常見問題。 爐膛內的高溫區通常形成含硅量很高的融渣 ,它們主要是由堿金屬或堿土金屬和硅、硫化合物反應形成的熔融混合物和玻璃狀物質組成。 熔渣可以在爐排或者爐墻 ,特別是表面敷設有耐火材料的溫度較高的墻面上形成并積累。有時在鍋爐給料口附近的爐墻部分也可以發現這一類熔渣。單純的灰是不能起粘結劑作用的。砂和灰的熔點都高于1 000℃,而實際運行表明 ,在700℃就會發生聚團、結渣。 一般認為 ,顆粒聚團是因為生物質灰中富含鉀和鈉 ,這些元素的化合物與砂中的 SiO2反應 ,生成低熔點的共晶體 ,熔化的晶體沿砂的縫隙流動 ,將砂粒粘結 ,形成結塊 ,破壞流化。反應方程式如下
2SiO2 + Na2O→Na2O·2SiO2 , (1)
4SiO2 + K2O →K2O·4SiO2。 (2)
這2個反應可以形成熔點僅為650～700℃,低于流化床通常運行溫度的共晶化合物 ,正是這些熔融態的物質充當顆粒之間的粘合劑而引起了聚團 。 顆粒聚團發生后降低了床內的流化質量 ,往往引起床內溫度不均 ,出現局部高溫 ,增加床內處于熔化狀態的堿金屬化合物出現的機會 ,加劇聚團趨勢 ,最終導致流化失敗 ,而且該過程具有自增強趨勢 。
