|
隨著能源需求的增加和對化石燃料的嚴重依賴，可再生能源越來越受到人們的關注。生物質能作為一種清潔環保的燃料，目前占世界能源消耗的6%至8%，并日益成為一種受歡迎的選擇。投資生物質能作為傳統煤炭、焦油或油氣的有效替代品的公司應該意識到，由于燃料化學成分的不同，它們必須在耐火材料內襯中加入變化。
歷史
在19世紀末煤炭出現之前，生物質(主要是木材)一直是主要能源。在上世紀50年代，中東地區的大量石油資源以一種低成本的能源充斥世界之前，煤炭一直是世界能源之王，此后對石油的依賴一直在持續。
具有成本效益的能源對工業至關重要。對于低成本的石油，在許多情況下，生物質并不具有成本效益，但如果生物質來源是廢物副產品，它可以是非常經濟的燃料來源。總有各種各樣的生物質副產品可供利用，其中許多尚未得到充分利用。隨著我們對不可再生能源的供應在過去幾十年間的減少，生物質能的使用對于確保我們滿足不斷增長的能源需求至關重要。
石油、煤炭和天然氣是穩定的燃料，它們的已知雜質已經被研究和理解了幾十年。生物質有多種選擇，每種燃料來源的雜質在類型和水平上都是獨特的。對于使用生物質作為燃料的鍋爐和加熱器，雜質對耐火材料內襯有負面影響。
正在進行的大規模的耐火材料建造工作。對于使用生物質作為燃料的鍋爐和加熱器，雜質會對耐火襯里產生負面影響。照片：Plibrico
腐蝕性化合物、爐渣的化學性質
在使用過程中，生物質燃燒會積累腐蝕性化合物，形成爐渣。爐渣是由燃燒的生物質的灰渣產生的。生物質灰分由二氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)等氧化物和堿液(鈉、鈣、鎂等)等熔融元素組成。這些堿性物質的含量隨生物質類型和來源的不同而有很大差異。在華氏1500度(815攝氏度)以上，這些堿性物質與硅和氧化鋁發生反應，形成粘性爐渣。當溫度達到華氏1800至2000度以上時，這些煤渣的粘性減弱，因而反應性增強。耐火材料襯里的孔隙率起著重要的作用，因為毛細管從孔隙中吸入的水會把爐渣吸入耐火材料中。生物質通常比煤或石油需要更高的燃燒溫度，因此爐渣由于毛細管作用，隨爐渣粘度的降低而增加。
為了幫助理解這一點，可以想象一個化學家將液體酸和堿的試管混合在一起，產生泡沫狀的滲出物，或者更糟——爆炸。耐火材料和爐渣的反應不那么劇烈，但隨著時間的推移，它的破壞性會非常大。耐火材料和所有材料一樣，具有酸性或堿性的化學性質。理想情況下，耐火骨料和爐渣的pH值應相近，以盡量減少腐蝕。
大自然不喜歡酸堿，而更喜歡中性的表面。酸性爐渣，如高硅爐渣，在滲透到耐火材料襯里時，會試圖中和堿性氧化物耐火材料成分。
鍋爐中的許多耐火材料使用酸性/中性骨料(硅、鋁硅酸鹽和氧化鋁是典型的骨料成分)。這些骨料通常與鋁酸鈣水泥結合。
這些水泥由三個主要氧化物組成：Al2O3-SiO2-CaO，或兩個氧化物:Al2O3-CaO。Calcia (CaO)是這些骨水泥的活性成分，是堿性的。硅渣在耐火材料中與氧化鈣發生反應，形成玻璃的腐蝕層。在運行良好的鍋爐中，渣的形成是很小的，但是如果生物質來源和燃燒溫度有很大的變化，渣的腐蝕可能會加速。
最初的耐火澆注料，現在稱為常規類型，使用了大量的水泥(20%以上)，因此存在大量的堿性氧化鈣。在20世紀80年代，低水泥技術創造出的澆注料中氧化鈣的含量大大降低。這些材料還利用了減水劑、活性細氧化鋁和粉狀硅來制造更致密的填料。這種密度更大的填料創造了更低的孔隙率材料，減少了氧化鈣的滲透性，創造了一個更抗渣和堿的結構。在超低水泥和無水泥可澆注材料方面的進一步發展，創造了更低的水泥用量或替代性的非水泥粘合劑。
堿與耐火材料襯里接觸時，與水泥的反應不是失效的唯一原因。氧化鋁存在于耐火材料中的標準相a-氧化鋁，在有強堿液體和氣體存在的情況下可以轉化為b-氧化鋁。這種轉化導致了明顯的體積膨脹，是生物質鍋爐耐火磚耐堿失效的常見原因之一。用其他原料替代純氧化鋁可以延長襯層的使用壽命。
爐渣穿入耐火材料部分的橫截面。照片：PLIBRICO
堿杯測試
用實驗室堿杯試驗可以預測高堿渣應用中的耐火性能。本試驗采用2×2×2×2的耐火立方體樣品，鉆取中心巖心進行。核心是充滿堿鹽或鹽的組合。在右上角所示的測試中，我們比較了許多標準耐火材料選項，以預測性能。
本例堿性測試是在用合成莫來石聚集體制成的一系列澆注料上進行的。粘結劑的CaO含量從高含量(常規澆注料)到無CaO含量(無水泥澆注料)不等。隨著CaO的降低(從左到右)，堿反應深度(灰色區域)減小，無水泥澆注料在立方體的外鑄表面反應很小，沒有開裂(堿爆)。
圖為莫來石澆注料，在1090攝氏度時具有堿腐蝕性。照片：Plibrico
盡量減少難以忍受的變化
生物質鍋爐因其經濟性和可再生能源地位而越來越受歡迎。在某些情況下，改變燃料來源會對耐火材料襯里產生負面影響。使用正確的耐火材料有助于保持耐火襯里的完整性。
生物質鍋爐利用固體廢物作為燃料，可含有大量的、可變數量的雜質，如爐灰。爐灰的化學成分通常包括二氧化硅和高濃度的堿。生物質在比石油更高的溫度下燃燒，會導致富含堿的硅渣的形成。這些渣對標準耐火材料有腐蝕性。除了腐蝕問題外，與堿有關的失效還可能是由于與堿液和氣體接觸而發生相變造成的。在某些應用中，需要替代耐火材料。堿杯試驗是一種很好的材料選擇方法。在各種粘結劑合成莫來石骨料堿試驗中，水泥用量的減少改善了堿反應和腐蝕。
經驗豐富的耐火專家可以幫助確定最好的耐火產品，以滿足您的特定生物質鍋爐的要求。
作者：Justin Teiken
Plibrico公司采購和產品開發副總裁
jteiken@plibrico
（原文來自：生物質雜志 新能源網綜合） |
