吕惠君
浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江宁波315700）
摘要：生物质能是一种清洁和可再生的能源，几乎不包含硫和少量氮，并且具有几乎不排放二氧化碳的优点。在各种生物质利用和转化方法中，生物质燃烧技术无疑是最适合中国国情的最成熟，最简单，最可行的广泛使用，高效，清洁生物质的方法之一。在生物质的生物质化学反应过程中，由于碱金属（例如K，Na）的含量高，它们与相关化合物相互作用并发生熔融反应，从而增加了粉煤灰颗粒的固体含量，并易于在炉中形成渣灰或沉淀在回热表面影响锅炉效率，容易形成腐蚀性材料，高温腐蚀了设备。
关键词：生物质，碱金属，燃烧特性，反应动力学
1.课题研究背景及意义
1.1生物质利用情况
生物质燃料是光合作用产生的有机衍生物的总称。生物质能是一种理想的可再生能源。它的来源广泛，每年产生大量的工业，农业和林业废物。在消费中，生物质能源消耗占世界总能源消耗的14％，仅次于石油，煤炭和天然气，位居第四[1]。与化石燃料相比，生物质的污染也很低，硫和氮的含量也很低，燃烧过程中的SOx和NOx排放量也很小。另外，当使用生物质作为燃料时，生长所需的二氧化碳量等于燃烧过程中释放的二氧化碳量，因此大气中的二氧化碳净排放量接近于零，可以有效地减少温室效应。新的，更新的生物质燃料的开发和使用不仅可以缓解能源危机，而且可以减少环境污染并节省能源。与燃料煤相比，生物质形成时间短，结构疏松，热解和燃烧过程具有自己的特点。其中，生物质的热解不仅是生物质气化和燃烧的必要步骤，而且是生产高能量密度产品的独立过程。生物质热解作为一种先进的生物质能研究与开发技术正受到越来越多的关注。
2.碱金属迁移规律的研究
2.1生物质碱金属迁移规律
2.1.1生物质燃烧碱金属测定实验
取粒径小于0.56mm的小麦秸秆粉，经测试其碱（土）金属含量（以灰分计）为：k：1.9386mg/gCa0.5466mg/gNa，0.0594mg/g；Mg：0.1383mg/g。用化学分馏实验测定生物质以及煤中碱金属的赋存状态。将2g秸秆放入离子水，并将温度设定为60℃，搅拌24h后，用滤纸过滤80ml，将水洗残留下来的残留物放入1mol/L醋酸氨溶液中，重复上述步骤；
对滤液进行定量分析，运用ICP－AES技术、IC离子分析仪，为防止有误差，试验做3次，取平均数值。燃烧温度选定为400～900℃。管式炉中通入空气10min，空气流速控制为1L/min，按设定温度将管式炉加热，将装有3g样品迅速放入管式炉中，保持10min的恒定温度，保证管式炉内的样品充分燃烧。采用DX4000烟气分析仪测量烟气成分(CO2、HCl等)含量，10min后在以N2为保护气保护的状态下将样品在出口处冷却至室温，取出称重收集。对小麦秸秆进行热解过程后所得到的灰渣进行XＲD检测。谱图在经过Jade6.0软件处理分析后，得到样品的成分、内部原子还有分子的结构以及形态等。通过SEM－EDS检测，进而得到了灰渣表面化学分布还有颗粒结构[2]。
2.1.1生物质燃烧实验结果分析
根据SEM得到的结果发现，在小麦秸秆表面的同一位置上，K、Cl等元素均匀分布，这表明了样品中存在KCl等无机盐形态，而且KCl易溶于水。这说明了小麦秸秆中大部分K元素都是以水溶性形态存在，同时在秸秆中均匀分布。元素K和元素Cl以KCl燃料的形式存在，元素S以K2SO4的形式存在，粉煤灰中包含706种可溶于706种元素的K，并且在高温条件下以低熔点复合熔融材料的形式以盐的形式存在。
2.2其他因素对碱金属迁移规律的影响
稻草热解过程中，钾的沉淀率随温度变化而变化为两个时期：热解温度小于700℃，钾的沉淀率受热解温度的影响较小，其值约为20％;热解温度在700℃以上;连续四次出现的钾达到触发点，导致钾的沉淀速率急剧增加，热解过程中的钾沉淀主要是由于水溶性钾和残留钾的减少。在热解过程中，水溶性钾和有机钾可以相互转化。当热解温度达到900°C时，有机钾断裂重排转变为其他三个状态并降低，水溶性钾和硅铝与硅反应。剩余的酸和钾盐被还原。在热解过程中，由于温度升高，碳骨架在残留状态下断裂并重新排列，其中一部分变为水溶性状态，而一部分仍以残留状态存在。
在热解及气化的条件下，随热处理时间延长K的释放比例先迅速增加，然后再缓慢增加。在转化前期，K的气相释放受CO2气化促进。Ca和Mg的释放率在两种气氛下都很低。N2热解气氛下，焦炭中酸溶K和Ca的比例先降低然后基本保持不变;而酸溶Mg的比例基本没有变化[3]。气化条件下，酸溶性钾在固相中的比例在一段时间内逐渐减少，而酸溶性钙和镁的比例则先增加后快速减少。在前期焦炭气化时，酸溶AAEMs的比例高于热解;在焦炭反应后期，酸溶AAEMs的比例明显要低于热解样品。在热解及气化初期，钾主要以氯化钾的形式释放到气相中。二氧化碳通过与有机结构的反应，使char-K发生分解，促进了K的气相释放。由于钙和镁有很稳定的赋存形式，气氛对它们的释放几乎没有影响。钾的释放会因温度的升高而加快，在400~600℃内，秸秆中的氯与硫有竞争，在低温下促进燃烧，同时降低氯化钾在固相中的含量，因而导致钾的释放量增加。在800℃至1200℃，钾因硫起到固定作用，同时存在两种作用机制：包括800~900℃时的硫酸钾固定和950℃以上钾的硅铝酸盐等矿物固定[4]。
3.结论
生物质能资源丰富，分布广泛，污染低。新能源最有可能在国内外使用。已经对能源使用技术进行了大规模的研究。在生物质燃烧过程中必须解决的最突出的问题是碱金属问题。作为富含生物质的成分，碱金属在燃烧和使用过程中会遇到各种问题，例如床层结块，受热表面的侵蚀和炉渣。它已经成为阻碍生物质能转化和利用的主要问题。碱金属的研究引起了国内外的广泛关注，一些研究人员进行了一定程度的相关研究。但总的来说：对它的系统性和深入研究较少，因此在此研究方向上仍需要进行更深入的研究。国内外都对生物质能的利用现状进行了总结。在有大量分析的基础上，总结了国内外在利用生物质能过程中与碱金属有关的研究成果。通常，在生物质热解及其燃烧过程中碱金属的释放主要包括KCl，KSO4，KCo3，KOH和K。碱金属进入气相的过程可以分为两个阶段。同时，已发现生物量含量显示出钠盐，其低于钾盐，且具有相同的释放方向，并且据信液体形式的钾的存在是聚集和附聚的主要原因，而气态形式的KC1的存在是在表面沉积和腐蚀的主要原因。
参考文献
[1] 陈汉平.生物质燃烧技术现状与展望.pdf[J].论坛专栏,2009,
[2] 李慧君.麦秆稻壳中碱金属赋存形态的实验研究_.pdf[J].电力科学与工程,2019,
[3] 赵海波.稻秆焦炭热解和CO_2气化过程中碱金属和碱土金属的迁移_.pdf[J].燃料化学学报,2018,
[4] 方璐瑶.水稻秸秆燃烧过程中硫对钾迁移释放的影响规律.pdf[J].中国电机工程学报,2020,
吕惠君，男，汉，辽宁大连， 1999.07025，大专，工作单位：浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，主要研究方向或者从事工作：电力,邮编：315700