摘要：在小型鼓泡流化床實(shí)驗(yàn)裝置上，以石英砂為床料，進(jìn)行了不同溫度下果木枝條成型燃料流化床燃燒床料粘結(jié)機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度是影響生物質(zhì)流化床燃燒床料粘結(jié)的重要因素。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中形成的結(jié)團(tuán)進(jìn)行掃描電子顯微鏡、X射線能譜（SEM/EDX）以及對(duì)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(fā)生粘結(jié)的依據(jù)，而是取決于堿金屬的存在形態(tài)；同時(shí)果木枝條灰中的Ca是構(gòu)成結(jié)團(tuán)顆粒粘附物的重要組分，其對(duì)床層發(fā)生結(jié)團(tuán)有一定的影響作用。

　　與常規(guī)燃料煤相比，生物質(zhì)具有其特殊的性質(zhì)。大部分農(nóng)業(yè)生物質(zhì)和部分林業(yè)生物質(zhì)中K、Na等堿金屬元素以及堿土金屬元素Ca、Mg等的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤中的含量^[1,2]。

　　生物質(zhì)中的K元素以離子形態(tài)或者有機(jī)金屬化合物形態(tài)存在^[3]。生物質(zhì)在流化床燃燒過(guò)程中，溫度是影響其結(jié)團(tuán)發(fā)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(guò)程中容易形成低熔點(diǎn)的鹽類，這些堿金屬鹽類在高溫下處于熔融狀態(tài)，易粘附在爐膛壁面上形成結(jié)團(tuán)；同時(shí)處于熔融狀態(tài)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(yīng)生成低熔點(diǎn)的共晶化合物，造成床料顆粒的進(jìn)一步粘結(jié)，最后導(dǎo)致床層發(fā)生大面積結(jié)團(tuán)，并且不同的生物質(zhì)發(fā)生結(jié)團(tuán)的溫度也存在差異[6]。

　　本文針對(duì)果木枝條成型燃料，在流化床實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行不同溫度下床料粘結(jié)特性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)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(jìn)行生物質(zhì)流化床燃燒粘結(jié)機(jī)理研究。

　　1實(shí)驗(yàn)

　　1.1實(shí)驗(yàn)物料

　　實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度為15mm，實(shí)驗(yàn)樣品的燃料特性分析結(jié)果見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)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(jiàn)表2。

　　1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法

　　實(shí)驗(yàn)裝置由爐體、電加熱爐、螺旋給料機(jī)以及空氣壓縮機(jī)等組成，見(jiàn)圖1。爐體下部?jī)?nèi)徑為120mm、高500mm，上部?jī)?nèi)徑為200mm、高450mm。

　　實(shí)驗(yàn)的工況溫度分別為750℃、800℃和850℃；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持螺旋給料機(jī)連續(xù)穩(wěn)定地給料，同時(shí)通過(guò)爐膛頂部設(shè)置的觀察窗不間斷地觀察流化床中床料的流化狀態(tài)，識(shí)別床料發(fā)生大面積結(jié)團(tuán)、停止流化的時(shí)刻；試驗(yàn)結(jié)束后，取出床料，對(duì)床料做粒徑分析和XRF分析，對(duì)結(jié)團(tuán)做SEM/EDX。

　　2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1溫度對(duì)床料粘結(jié)的影響

　　在750℃下，實(shí)驗(yàn)臺(tái)正常運(yùn)行了1082min，床層沒(méi)有發(fā)生大面積結(jié)團(tuán)，但在實(shí)驗(yàn)后的床料中觀察到有結(jié)團(tuán)顆粒，其形態(tài)同果木枝條成型顆粒相似[7]，并且結(jié)構(gòu)致密，硬度較大，見(jiàn)圖2。在800℃和850℃工況條件下，實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別運(yùn)行了15min和1min后，床層都發(fā)生了大面積結(jié)團(tuán)，床層溫度急劇升高，床料完全停止流化。在兩次實(shí)驗(yàn)后的床料中發(fā)現(xiàn)的結(jié)團(tuán)中，都觀察到有內(nèi)部中空的結(jié)團(tuán)顆粒，并且這些結(jié)團(tuán)顆粒的結(jié)構(gòu)比較松散，硬度較小，見(jiàn)圖3、圖4。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，隨著燃燒溫度的升高，流化床保持正常流化的時(shí)間減少。

　　不同溫度下實(shí)驗(yàn)后床料質(zhì)量增加比例和床料的XRF分析見(jiàn)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(shí)間減少，床料中生物質(zhì)灰所占比例相應(yīng)減小，同時(shí)床料中堿金屬元素K，堿土金屬元素Ca、Mg含量減少，然而實(shí)驗(yàn)中卻隨溫度升高床料發(fā)生粘結(jié)的程度呈增大的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，溫度是影響床料結(jié)團(tuán)的重要因素^[4,8]。床料中生物質(zhì)灰含量的高低不是決定床層發(fā)生大面積結(jié)團(tuán)的決定因素，而與堿金屬元素存在的形態(tài)直接相關(guān)。

　　對(duì)各工況實(shí)驗(yàn)后床料的粒徑進(jìn)行分析，見(jiàn)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(shí)驗(yàn)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(zhì)灰同床料在高溫下作用形成結(jié)團(tuán)，并且隨著生物質(zhì)灰在床料中的不斷積累（見(jiàn)圖5），使床料粒徑不斷增大。

　　2.2結(jié)團(tuán)的SEM/EDX分析

　　對(duì)750℃、800℃和850℃工況下實(shí)驗(yàn)后出現(xiàn)的結(jié)團(tuán)顆粒進(jìn)行SEM/EDX分析，見(jiàn)圖7～圖9。從各個(gè)工況的SEM照片來(lái)分析，形成結(jié)團(tuán)的床料顆粒棱角分明，顆粒表面沒(méi)有出現(xiàn)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(jié)在一起。EDX分析結(jié)果表明，將床料顆粒粘附起來(lái)的物質(zhì)中含有K、Si、Ca、Fe、Mg以及Al等。據(jù)此分析形成結(jié)團(tuán)顆粒的原因是生物質(zhì)灰與床料顆粒發(fā)生作用的過(guò)程中，生物質(zhì)灰中的含堿金屬氧物質(zhì)與床料中的硅化物發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)的共熔物，其反應(yīng)式如下^[4,9,10]

　　方程式中X代表K、Na等堿金屬元素，當(dāng)n為3、4時(shí)，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?zhèn)鬟f，當(dāng)這些化合物積累到一定程度時(shí)，使粘附顆粒的力大于破壞力，床料中的顆粒就會(huì)粘附在一起形成結(jié)團(tuán)^[4,5]。

　　根據(jù)不同溫度下實(shí)驗(yàn)后的EDX分析，床料顆粒之間的粘結(jié)物質(zhì)中Ca元素的含量較高。有關(guān)文獻(xiàn)顯示，堿土金屬元素Ca對(duì)于床層的結(jié)團(tuán)具有抑制作用^[10,11]；但是當(dāng)Ca在灰中超過(guò)一定含量時(shí)，也將會(huì)促進(jìn)床料發(fā)生粘結(jié)^[8,12]。因此實(shí)驗(yàn)中高含量的Ca對(duì)床料粘結(jié)可能起到促進(jìn)作用，但是還有待深入研究。

　　3小結(jié)

　　(1)隨著床層溫度的升高，床層發(fā)生結(jié)團(tuán)的時(shí)間明顯減小；溫度是影響生物質(zhì)流化床燃燒床料粘結(jié)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(fā)生粘結(jié)的依據(jù)，床料是否粘結(jié)取決于堿金屬的存在形態(tài)。

　　(3)堿土金屬元素Ca是構(gòu)成結(jié)團(tuán)粘結(jié)物的重要組分，其對(duì)床層發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象具有一定影響。