成灰温度对生物质与煤混合燃烧熔融性的影响

成灰温度对生物质与煤混合燃烧熔融性的影响

0生物质与煤的混烧减少和使用石化能源的环境保护问题促使人们探索新的清洁能源。生物化学是一种用植物和植物的光合作用将太阳辐射能量固定为生物形式的能源。作为一种可萃取能源，它可以部分缓解人类对化石能源的依赖。然而，与化石能源相比，它们具有能量低、季节依赖性强的缺点。因此，大规模的纯生物化工程很难获得高收入。通过混合着生物化学和焚烧木材，可以解决许多单独燃烧的问题。首先，它可以解决生物化工生产的不稳定问题。由于生物化工的特点是一定季节性产生的，因此可以简单地解决这个问题。其次，在石化燃料锅炉中混合乙醇的投资成本远低于专用于硬质锅炉。因此，生物化学和煤炭混合燃烧已成为工业应用的发展趋势。生物质与煤混合燃烧工业实践中,由于矿物质组分的不同,易产生受热面腐蚀、结渣的问题.国内学者对于生物质灰特性进行了广泛的研究,但成灰温度对生物质与煤混烧中灰熔融性的影响没有进行深入研究.秦建光等的研究表明,生物质灰成分测试中存在偏差的问题.这里主要研究成灰温度对生物质与煤混烧过程中灰熔融性特征参数的变化规律,从而初步解释实验室灰熔融性测量值与实际锅炉运行过程中结渣趋势不符的原因.1原料和方法的实验1.1煤成灰中微量元素的相关分析实验样品选取草本秸秆类生物质稻秆、木质类生物质杨木屑、稻米加工厂废料稻壳、煤为烟煤.元素分析采用德国VarioELⅢ元素分析仪,工业分析依据GB/T212-2008标准测量,发热量采用ASTMD3286标准测量,分析结果如表1所示.并使用日本理学公司制造的D/max2500VB2+/PC型X射线衍射仪对生物质和煤成灰的成分进行了分析,其中生物质采用了ASTME1755-01标准制取灰样,分析结果如表2所示.1.2煤中灰样的制备实验采用2种方法制取灰样,来研究煤与生物质不同配比条件下的灰熔融性.第一种方法为直接将生物质与煤以不同质量比进行混合后制取混合灰样,其质量份额如公式(1)所示,并根据GB/T219-2008进行灰的熔融性实验;第二种方法为分别制取煤与生物质的灰样,然后参照公式(2),掺混纯煤和生物质的灰制成灰锥,进行灰的熔融性实验.R=mBmB+mCR=mBmB+mC(1)mB,AmC,A=R×AB(1−R)×ACmB,AmC,A=R×AB(1-R)×AC(2)式中,mB为生物质燃料的质量,kg;mC为煤的质量,kg;R为生物质燃料占总样品的质量百分比;mB,A为生物质灰样的质量,kg;mC,A为煤灰的质量,kg;AB、AC分别为生物质和煤的空气干燥基灰分.实验中成灰温度是研究的重点.对于方法一,灰样制备方法为:要求先将小于0.2mm的生物质与煤以不同质量比进行混合后的样品放到马弗炉中以815℃灼烧2h后取出,冷却后将煤灰研磨至0.1mm,再在815℃灼烧,每灼烧30min称量1次,直至恒重.方法二中,参照ASTME1755-01,对单独煤与生物质的灰样制备方法为:要求先将小于0.2mm的煤样放到马弗炉中先升温至500℃后保持30min,然后升至815℃灼烧2h后取出,冷却后将煤灰研磨至0.1mm,再在815℃灼烧,每灼烧30min称量1次,直至恒重;对于生物质,ASTME1755-01中要求先将样品粉碎至小于100目,然后放到马弗炉中先升温至300℃后保持30min,然后升至575℃灼烧2h后取出冷却,每灼烧30min称量1次,直至恒重.2生物质与煤的熔融性特性图1为不同质量稻壳与煤混合后灰的熔融温度.图中的高温成灰指的是采用方法一来制取灰样,进行灰的熔融性实验,而低温成灰为方法二所述的方法.实验结果表明,2种成灰方法所得结果存在明显差异,尤其是生物质含量大时较为突出.纯稻壳灰的变形温度2种成灰方法之间的差异接近300℃,纯稻壳灰的软化温度TS之间也存在200℃左右的差异,但稻壳灰的流动温度TF之间的差异不是很大.由表2中灰的成分分析可进行机理分析,煤灰与稻壳灰的K2O和SiO2含量差异较大.Krishnarao等研究表明,温度达到620K时K2O分解释放出K,采用高温成灰法,生物质中K的含量较低.SiO2的熔点熔化温度为1716℃,但的熔点为997℃,所以以上现象是由于制样温度不同造成K含量不同而引起的.当生物质与煤的质量份额发生变化时,不同制样方法引起的特征温度变化规律也存在一定的差异.高温成灰时,纯煤灰的TD、TS和TF均低于纯稻壳灰的TD、TS和TF,随着生物质比例的减少,混合物料灰的各项熔融特征温度应该逐渐接近煤灰的各项熔融特征温度.低温成灰时,变形温度TD和软化温度TS,随生物质含量的降低,表现出先增加后降低的趋势,图2中A点反映出,稻壳采用低温成灰方案时,存在某个阶段能够使得混合物的TD高于煤的TD,也就是说,稻壳的加入能够降低燃料的结渣性.图3为不同质量稻秸秆与煤混合后灰的熔融温度.从图中可知纯煤灰的TD、TS和TF分别高于稻秸秆灰的TD、TS和TF,且混合后的稻秸秆与煤所成灰的特征温度均处于两者之间.2种成灰方法所得结果同样存在差异,这表明对于具体的农作物,虽然选取的部位不同,但总体还是表现出一定的相关性,这可以从表2的灰成分分析中得到.从实验中还可得知稻秸秆与煤掺混比例对其TS和TF的影响不是很大,但加入稻秸秆的质量含量超过10%后,对TD的影响较为明显,直到稻秸秆含量超过80%后变化趋势变缓.图4为不同质量白杨木屑与煤混合后灰的熔融温度.实验数据表明,2种制样方法虽然存在一定差异,但变化范围不大,总体上表现为低温成灰的灰的熔融性特征温度低于高温成灰方案.纯煤灰的TD、TS和TF分别高于白杨木屑灰的TD、TS和TF,但混合后的白杨木屑与煤所成灰的TS在白杨木屑质量含量为80%时低于纯白杨木屑的TS.分析原因是当碱金属和SiO2的含量满足一定关系时,结合成共晶体或共晶体混合物,使得灰熔点降低.从表2中可知与其他2种生物质相比,白杨木屑的SiO2二氧化硅的含量非常低,这可能是存在一个低温TS的原因.从实验中还可得知,白杨木屑与煤掺混比例对其TS和TF的影响很大,但对TD的影响较大的区域为生物质质量含量小于60%的区间.由上述实验可知,采用不同的制样方式,生物质与煤混烧灰的熔融性特征参数存在一定的差异.与煤灰中主要成分比较,生物质灰分中含碱金属和碱土金属较多,而K2O的熔点远远低于煤灰的制样温度,对于生物质燃料而言,若采用高温成灰方式,使得测量数据不能真实地反映灰的熔融性,也就不能通过灰熔融性来判断锅炉的结渣状况.3u3000生物质与煤混合的热性能特性利用HR-3C灰熔融性测定仪研究了3种生物质与煤以不同掺混率在不同的成灰温度下熔融特性,从实验数据分析得到以下几个结论:①成灰温度不同时,所得结果存在明显差异,尤其是生物质含量大时较为突出,对于纯稻壳灰的变形温度TD2种制样方法之间的差异接近300℃;②稻壳与煤混合低温成灰时,变形温度TD和软化温度TS,随生物质含量的降低,表现出先增加后降低的趋势;③大多数生物质和煤混合后的熔融特性特征温度都处于两者之间,但对于SiO