寧新宇^1,2，李詩媛¹，呂清剛¹，矯維紅¹

（1.中國科學院工程熱物理研究所，2.中國科學院研究生院）

　　摘要：在小型鼓泡流化床實驗裝置上，以石英砂為床料，進行了不同溫度下果木枝條成型燃料流化床燃燒床料粘結機理實驗研究。試驗結果表明，溫度是影響生物質流化床燃燒床料粘結的重要因素。通過對實驗中形成的結團進行掃描電子顯微鏡、X射線能譜（SEM/EDX）以及對床料的X射線熒光光譜（XRF）分析表明，床料中堿金屬元素的含量不能作為判斷床料是否將要發生粘結的依據，而是取決于堿金屬的存在形態；同時果木枝條灰中的Ca是構成結團顆粒粘附物的重要組分，其對床層發生結團有一定的影響作用。

　　與常規燃料煤相比，生物質具有其特殊的性質。大部分農業生物質和部分林業生物質中K、Na等堿金屬元素以及堿土金屬元素Ca、Mg等的含量遠遠高于煤中的含量^[1,2]。

　　生物質中的K元素以離子形態或者有機金屬化合物形態存在^[3]。生物質在流化床燃燒過程中，溫度是影響其結團發生的重要因素^[4～6]，這主要是由于含堿金屬的化合物在流化床高溫焚燒過程中容易形成低熔點的鹽類，這些堿金屬鹽類在高溫下處于熔融狀態，易粘附在爐膛壁面上形成結團；同時處于熔融狀態的堿金屬鹽類，容易粘附在流化床的床料顆粒表面，同床料顆粒中的SiO₂反應生成低熔點的共晶化合物，造成床料顆粒的進一步粘結，最后導致床層發生大面積結團，并且不同的生物質發生結團的溫度也存在差異[6]。

　　本文針對果木枝條成型燃料，在流化床實驗裝置上進行不同溫度下床料粘結特性實驗，通過掃描電子顯微鏡、X射線能譜以及X射線熒光光譜等分析手段，進行生物質流化床燃燒粘結機理研究。

　　1實驗

　　1.1實驗物料

　　實驗以蘋果的枝條成型顆粒為燃料，成型顆粒的直徑為6mm，平均長度為15mm，實驗樣品的燃料特性分析結果見表1。實驗采用的床料為石英砂，床料粒徑范圍為0.20～0.355mm。其中，石英砂和果木枝條灰的特性分析見表2。

　　1.2實驗設備與實驗方法

　　實驗裝置由爐體、電加熱爐、螺旋給料機以及空氣壓縮機等組成，見圖1。爐體下部內徑為120mm、高500mm，上部內徑為200mm、高450mm。

　　實驗的工況溫度分別為750℃、800℃和850℃；在實驗過程中，保持螺旋給料機連續穩定地給料，同時通過爐膛頂部設置的觀察窗不間斷地觀察流化床中床料的流化狀態，識別床料發生大面積結團、停止流化的時刻；試驗結束后，取出床料，對床料做粒徑分析和XRF分析，對結團做SEM/EDX。

　　2實驗結果與分析

　　2.1溫度對床料粘結的影響

　　在750℃下，實驗臺正常運行了1082min，床層沒有發生大面積結團，但在實驗后的床料中觀察到有結團顆粒，其形態同果木枝條成型顆粒相似[7]，并且結構致密，硬度較大，見圖2。在800℃和850℃工況條件下，實驗臺分別運行了15min和1min后，床層都發生了大面積結團，床層溫度急劇升高，床料完全停止流化。在兩次實驗后的床料中發現的結團中，都觀察到有內部中空的結團顆粒，并且這些結團顆粒的結構比較松散，硬度較小，見圖3、圖4。實驗現象表明，隨著燃燒溫度的升高，流化床保持正常流化的時間減少。

　　不同溫度下實驗后床料質量增加比例和床料的XRF分析見圖5和表3，從中可以得出，隨著溫度的升高，保持正常流化時間減少，床料中生物質灰所占比例相應減小，同時床料中堿金屬元素K，堿土金屬元素Ca、Mg含量減少，然而實驗中卻隨溫度升高床料發生粘結的程度呈增大的趨勢。由此可見，溫度是影響床料結團的重要因素^[4,8]。床料中生物質灰含量的高低不是決定床層發生大面積結團的決定因素，而與堿金屬元素存在的形態直接相關。

　　對各工況實驗后床料的粒徑進行分析，見圖6；從圖中可以觀察到，在0.355mm以下粒徑范圍，850℃工況的床料占實驗后總床料的比例最大，800℃工況的其次，750℃工況的最小；而在0.355mm以上粒徑范圍，情況卻相反，其原因是生物質灰同床料在高溫下作用形成結團，并且隨著生物質灰在床料中的不斷積累（見圖5），使床料粒徑不斷增大。

　　2.2結團的SEM/EDX分析

　　對750℃、800℃和850℃工況下實驗后出現的結團顆粒進行SEM/EDX分析，見圖7～圖9。從各個工況的SEM照片來分析，形成結團的床料顆粒棱角分明，顆粒表面沒有出現熔融的跡象，只是在顆粒之間形成了一定量的絮狀物將顆粒粘結在一起。EDX分析結果表明，將床料顆粒粘附起來的物質中含有K、Si、Ca、Fe、Mg以及Al等。據此分析形成結團顆粒的原因是生物質灰與床料顆粒發生作用的過程中，生物質灰中的含堿金屬氧物質與床料中的硅化物發生反應，形成低熔點的共熔物，其反應式如下^[4,9,10]

　　方程式中X代表K、Na等堿金屬元素，當n為3、4時，其熔融溫度在800℃以下，這些熔融物在床料顆粒的不斷碰撞接觸中，在不同的床料顆粒表面傳遞，當這些化合物積累到一定程度時，使粘附顆粒的力大于破壞力，床料中的顆粒就會粘附在一起形成結團^[4,5]。

　　根據不同溫度下實驗后的EDX分析，床料顆粒之間的粘結物質中Ca元素的含量較高。有關文獻顯示，堿土金屬元素Ca對于床層的結團具有抑制作用^[10,11]；但是當Ca在灰中超過一定含量時，也將會促進床料發生粘結^[8,12]。因此實驗中高含量的Ca對床料粘結可能起到促進作用，但是還有待深入研究。

　　3小結

　　(1)隨著床層溫度的升高，床層發生結團的時間明顯減小；溫度是影響生物質流化床燃燒床料粘結的重要因素。

　　(2)床料中堿金屬元素的含量不能作為判斷床料是否將要發生粘結的依據，床料是否粘結取決于堿金屬的存在形態。

　　(3)堿土金屬元素Ca是構成結團粘結物的重要組分，其對床層發生結團現象具有一定影響。

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