生物质燃烧过程中结渣行为的研究进展.pdf

92023 年 8 月生物质燃烧过程中结渣行为的研究进展生物质燃烧过程中结渣行为的研究进展陆凯1，郭俊辉2，袁实现1，钱新龙1，洪艺聪1，曹戴文琪3，金良1，冯飞3（1.南京科技职业学院智能制造学院，江苏南京，210048；2.河海大学物联网工程学院，江苏常州，213022；3.南京科技职业学院建筑与艺术设计学院，江苏南京，210048）摘 要：生物质是一种清洁、低廉、可再生的新能源，其利用过程中二氧化碳的排放几乎为零，对于我国实现“双碳”目标具有非常重要的意义。直接燃烧是生物质利用的主要方式之一，然而生物质在燃烧过程中存在的结渣问题限制了其进一步的应用。本文从结渣现象的概念入手，介绍了生物质结渣判别和预测的指标，概述了常见的结渣研究方法和技术，然后从燃料特性、运行条件和锅炉结构等方面重点分析了生物质燃烧过程中结渣行为的影响因素并总结了结渣机理，最后就目前生物质结渣行为研究中存在的问题提出了展望。关键词：结渣；生物质；燃烧；研究进展中图分类号：TK6 文献标志码：A 文章编号：1008-3103（2023）04-0009-08Research Progress on Slagging During Biomass CombustionLuKai1，GuoJun-hui2，YuanShi-xian1，QianXin-long1，HongYi-cong1，CaoDai-wen-qi3，JinLiang1，FengFei3（1.SchoolofIntelligentManufacturing，NanjingPolytechnicInstitute，NanjingJiangsu210048，China；2.CollegeofInternetofThings（IOT）Engineering，HohaiUniversity，ChangzhouJiangsu，213022，China；3.SchoolofArchitectureandArtDesign，NanjingPolytechnicInstitute，NanjingJiangsu210048，China）Abstract：Biomassisakindofclean，low-costandrenewablenewenergy.Thecarbondioxideemissionduringitsutilizationisalmostzero，whichthereforeisofgreatsignificanceforChinatoachievethegoalof“doublecarbon”.Directcombustionisoneofthemainwaysofbiomassutilization，buttheslaggingproblemofbiomassduringcombustionlimitsitsfurtherapplication.Theconceptofslaggingphenomenon，judgmentandpredictionindexesofbiomassslaggingwasintroducedandthenthecommonresearchmethodsandtechnologiesweresummarized.Theinfluencingfactorsofslaggingbehaviorwereanalyzedindetailfromtheperspectivesofbiomassfuelcharacteristics，operatingconditionsandboilerstructures，andtheslaggingmechanismwasthensummarized.Finally，theresearchprospectsinlightoftheproblemsexistinginthecurrentresearchofbiomassslaggingweresummarizedandputforward.Keywords：slagging；biomass；combustion；researchprogress基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（202012920022Y）；南京科技职业学院校级项目（编号：NHKY-2020-15）；江苏高校“青蓝工程”资助。作者简介：陆凯（2000），男，大学在读，主要研究方向为生物质清洁高效利用；通信作者：冯飞（1979），男，博士，教授，主要研究方向为生物质与煤的高值化利用。0 引言人类利用生物质燃料的历史由来已久，随着燃烧技术的发展，生物质作为传统燃料被赋予了新的内涵。我国是生物质资源大国，生物质是我国最具发展潜力的新能源之一，因其利用过程可实现二氧化碳的零排放，因此在“双碳”背景下显得更有意义1。生物质直燃技术是目前相对比较成熟的生物质利用技术之一，可实现生物质的规模化、资源化、减量化和无害化的102023 年第 4 期（总第 168 期）利用。因此，该技术在国内外都得到了广泛的应用，我国的生物质直燃发电机组装机容量也连续多年上升。然而，与常见的化石燃料不同，生物质燃料具有鲜明的特点，不同特点会影响到其燃烧过程中的结渣行为。同时燃烧方式也会对结渣行为产生影响2-5。生物质在燃烧时的结渣降低了燃烧效率和换热效率，严重时可能损坏过热器、炉排等设备，以致锅炉频繁停炉等，这些都限制了生物质直燃技术的进一步推广应用和发展。本文就生物质燃烧过程中出现的结渣行为展开文献分析，总结最新的研究进展，并指出未来的研究方向。1 生物质燃烧过程中的结渣现象结渣是指由于软化或熔融的灰粒冷却不充分，遇到较低温度的壁面时生成的熔渣，熔渣可能在壁面不断生长、团聚6。结渣现象可能发生在燃烧期间，也可能出现在燃烧之后，发生位置大多是锅炉的受热面上（如炉膛水冷壁、屏式过热器等），也可能在床层中，不同种类的生物质燃烧过程中形成的灰渣差异也很明显7，8。结渣既是复杂的物理化学过程，也是非常复杂的气固多相湍流输运问题6，9。1.1 结渣行为的评价指标1.1.1 底灰结渣率底灰结渣率测定方法：取试验用生物质燃料，送入炉内燃烧，待燃烧结束后冷却，将底灰全部取出并筛分，获得其总质量（m1）及灰渣中粒度大于 6mm的渣块质量（m2）。结渣率 C 的计算方法：C=m2/m1100%，即渣块质量占整个底灰的比例。底灰结渣率关系到燃烧器的正常运行时间7。1.1.2 烧熔强度指数生物质灰的熔融情况是结渣的重要表征，其程度与温度直接相关，常见的有“微熔”“全熔”等主观描述。为了能定量地表述特定温度下的熔融情况（即结渣程度），研究人员引入了烧熔强度指数（用符号 SII表示）来表示灰的烧结熔融程度10。生物质灰分的烧熔强度指数的测定采用一步法。对于熔融程度较低的燃料（SII在 01），首先将生物质燃料粉碎到 80 目以下，然后将试样在某温度下成灰，分别记录成灰前容器质量 mp、成灰后容器与灰的总质量 mt，将成灰后的容器扣在 80 目筛上筛分，记录落下的灰质量为 ma，定义 SII=1-ma/（mt-mp）。对于熔融程度较高、结渣严重的燃料，则参考莫氏硬度，利用熔融灰的硬度来衡量熔融程度，即将参比物在烧结的灰样上进行刻划与对比，再根据经验判断其硬度更接近哪个硬度值，并对该值赋予对应的灰样。1.1.3 结渣倾向与结渣性能的评价指标人们常常用结渣指数来评价燃料的生物质结渣倾向或结渣性能。常见的结渣指数包括碱酸比（B/A）、硅铝比（G）、铁钙比、碱性指数等11-19。碱酸比（B/A）是指生物质灰分中碱性氧化物与酸性氧化物的质量比，即 B/A=（Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O）/（SiO2+Al2O3+TiO2），其中氧化物的化学式分别代表各类氧化物的质量含量。一般认为，酸性氧化物熔点较高，而碱性氧化物熔点较低，因此两者的比值可反映出灰分中低熔点盐类的含量。随着 B/A的增大，灰熔点的变化曲线呈抛物线状12。当 B/A 0.5 时为低结渣倾向；B/A 0.51.0 时为中等结渣倾向；B/A 1.0 时为严重结渣倾向13。硅铝比（G）是指灰分中的 SiO2与 Al2O3的质量比。一般认为，SiO2易与碱性氧化物反应生成熔点较低的硅盐，Al2O3则可能生成熔融温度更高的共熔体，因此 Al2O3的存在可提高灰熔点。与 Al2O3相比，生物质灰中 SiO2的含量要多很多，因此硅铝比偏高。硅铝比成为判断结渣的主要因素之一。生物质硅铝比的预判区间大致为：G2.65，则可能发生严重结渣12。铁钙比是指灰分中的 Fe2O3与 CaO 的质量比，判断依据为：铁钙比在 0.3 以下可能发生轻微结渣，而铁钙比在 0.33.0 时可能发生中度结渣，而铁钙比在 3.0以上则可能发生严重结渣14。碱性指数是指燃料单位发热量中的碱金属氧化物的质量含量。其中碱金属氧化物指的是 Na2O 和 K2O。判断依据为：碱性指数小于 0.17，发生结渣的可能性极小；碱性指数介于 0.170.34，发生结渣的可能性增加；碱性指数大于 0.34 时，发生结渣13，15。彭娜娜等16采用硫分结渣指数 IS来分析多种生物质燃料的结渣特性，其中 IS的定义式为：IS=（B/A）Sd式中，B/A 为前已述及的酸碱比，Sd为燃料中硫的百分含量。该指数的判别标准为：当 IS 0.6 时，具有低结渣倾向；当 IS在 0.62.0 时，则为中等结渣倾向；当 IS在 2.02.6 时，为高结渣倾向；当 IS 2.6，112023 年 8 月生物质燃烧过程中结渣行为的研究进展为严重结渣倾向。1.2 结渣问题的危害结渣问题是生物质燃料在燃烧过程中普遍存在的棘手问题。渣块附着在壁面上，既难以清理，还会对燃烧器和锅炉本身的安全稳定运行造成极大的干扰。结渣现象导致换热器的传热能力下降。结渣增加了受热面的传热阻力，削弱了传热效率。在结渣 2h后，水冷壁的传热能力就降低了约 50%。传热恶化会导致炉膛出口烟温的急剧上升，一旦温度超过一定数值，出于安全考虑，锅炉就必须降负荷运行，这影响了锅炉的正常运行。结渣问题降低了燃烧效率。结渣包覆在生物质燃料周围，阻碍了燃料的完全燃烧，增加了热量损失，甚至还会造成燃料在烟道内再燃烧。张善军等20研究发现，结渣出现前，锅炉内有效利用的热量超过了 50%，而在结渣出现后，这一比例急剧下降到个位数。最后，结渣可能带来很多运行时的安全问题。覆盖在受热面上的渣块不仅会导致受热强度下降，还可能导致水的循环速度下降，破坏正常的水循环，严重时可能引发爆管事故。此外，燃烧器的喷口出现结渣，则可能导致配风出现问题，最终破坏正常的燃烧。大渣块如若脱落，则可能打坏受热面，严重时导致爆炸事故，影响到设备及操作人员的安全21。2 生物质燃烧过程中结渣现象的研究现状2.1 主要研究方法结渣行为的研究方法一般从燃料的成分分析开始，获取原料灰和结渣样品，通过现代化的表征方式来获取灰分的演化、灰分表面成分变化、灰分表面形貌的改变等。灰熔点的测试也是研究燃料结渣行为的可靠方法。2.1.1 燃料和灰分的成分分析进行工业分析和元素分析，可获取生物质燃料及其灰分的成分。与煤相比，生物质热值明显低，而挥发分含量较高，但是固定碳含量较低，只有烟煤的二分之一，不同生物质中的灰分含量差距较大，且远低于烟煤，此外，生物质中的含硫量也明显低于烟煤。通过化学成分分析，可获得灰分的主要组成。生物质类型和产地对燃料和灰分的组成有重要影响。2.1.2 灰熔点测试生物质灰并没有固定的熔点，但可能在一定的温度范围内呈现不同的熔融状态，称之为灰的熔融特性，对应于不同熔融状态的温度为熔融特征温度。此类温度包括变形温度（DT）、软化温度（ST）、半球温度（HT）和流动温度（FT）。灰熔点测试通常采用角锥法22。需要引起注意的是，在生物质燃料成灰过程中会有部分氯元素和碱金属从燃料中挥发和析出，以致角锥法得到的灰熔点往往远高于实际燃料的熔融温度。因此，国内外较多的研究者建议采用一步法进行生物质灰熔特性的检测，并采用前面述及的烧结熔融指数 SII来描述23。2.1.3 现代化的表征方式X 射线衍射（XRD）分析：进行 XRD 分析，可以掌握灰样中晶体矿物转化情况、灰样在加热过程中随温度变化的物相等，进行 XRD-EDS 分析可以掌握灰分颗粒表面的成分及其含量。X 射线荧光光谱仪（XRF）分析：进行 XRF 分析，可以检测出生物质灰样中的无机元素成分及其含量变化。扫描电镜（SEM）分析：进行 SEM 分析，可测定物质的表面形状，精确掌握炉渣的表面形态。此外，在灰渣成分测定的基础上，还可以借助 SEM 的结果判断出灰渣的物质成分，揭示生物质燃料结渣过程及机理。2.2 结渣的影响因素影响到生物质燃料在燃烧过程中结渣行为的因素有很多。一般认为，结渣的出现主要归结为燃料特性、燃烧工况（炉膛温度、过量空气系数等）、燃烧工艺（燃烧方式、床料、燃料层厚度等）等条件综合导致24。2.2.1 无机元素的影响生物质中含有一定数量的无机元素，主要有碱金属元素、钙、氯、硫、硅及磷。这些元素可能导致生物质燃烧过程中出现结渣现象。生物质中钾元素（K）的存在形式主要是有机物。由于燃料组分各异和燃烧产物在炉内驻留时间不同，K在燃烧过程中的产物可能是氧化物、氯化物和硫酸盐等多种形式。这些化合物的共同特点是低熔点，会导致灰渣的熔融温度显著下降。氯元素（Cl）对生物质燃料在燃烧过程中的结渣行为起着非常重要的作用，主要表现在：传输作用。生物质燃烧时，Cl 元素几乎完全蒸发，生成 HCl、Cl2、碱金属的氯化物等，帮助碱金属元素从燃料颗粒内部迁移到颗粒表面，与其他物质发生反应，生成熔点更低的化合物；助气化作用。Cl 元素可促进碱金属元素的气化，生成气态碱金属氯化物，同时推动许多无机化合物的流动（尤其是钾元素的化合物），因此这些122023 年第 4 期（总第 168 期）氯化物更可能在下游设备上沉积结渣；催化作用。Cl 元素可增强材料的氧化能力，导致金属材料在低温下也会发生氧化反应。硅元素（Si）的原始状态多为二氧化硅（SiO2），SiO2的熔点较高（超过 1000），但是一旦与燃料灰中的碱金属化合物发生反应，将生成低熔点的共晶体。这些均是造成结渣的重要因素。硫元素（S）在燃烧过程中的产物主要是 SO2、SO3以及碱金属的硫化物（与气相的碱金属元素反应生成）或进一步反应生成碱金属的硫酸盐。SO2和 SO3通常随烟气排放，而碱金属的化合物则可能凝结在灰颗粒或换热器壁面形成结渣15。研究发现，沉积结渣物中K2SO4和 CaSO4的含量很高，同时在燃烧过程中硫元素还可能被钙元素捕捉形成 CaSO4，而 CaSO4被认为是灰颗粒的黏合剂，这就加剧了结渣程度25。生物质燃料在锅炉燃烧过程中 K（Na）、Cl、S 主要演变路径如图 1 所示。图 1 生物质燃料在锅炉燃烧中 K（Na）、Cl、S主要演变路径262.2.2 灰熔融特性的影响灰熔融特性是引起结渣的主要原因之一，初始变形温度（DT）是预测炉内结渣倾向的一种常用指标。生物质灰熔点的高低和灰的成分密切相关，燃料中低熔点的成分越多，则其灰熔点就越低。研究表明，生物质中无机物含量会直接影响到灰熔点，Ca 和 Mg 会提高灰熔点，而 K 和 Na 会降低灰熔点，Si 易与其他物质形成低熔点的化合物导致熔点降低。生物质比烟煤的灰熔点低，因此生物质更易结渣27，28。最后，需要指出的是，就生物质燃料而言，在进行灰熔融特征温度的测定时，测量误差较大，因此不能作为预测结渣的唯一依据。要想准确预测结渣情况，还须综合考虑其他影响因素，如过量空气系数、炉膛温度和燃料密度等。2.2.3 燃料粒径及料层厚度的影响一般来说，生物质燃料粒径的增大会导致燃烧中心的温度升高，一旦达到了灰熔点，结渣现象就容易发生。类似的，如若增加了料层厚度，燃烧中心的温度将随之升高，燃烧层内的氧化层和还原层的厚度也相应增大，也容易导致结渣的出现6。2.2.4 炉膛温度的影响炉膛温度是生物质灰结渣的直接影响因素，高温是结渣最重要的原因之一。一般来说，炉膛温度越高，结渣的趋势越明显，渣块的尺寸也越大。炉膛温度主要取决于燃烧调整和供风控制，一旦运行异常，炉膛温度急速升高，炉内中心区域表面就容易出现结渣。根据生物质电站的实际运行情况来看，炉膛温度在 730左右，中温过热面表面就可能发生缓慢的结渣现象，而当炉膛温度在 760以上，结渣现象将迅速发生。炉膛温度的升高可能是给料速度的波动导致的，燃烧室的燃料微小波动都可能促使炉膛温度的急剧上升，进而引发燃料灰中钠、钾等碱金属的大量释放，在颗粒表面形成各类低熔点的碱金属化合物。当炉膛温度高于熔点，则熔化现象就会发生。其中，熔化的碱金属硅酸盐黏性较强，当床料被一层熔化相覆盖时，容易形成限制其他粒子活动的粒子团，又进一步导致了局部床温的上升，以致更高熔点的物质熔化、团聚，遇冷则形成渣块8，27，29。2.2.5 燃烧方式与锅炉结构的影响不管是层燃燃烧，还是流化床燃烧，都存在不同程度的结渣30。层燃燃烧是生物质直接燃烧的主要方式之一。以链条炉为例，生物质燃料在炉排上往往分布不均，又造成了布风的不均匀，进而引起局部温度过高。当炉排上的温度超过 800时，燃料灰开始变形，甚至熔化，形成结渣。大量的挥发份在炉膛中间燃烧，造成了局部高温，又增加了结渣的可能性。因此，层燃锅炉炉膛中部的水冷壁、炉墙上、炉膛出口以及尾部烟道部分容易在密集的管道上形成结渣。一般而言，流化床炉内燃烧温度相对较低，这有利于缓解结渣现象。但是，流化床内往往添加惰性物料（如石英砂）作为床料，以确保良好的流化。这又带来了新的问题。流化床密相区辐射过热器KCl(cr)KCl(g)KOH(g)HCl(g)KCl(g)K2SO4(g)HCl(g)KCl(cr)+K2SiO4(cr)对流区：初级、三级过热器，再热器，省煤器，空气预热器等KCl(g)，SO2(g)气溶胶（富 KCl+K2SO4）K2OSiO2(cr)炉膛：壁面沉积132023 年 8 月生物质燃烧过程中结渣行为的研究进展的燃烧温度在 900左右，由于床料中 Si 元素与碱金属反应生成低熔点化合物（如前所述），导致结渣、团聚，甚至影响到正常的流化。而在流化床锅炉上部的稀相区，往往聚集了大量的生物质挥发分，一旦集中燃烧，可能导致局部炉温偏高，引发飞灰变软、熔融，如若黏附在温度较低的水冷壁上或屏式过热器底部，会形成结渣31。与层燃锅炉类似，流化床锅炉也可能在尾部烟道的过热器和再热器上出现结渣。流化床内的结渣程度与发生部位等情况还与锅炉结构密切相关，特别是当大部分受热面布置在尾部垂直烟道内，由于烟气中含有大量气相碱金属化合物，一旦冲刷到较冷的受热面，则在其上容易出现严重的结渣32。受热面表面粗糙是造成结渣的另一个重要原因。由于表面粗糙，易黏结灰分，导致传热热阻增大，局部燃料的还原层温度升高，一旦达到灰熔点，燃料灰就会出现软化、熔融、黏结等现象，从而导致结渣。与氧化氛围相比，燃料在还原氛围下更容易出现结渣。这是因为还原性气氛容易导致灰熔点的降低，特别是燃料层中的 Fe3 在该氛围下被还原成 Fe2，造成灰熔点急剧下降，更易形成结渣。此外，风速不合理或分配不均，造成炉内火焰向一侧偏斜而导致局部温度过高，或者锅炉超负荷运行，导致炉膛温度上升，也会造成结渣现象的出现29。2.3 生物质燃烧过程中结渣行为的机理研究生物质燃料在燃烧过程中的结渣行为是一系列复杂的物理化学过程，涉及燃烧、传热与传质、灰粒子运动与黏附等。从本质上讲，结渣过程是生物质灰在燃烧过程中的形态变化（熔融）和沉积的结果33。其中，灰渣在管壁上的沉积主要包括两个不同的过程：其一为挥发性灰组分在水冷壁上冷凝形成初始沉积层；其二为黏性的初始沉积层捕获灰分颗粒，或表面熔融的颗粒发生黏结、团聚等过程34。以氧化物的形式来描述化学组成，生物质灰渣中主要含有 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O 等。然而，实际上它们更多以硅酸盐、硫酸盐、碳酸盐等形式存在。在燃烧过程中，碱金属化合物可能发生极其复杂的各类化学反应：与 SO3反应生成碱金属的硫酸盐；若与铁的氧化物反应，可能进一步生成熔点更低的硫酸盐络合物；若与 SiO2反应，可能生成特殊的共晶体。这些化合物熔点都很低，加剧了结渣的出现。生物质燃料中的碱金属元素可能来自燃料本身，也可能是在燃料的加工、运输、存储过程中带入的。燃烧过程中，生物质首先发生热裂解，碱金属开始析出，主要形式为硫酸盐、硅酸铝盐或氯化物等（主要转化途径见图 2）；气相的碱金属化合物凝结在灰颗粒表面，飞灰熔点降低、黏性增加；这些黏性颗粒随着气流流动，若附着在受热面上，就会开始结渣24。图 2 碱金属的转化机理就生物质层燃锅炉而言，结渣过程常常遵循如图3 所示的步骤，包括了灰分颗粒软化、沉积，共熔体形成以及共熔体冷却、黏附、形成结渣等三步。图 3 层燃锅炉内的结渣过程生物质燃料在流化床中发生的结渣问题更为复杂。不仅与灰分中各类元素的相互反应密切相关（与层燃锅炉相似），还涉及生物质灰与床料之间的作用，因此其背后的机理仍未被充分认识。生物质流化床内发生的结渣分为两类：均质性结渣和非均质性结渣。均质性结渣是指床料内部因为碱金属化合物和硅的反应而引发的结渣，由于颗粒表面形成的黏性相只是一层薄薄的覆盖物（其成分因燃料和工况而不同），因此结渣进展缓慢。而非均质性结渣常常在运行温度较高的情况下发生随着炉膛温度的增高，大量不规则的渣粒开始熔化，床料颗粒黏度增大，其活动性相对被削弱，不论是颗粒出现黏附，还是床料与熔融相的灰直接黏结，都会形成结渣。在典型的流化床锅炉的运行燃烧碱金属最初形式（有机物和无机物）与空气中的水蒸气反应与烟气中的 SO2、CO2、HCl 和 Cl2气体反应不稳定的碱金属氧化物（K2O、Na2O 等）稳定的氢氧化物（KOH、NaOH 等）碱金属的硫酸盐（K2SO4、Na2SO4等）、碳酸盐（K2CO3、Na2CO3等）以及氯化物（KCl、NaCl 等）沉积炉膛温度进一步升高燃料燃烧、炉温升高、灰粒软化与黏性表面生成共熔体下落灰粒软化、相互吸附，形成共熔体共熔体冷却、黏附，形成结渣142023 年第 4 期（总第 168 期）温度下，碱金属元素迁移到床料颗粒表面，只要碱金属的浓度足够大，就会在颗粒表面形成低熔点的熔融物（一般为 K2O-SiO2-CaO 三元系），这些熔融物的存在还会增大黏性，导致更多颗粒的黏结，直至形成更大的渣块35。共晶体硅酸盐可能源于生物质灰的直接融化（由此产生的结渣称为“融化导致型”结渣），或者由生物质灰与床料石英砂反应生成（由此产生的结渣可称为“包覆层导致型”结渣），这取决于运行温度和生物质灰中 K、Si、Ca 等元素的含量。通过对渣样进行成分分析，发现绝大部分的床颗粒表面均覆盖有一层均匀的灰层，而最外层的灰层则是非均质的。灰层的主要成分为 K、Si、Ca 等元素，且随着时间的推移，这些覆盖层由外而内逐渐均质化36。2.4 生物质燃烧过程中结渣的预防与抑制2.4.1 对生物质原料进行预处理生物质原料收集过程中，应注意原料质量，减少尘土、砂石等带入，同时尽可能地清除燃料中各种可能出现的杂质。注意严格限制燃料粒径，这是因为燃料粒径过大可能导致炉膛内火焰中心过高，炉膛出口易出现结渣；燃料粒径过大还会造成燃料不能完全燃烧，未完全燃尽的燃料落入冷灰斗后可能发生再次燃烧，从而导致结渣。此外，对生物质原料进行适当的清洗预处理也可以减少结渣的可能性。研究表明，经过雨水的冲洗，自然堆放在室外的秸秆会流失所含有的大部分钾元素，钾元素含量的减小将有效缓解秸秆燃烧时出现的结渣问题21。2.4.2 采取合适的运行参数首先，控制适宜的燃烧温度。在稳定燃烧的情况下，合理调节配风和燃料，维持合理的炉膛温度（不超过灰熔点温度），可有效抑制结渣的形成。研究表明，根据稻秸类生物质的灰化实验和灰成分分析结果，在燃烧该类生物质物料时，应尽量将炉膛温度控制在800以下37。其次，适当提高过量空气系数（介于1.52.0），亦可有效降低结渣倾向。最后，将锅炉热负荷维持在合适值。这是因为在超负荷运行时，炉膛内合理的燃烧区域和温度场会被破坏，容易因局部超温而引发结渣。2.4.3 定期检查、及时维护运行人员应认真监视和观察运行中的仪表，及时发现和消除不良工况，及时清除渣块，有效缓解结渣问题。此外，吹灰除了是电厂节能的重要举措之外，也可有效预防和减轻结渣，因此应根据燃烧情况，在适当的时候投运吹灰器9。就吹灰方式而言，应考虑改进吹灰方式，采用更高效的蒸汽或高压压缩空气吹灰方式。此外，为防止炉温过高，要堵塞炉底漏风，喷燃器损坏应及时修理，防止炉内产生过多还原性的气体，同时要保持合适的空气动力场，预防结渣出现。2.4.4 改善锅炉设计改善锅炉的结构设计，优化受热面和烟道布置是避免结渣的另一条有效措施。生物质燃料的燃烧应采用专门的生物质燃料锅炉，受热面可考虑悬挂布置，或将烟道错位的设置。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。结构方面，可对炉排进行改装，采用可转动、振动和往复运动的形式，并通过外力来破坏大块渣块的形成。在设计时，还应注意选择光滑的锅炉壁管，以减少因为管壁表面粗糙而引起的灰分黏结和温度升高，进而减少高温熔体的结渣。最后，采用烟气再循环法或掺冷空气法可调节烟气温度38。2.4.5 采用生物质与煤的混烧方式煤中碱金属含量较少，但 Si 和 Al 的含量较高，因此若将煤和生物质以合适的比例混合，可降低混合灰中碱金属的含量，提高混合灰的熔点，从而有效缓解燃烧生物质时的结渣问题。例如，秸秆与煤混烧改变了燃料灰度成分，碱金属元素反应生成硅酸铝碱金属盐（这一类化合物普遍熔点较高），而熔点较低的氯化钾含量减少，从而缓解结渣问题。2.4.6 添加合适的添加剂实践经验和大量的研究表明，添加合适的添加剂可有效缓解生物质燃烧过程中的结渣问题。加入合适的添加剂，会改变生物质燃料成灰反应过程，使得燃料灰中低熔点共晶体的生成量减少，碱金属化合物浓度下降，从而有效缓解结渣问题。添加剂的形式包括单一的添加剂和复合型添加剂，常见的添加剂包括 Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、富磷添加剂、硅和硅铝化合物（高岭土）等4，7，35，39-45。综合来看，铝基添加剂可固定气相中的钾，并与硅酸钾反应生成高熔点物质，但其固定钾的能力随着温度升高而减弱；钙基添加剂可与硅酸钾反应生成高熔点物质，但无法固定钾，一旦更多钾被释放至烟气中，将引发更严重的结渣；磷基添加剂与铝基添加剂抗结渣机理相似，且稳定性更好；高岭土抗结渣效果不错，但是价格较贵，不宜广泛使用43-46。152023 年 8 月生物质燃烧过程中结渣行为的研究进展2.5 研究存在的问题及展望尽管科研人员围绕生物质燃烧过程中的结渣行为开展了大量的研究，研究内容涉及生物质成分、影响因素（生物质种类、燃烧温度、床料种类、锅炉类型、操作条件等）、表征方法、抗结渣方式（燃料清洗、锅炉设计、运行工况调整、添加剂类型等）等，但是人们对于生物质燃料的结渣机理尚不明确，也尚未找到最理想的抗结渣方案。首先，亟须建立适用于预测和判别生物质燃料的结渣指标。目前，生物质结渣指标通常来自评价煤的常用结渣指标，而这些指标并不适用于生物质燃烧过程。例如，就灰熔点测试而言，在进行生物质灰熔融试验时，套用的是制取煤灰的方法，其操作条件是否适用于生物质尚未得到印证，同时在制备灰样过程中，易挥发的碱金属元素可能因为高温而损失，这必然影响灰熔点的测试结果。换言之，这些单一指标存在着较大的不确定性，分辨率也不够。因此仅采用这些指标来预测结渣，所得到结果的准确度往往无法保证。因此，有学者建议应综合考虑所有的结渣判别指标，并通过一定的数学方法来深入分析和综合判断。其次，抗结渣方式的改变对经济性的影响还需要进一步深入研究。采用燃料清洗除去生物质中碱金属是有效的方法，但是需要消耗能源；而各类抗结渣的添加剂优缺点都比较明显，其中价格因素是重要的考量。因此，这些都是理论上可行的方法，但是从经济的角度来看，这些方式普遍运行成本高，影响了实际应用。最后，对生物质燃料结渣机理的研究还须更加深入。目前，适用性更广的简单预测模型还没有建立，具体包括生物质灰渣化学成分的精确表征及其在燃烧过程中的演变，添加剂的加入（特别是复合添加剂）对抗结渣性能、燃料燃烧性能的影响机理，生物质与煤混燃过程中矿物的演变、流动特性变化规律等。此外，大部分的结渣研究都是围绕生物质燃料灰分的化学成分展开，但是生物质在炉膛中的流动也是不可忽略的重要因素，直接关系到渣块的形成、生长和沉积，因此这些也是需要重点关注的。3 结论结渣是生物质燃料在燃烧过程中普遍存在的问题，它影响了生物质锅炉的安全、稳定、经济运行。世界各国的科研人员从燃料特性、锅炉设计与运行、床料、渣样成分、添加剂等方面对生物质在燃烧过程中的结渣行为进行了深入研究，并取得了一定的研究成果，当然也存在较多的问题亟待解决。未来的研究可考虑从进一步细化结渣判别指标、寻找性价比高的添加剂等方面入手，采用更加合理的现代化方法来深入研究生物质燃料结渣机理，为更高效安全地利用生物质能源奠定基础。参 考 文 献1 Stephen，Ogaji.HandbookofBiomassCombustionandCo-firing J.AppliedEnergy，2009，86（10）：2272-2272.2 宋鸿伟，郭民臣，王欣.生物质燃烧过程中的积灰结渣特性J.节能与环保，2003（9）：29-31.3 武文璇，李寒松，李青，等.生物质锅炉的发展现状及农业中的应用J.农业装备与车辆工程，2018，56（3）：81-84.4 别如山，李炳熙，陆慧林，等.燃生物废料流化床锅炉J.热能动力工程，2000（4）：344-347+442.5 初雷哲，张衍国，康建斌.多流程循环流化床技术及其在生物质锅炉中的应用J.生物产业技术，2019（5）：15-21.6 刘圣勇，郑丹，李文雅，等.生物质成型燃料热风炉结渣特性及成因试验研究J.河南科学，2007，25（6）：1032-1035.7 罗娟，侯书林，赵立欣，等.典型生物质颗粒燃料燃烧特性试验J.农业工程学报，2010（5）：220-226.8 夏许宁，刘圣勇，翟万里，等.生物质成型燃料链条锅炉结渣特性试验研究J.节能技术，2016，34（4）：305-309.9 BaxterLL.AshDepositionduringBiomassandCoalCombustion：AMechanisticApproach J.BiomassandBioenergy，1993，4（2）：85-102.10 秦建光.秸秆类生物质流态化燃烧特性研究D.杭州：浙江大学，2009.11 阎维平，陈吟颖.TK6 生物质燃料结渣特性分析与判别J.华北电力大学学报：自然科学版，2007，34（1）：49-54.12 叶贻杰.生物质灰特性及其结渣机理的研究D.武汉：华中科技大学，2007.13 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