近年来随着全球经济的持续、高速发展，各国对能源的需求日益剧增，致使现有的煤、石油等化石能源的储备量日益减少，几乎面临枯竭，能源�；找嫱钩�。按照现在的开采速度，全世界的天然气、石油只能维持到21世纪中叶，即便是煤炭也只能够维持200年左右。并且在化石能源使用的过程中，产生大量的粉尘、有害气体等，对空气的污染非常严重，导致近几年我国多地雾霾天气频繁出现，严重影响着人们的健康。因此，全球各国正努力寻求一种清洁、安全、可持续的新能源。
生物质能源作为一种储量大、可再生的绿色能源，具有可观的发展潜力和良好的产业化前景，在全球的能源结构中拥有重要地位。我国每年约有2.5亿t的农作物秸秆可用于生产致密成型
生物质颗粒燃料，可加工2亿t左右的生物质成型生物质颗粒燃料，直接可以有效减少4.2亿t的C02.120万t SO4和300万t的烟尘排放量。所以，实现我国经济的可持续发展，大力推进秸秆成型生物质颗粒燃料的发展具有十分重要的现实意义。由于秸秆成型生物质颗粒燃料在燃烧过程中容易出现结渣现象，不仅影响燃烧设备的燃烧热性能，还可能危及燃烧设备的安全性，阻碍了秸秆成型生物质颗粒燃料的推广与应用。因此，进行秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣性研究并对此做好预防措施，具有重要意义。笔者在对秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧过程介绍的基础上，对成型生物质颗粒燃料燃烧结渣机理、性能判断及主要影响因素进行了具体分析，探讨燃烧结渣的危害并对其预防提出了主要措施，富通新能源专业生产销售
秸秆颗�；�、
木屑颗粒机等生物质颗粒燃料成型机械设备。
1、成型生物质颗粒燃料燃烧过程及特点
秸秆成型生物质颗粒燃料是农作物秸秆原料经过干燥、粉碎等预处理后，在成型设备中利用机械加压的方法获得的具有一定形状和密度的固体燃料，其能量密度与煤相比并不算低。如含水率10%、密度1.25g/cm3的秸秆成型生物质颗粒燃料与煤的能量密度比可达0.72。秸秆成型生物质颗粒燃料中所含的有机化合物，其固定碳约是煤炭的1/3，但挥发含量较多，因此秸秆成型生物质颗粒燃料比煤炭容易燃烧。秸秆成型生物质颗粒燃料的燃烧主要可以分为预热干燥、热解燃烧、固定碳燃烧和燃尽4个阶段。这些阶段有的部分也是重合的，没有完全严格的界线。
1.1预热干燥阶段秸秆成型生物质颗粒燃料被加热点燃以后，在辐射热流的作用下，当温度达100℃左右时，燃料的表面和燃料缝隙之间的水分逐渐蒸发出来，逐渐由液态变为气态，扩散到空气中去。
1.2热解燃烧阶段随着燃烧温度的升高，秸秆成型生物质颗粒燃料中分子量小的成分热解气化，达到着火点后发生气相燃烧。热解气化主要得到的产物有CO，H2<C02.CH4、CnHm。等，当温度达260℃时，这些挥发分开始着火，然后持续燃烧。随着气相燃烧的进行，纤维素与半纤维素的热解速率下降，但木质素逐渐高温炭化，通过氧化作用后开始慢慢燃烧。当气相火焰完全熄灭以后，此时成型生物质颗粒燃料中的木质素已经完全炭化，进入焦炭的表面燃烧过程，燃烧速率加快。
1.3固定碳燃烧阶段秸秆成型生物质颗粒燃料中剩余的固定碳在挥发分燃烧初期被包围着，氧气不能与碳的表面接触，经过一段时间以后，焦炭开始燃烧。此阶段固定碳主要分别与氧气、二氧化碳、水蒸气发生反应。这个阶段燃烧速率加快，出现第2次燃烧速率峰值。
1.4燃尽阶段随着燃烧的进行，燃烧速率逐渐减慢，产生的灰分也不断增加，剩余的焦炭被灰分包裹起来，阻碍了挥发分的扩散，从而妨碍焦炭的继续燃烧，造成燃烧速率降低，直至燃尽。与此同时，灰渣中出现了残碳。
通过上述4个阶段的介绍可知，秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧的过程其实是挥发分和焦炭的燃烧过程，前者虽占燃烧时间的15%，但放出的热量却占总热量的65%。
2、成型生物质颗粒燃料燃烧结渣分析
2.1结渣机理秸秆成型生物质颗粒燃料由于灰熔点较低，因此燃烧过程中容易结渣，对燃烧效率影响很大。秸秆成型生物质颗粒燃料容易结渣的根本原因在于碱金属形成的氧化物降低了灰熔点，所以导致了结渣。秸秆成型生物质颗粒燃料的灰渣中主要有Si02.Al203、Fe203、Ca0、Mg0、S02、P205、K20、Na20等，以玉米秸秆为例，其灰渣成分及含量如表1所示。
表1 玉米秸秆灰渣成分及含量
|
灰渣成分 |
均值 |
标准差 |
范围 |
|
SiO2 |
44.04 |
11.32 |
23.22～59.60 |
|
AL2O3 |
2.65 |
1.53 |
0.93～5.97 |
|
Fe2O3 |
1.14 |
0.71 |
0.21～2.54 |
|
CaO |
8.92 |
1.99 |
5.16～11.12 |
|
MgO |
11.11 |
3.06 |
6.69～16.92 |
|
SO3 |
1.25 |
0.39 |
0.76～1.78 |
|
P2O3 |
4.56 |
1.32 |
3.10～7.36 |
|
K2O |
21.11 |
9.13 |
10.94～37.13 |
|
Na2O |
0.66 |
0.51 |
0.16～1.65 |
在秸秆组成的成分中，钾元素、硫元素和氯元素对燃烧结渣起到决定性作用。钾元素是影响秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣的主要元素，钾元素在秸秆中形成的有机物在燃烧的过程中发生分解和汽化，产生了低熔点的氯化物、氧化物和硫化物等，当这些化合物和钾元素凝结在灰粒上时，就会使得灰粒具有低熔点和粘性。研究表明，当钾元素和钠元素组成的化合物与秸秆成型生物质颗粒燃料混有砂土的Si02发生反应后，就会生成低熔点的共晶体( Na20·2Si02)，逐渐聚团后就会形成大面积结渣。硫元素在燃烧过程中从秸秆成型生物质颗粒燃料中挥发出来，与碱金属元素结合生成碱金属类的硫化物，这些产物易凝结在灰粒表面。CaSO4相当于灰粒的粘合剂，能够加重结渣的程度，因此，燃烧富含硫的稻草秸秆时更容易出现大面积的结渣现象。氯元素在秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧的过程中，一方面加快了碱金属元素的迁移和发生化学反应，另一方面增加了许多无机化合物的流动性，尤其是含钾元素的化合物。氯元素可以和碱金属形成稳定且易挥发的碱金属化合物，温度在600℃左右时，形成的含氯碱金属化合物开始进入气相，这是碱金属析出的最主要途径。随着碱金属元素的汽化加剧，灰粒的粘性也增加，结渣明显加快。总之，秸秆成型生物质颗粒燃料中的碱金属、氯元素和硫元素含量越高，就越容易形成低熔点的共晶体，导致聚团结渣加剧，影响秸秆成型生物质颗粒燃料的燃烧效率。
2.2结渣性能判断秸秆成型生物质颗粒燃料在炉排中燃烧时，当氧化层或还原层达到灰渣的软化温度时，灰粒就会软化。随着炉温的升高，灰中的硫酸盐就会形成较大的共熔体，当这些共熔体附着在温度较低的炉壁上就会形成结渣。通常以硅比(G)、铁钙比(I)、碱酸比（B/A）、碱性氧化物指数(A/)来判断秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣性能，其判断界限值如表2所示。
2.2.1硅比(G)。硅比是体现秸秆成型生物质颗粒燃料中残余灰分中Si04的含量，其计算公式为：g=SiO42*100/（SiO2+CaO+MgO+Fe2O3），式中分母的成分主要为助熔剂，当G值越大时，表明灰渣粘度和灰熔点越高，结渣倾向就越小。
2.2.2铁钙比(1)。铁钙比是指Fe203与Ca0的比值，其计算公式为：I=Fe2O3/CaO。秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣倾向性可以通过铁钙比(1)来判断。研究得出玉米秸秆成型生物质颗粒燃料的钙铁比约为0.9，由表1可知，玉米秸秆的成型生物质颗粒燃料具有中等或严重结渣性。
2.2形成结渣的主要因素
2.2.1炉膛温度。秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣率受炉膛温度影响很大，当温度在800 - 900℃时，燃烧结渣缓慢增加；当温度在900 -1000℃时，秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣明显增加；当温度>1000℃后，秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣逐渐增加。
2.2.2燃料粒径及料层厚度。由于燃料粒径的增大，导致燃烧中心的温度升高，灰渣温度容易达到灰熔点，所以容易出现结渣。因此秸秆成型生物质颗粒燃料的粒径越大，燃烧的结渣率也越高。同理，料层厚度增加后，也是导致燃烧中心的温度升高，灰渣温度容易达到灰熔点，所以也容易出现结渣。
2.2.3运行整体工况。燃烧炉中的温度决定于燃烧调整和供风控制，若是二者运行不当，容易使得炉内温度升高，这样就会引起炉内中心区域表面结渣。在保证燃料充分燃烧和供热要求的前提下，通过调整和控制燃料量、通风量等工况条件来降低炉内温度，减少秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣率。通常往燃烧炉通入过量的空气时（过量空气系数为1.5-2.0），可以有效降低燃烧结渣率。
3、结渣危害及预防措施
3.1结渣危害秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣危害对于不同形式的燃烧炉影响不同。如果秸秆成型生物质颗粒燃料用于小型家用炉，由于燃烧结渣的存在，阻碍了成型生物质颗粒燃料的完全燃烧，降低了燃烧炉的热效率。但如果秸秆成型生物质颗粒燃料用于工业用大型燃烧炉，结渣的危害除了上述所提的，还有其他危害。在此主要讨论秸秆成型生物质颗粒燃料用于工业用大型燃烧炉，以电厂锅炉为例，结渣的主要危害有：①燃烧炉的炉膛结渣会使水冷壁的传热阻力增大，降低了水冷壁的吸热效率，导致炉膛出口的温度急剧升高。当温度达到炉膛的超温状态时，就不得不降负荷运行，这样就降低了锅炉的“出力”能力。②结渣后的渣块聚集以后，如果覆盖在水冷管壁上，不仅使水冷管壁受热强度减少，而且使水的循环速度降低。当正常的水循环速度破坏后，极有可能引发爆管事故。③如果结渣出现在燃烧器的喷口，除了直接影响一、二次配风气流量的正常喷射，导致炉膛内燃料、风、烟不能均匀分布以外，还可能造成一次风管堵塞，使得燃烧无法正常进行。④炉膛内部的受热面如果大面积结渣，一旦大渣块从受热面脱落下来，极有可能打坏灰斗的水冷壁管，严重的可能导致爆炸事故，使生命财产受到损失。
3.2结渣预防做好秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧结渣预防工作不仅可以使燃料充分燃烧，提高燃烧炉的热效率，还可以保障燃烧炉的运行安全性，减少不必要的损失。以工业用大型锅炉为例，主要做好以下4个方面的预防工作，可以显著降低燃烧结渣率。
3.2.1控制燃烧温度。由于秸秆成型生物质颗粒燃料的燃烧后的灰熔点较低，在高温下容易聚集结渣，因此可以利用自动控制系统，通过调节配风和燃料量，让炉膛内的温度维持在稳定燃烧时的状态下，确保温度不超过灰熔点温度，这样就可以有效抑制结渣的形成。
3.2.2机械除渣。在生物质燃烧锅炉工作过程中，将炉排改装成能够转动、振动和往复运动的结构形式，这样可以依靠剪切、捶打等外力来破坏渣块聚集，以此抑制结渣。
3.2.3改善锅炉结构设计。除了上述2种抑制结渣的措施，通过改善锅炉的结构设计，降低锅炉燃烧时的炉膛温度，也是避免燃烧结渣的有效措施。对生物质燃烧锅炉进行分段式燃烧设计，能明显降低结渣率。
3.2.4加入添加剂混燃。通过前面结渣机理的分析可知，由于大量碱金属氧化物的存在导致灰熔点低，所以才容易形成结渣。可以在秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧的同时，混合一些易与碱金属氧化物发生反应，并能把碱金属固定下来的添加剂，这样可以起到抑制结渣的作用。
4、结论
秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧的过程其实就是一个放热与吸热的过程，燃烧产生的灰渣由于灰熔点低，导致秸秆成型生物质颗粒燃料燃烧后的灰粒易于结渣�；胰鄣愕偷母驹蚴怯捎诩罱鹗艉吐�、硫等元素存在，所以易于结渣。结渣的倾向性可以用硅比(G)、铁钙比(I)、碱酸比（B/A）、碱性氧化物指数(AI)来进行判断，形成结渣的主要因素有炉膛温度、燃料粒径及料层厚度和运行整体工况等。燃烧结渣不仅使锅炉燃烧效率降低，还可能造成重大经济损失，因此，做好燃烧结渣的预防工作十分重要，可以促进秸秆成型生物质颗粒燃料的大力发展和推广，实现经济与环境的可持续、协调发展。
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