趙葉花

（國能銷售集團山西煤炭采購中心，山西 朔州 036000）

煤炭是人民生活和經(jīng)濟發(fā)展的重要能源，但由于近年來無節(jié)制的開發(fā)，煤炭資源已趨向枯竭，世界各國都在尋找替代能源。生物質(zhì)可再生，對環(huán)境污染小，資源分布廣泛，應(yīng)用最為廣泛[1]。按照一定摻配比例將生物質(zhì)與煤炭混合作為燃料，可有效降低燃煤用量，節(jié)約成本[2]。但生物質(zhì)灰中含有大量的Na、K 等堿金屬鹽類，會在鍋爐內(nèi)積灰、結(jié)渣，甚至造成鍋爐腐蝕[3]。煤與生物質(zhì)混合燃燒可有效減少堿金屬鹽類的含量，但應(yīng)注意摻配比例。

在現(xiàn)有的研究成果中，針對生物質(zhì)摻混比例對混煤灰分的影響的相對較少。為合理確定生物質(zhì)的最佳摻混比例，選取梧桐木與麥稈、煙煤，按照設(shè)計配比進行摻配，并開展試驗確定試樣樣品的成灰時間和成灰溫度。通過對生物質(zhì)混煤灰分進行分析，作為評定生物質(zhì)摻配比例對混煤灰分影響的重要依據(jù)。

1 試驗樣品制備

試樣樣品制備生物質(zhì)選擇梧桐木與麥稈，磨細至80 目，煤種選用煙煤，磨至150 目[4]。分別在105 ℃下烘干，然后分別按照生物質(zhì)含量為10%、20%、30%、50%、70%、90%的比例與煙煤進行摻配，摻配后放置在干燥器中備用。按照《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T 212-2008），并參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，試樣工業(yè)和元素分析結(jié)果見表1。

表1 煤樣工業(yè)和元素分析結(jié)果

2 生物質(zhì)混煤成灰條件的確定

2.1 成灰時間的確定

灰化時間是采用成灰率作為評價指標(biāo)，以燃燒后質(zhì)量不再發(fā)生變化的時間確定。按照20%的摻混比例分別將梧桐木、麥稈與煙煤混合，混合前將原材料磨細到80 目以下。然后將混煤試樣放置在馬弗爐中，并將溫度升高到700 ℃，分別放置1 h、2 h、3 h，冷卻后稱取殘余重量見表2。

表2 不同灰化時間20%生物質(zhì)混煤殘余重量

通過分析表2 數(shù)據(jù)不難看出，灰化時間達到2 h 后，兩種生物質(zhì)混煤殘余重量基本沒有發(fā)生變化，因此確定兩種生物質(zhì)混煤成灰時間為2 h。

2.2 成灰溫度的確定

灰化溫度過高會降低生物質(zhì)中低熔點堿金屬化合物的含量，還容易產(chǎn)生輕微結(jié)渣現(xiàn)象。另外溫度過高還會造成低熔點堿金屬化合物產(chǎn)生表面熔融現(xiàn)象，粘結(jié)形成大顆粒。為了準(zhǔn)確確定生物質(zhì)混煤成灰溫度，采用電子顯微鏡對灰樣微觀形貌進行分析，從而準(zhǔn)確確定成灰溫度。

2.2.1 梧桐木混煤成灰溫度確定

按照設(shè)計摻混比例將梧桐木與煙煤混合燃燒，然后將混煤灰放大10 000 倍后進行觀察。判斷標(biāo)準(zhǔn)是顆粒狀態(tài)良好，未出現(xiàn)勃結(jié)現(xiàn)象，沒有形成密實的大顆粒，顆粒間有少許間隙，說明灰化良好，所對應(yīng)的溫度記為成灰溫度。不同摻配比例梧桐木混煤成灰溫度見表3。

表3 不同摻配比例梧桐木混煤成灰溫度

2.2.2 麥稈混煤成灰溫度確定

與梧桐木相比，麥稈的灰熔點較低，采取同樣的摻配比例和試驗方法使用電子顯微鏡對麥稈混煤灰進行觀察，得出不同摻配比例麥稈混煤成灰溫度見表4。

表4 不同摻配比例麥稈混煤成灰溫度

3 生物質(zhì)摻混比例對混煤灰分的影響分析

3.1 生物質(zhì)混煤灰分組成分析

通過對不同摻配比例生物質(zhì)混煤的成灰過程進行分析，其試驗結(jié)果可作為燃燒裝置設(shè)計與混煤配置的參考依據(jù)。煙煤中含有Si、AI、Ca、Fe、Mg、K、Na、O、C、S、Cl、P 等多種元素，這些元素在煤灰中一般以低溫共融化合物的形式存在[5]。在分析生物質(zhì)摻灰比例對混煤灰分的影響時，通常以各主要元素所形成的氧化物作為分析對象。

由于生物質(zhì)中的Cl 含量遠低于堿金屬的含量，因此ACl 的含量與Cl 的含量直接相關(guān)。生物質(zhì)灰成分中扣除ACl，剩余堿金屬氧化物用A2O 表示。其中ACl 主要包括KC1 和NaCl，A2O 主要包括Na2O、K2O、SiO2、A12O3、CaO、Fe2O3和MgO 等。由于ACl 的含量相對較少，本文主要對不同生物質(zhì)摻混比例的混煤燃燒后A2O 的變化情況進行分析。

根據(jù)試驗確定的成灰溫度與成灰時間，分別按比 例0%、10%、20%、30%、50%、70%、90%、100%將生物質(zhì)（梧桐木或麥稈）與煙煤進行摻配，燃燒后對灰樣進行EDS 分析，確定A2O 的變化情況，進而得出生物質(zhì)摻配比例對混煤灰分的影響。

3.2 不同摻配比例生物質(zhì)混煤灰中Na2O、K2O變化情況

分析圖1 和圖2 所示兩種生物質(zhì)混煤灰中Na2O、K2O 含量變化曲線，與煙煤（摻混比例0%）相比，生物質(zhì)混煤灰中的K2O 含量明顯提高，且隨著生物質(zhì)摻混比例的增加，K2O 含量不斷升高，尤其是摻混比例達到50%以上，K2O 含量上升最明顯，說明生物質(zhì)的摻配量與混煤灰中K2O 含量成正比。Na2O 與K2O 的變化趨勢有較大區(qū)別，這是由于Na不是植物生長的必需元素，兩種生物質(zhì)與煙煤中Na的含量均較低。隨著兩種生物質(zhì)摻混比例的增加，混煤灰中Na2O 含量的變化幅度較小，變化不明顯。

圖1 梧桐木混煤灰中Na2O、K2O 含量變化曲線

圖2 麥稈混煤灰中Na2O、K2O 含量變化曲線

3.3 不同摻配比例生物質(zhì)混煤灰中SiO2、A12O3的變化情況

分析圖3 梧桐木混煤灰中SiO2、A12O3含量曲線變化情況，隨著梧桐木摻混比例的增加，混煤灰中SiO2和A12O3的含量不斷下降，這說明煙煤灰中SiO2，A12O3的含量高于梧桐木。分析圖4 麥稈混煤灰中SiO2、A12O3含量曲線變化情況，Al2O3的含量不斷下降，麥稈摻混比例達到100%時含量幾乎為零，說明麥稈灰中幾乎不含有Al2O3。隨著麥稈摻混比例的增加，混煤灰中SiO2的含量不斷增加，但上升幅度不大，說明麥稈灰中A12O3的含量略高于煙煤。

圖3 梧桐木混煤灰中SiO2、A12O3 含量變化曲線

圖4 麥稈混煤灰中SiO2、A12O3 含量變化曲線

3.4 不同摻配比例生物質(zhì)混煤灰中CaO、Fe2O3和MgO 的變化情況

分析圖5 梧桐木混煤灰中CaO、Fe2O3和MgO含量變化曲線，當(dāng)梧桐木摻混比例不超過20%時，梧桐木混煤灰中CaO、MgO 的含量變化幅度很小；但梧桐木摻混比例達到30%以上時，CaO、MgO的含量明顯增加；隨著梧桐木摻混比例的增加，梧桐木混煤灰中Fe2O3的含量在小范圍內(nèi)波動，總體變化較小。

圖5 梧桐木混煤灰中CaO、Fe2O3 和MgO 含量變化曲線

分析圖6 麥稈混煤灰中CaO、Fe2O3和MgO 含量變化曲線，當(dāng)麥稈摻混比例不超過30%時，麥稈混煤灰中MgO 的含量變化幅度較小，且含量在1%左右波動，當(dāng)麥稈摻混比例達到30%以上時，MgO的含量明顯增加；隨著麥稈摻混比例的增加，麥稈混煤灰中CaO 的含量有所增加，但提高幅度不大，而Fe2O3的含量變化不明顯。

圖6 麥稈混煤灰中CaO、Fe2O3 和MgO 含量變化曲線

4 結(jié)論

為了研究生物摻混比例對混煤灰分的影響，選取梧桐木、麥稈分別按照規(guī)定比例與煙煤混合制作試樣，通過試驗確定生物質(zhì)混煤成灰溫度和成灰時間，并對不同摻配比例生物質(zhì)混煤試樣灰分進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨著梧桐木和麥稈摻混比例的增加，生物質(zhì)混煤灰中K2O、CaO、MgO 含量不斷提高，摻混比例超過50%時K2O 含量增加幅度最為明顯，摻混比例超過30%時CaO、MgO 的含量增幅明顯；而隨著梧桐木摻混比例的增加，F(xiàn)e2O3、Na2O 的含量增幅較小，說明梧桐木灰中CaO、MgO 的含量明顯高于煙煤，而Fe2O3的含量略高于煙煤，幾乎不含有Na2O。

（2）隨著梧桐木摻混比例的增加，混煤灰中SiO2和A12O3的含量不斷下降，這說明煙煤灰中SiO2、A12O3的含量高于梧桐木。

（3）隨著麥稈摻混比例的增加，麥稈混煤灰中MgO 的含量明顯增加，當(dāng)麥稈摻混比例超過30%時最為明顯；而CaO、SiO2含量提高幅度不大，F(xiàn)e2O3的含量變化不明顯，說明麥稈灰中MgO的含量明顯高于煙煤，CaO、SiO2含量略高于煙煤，F(xiàn)e2O3的含量與煙煤接近。

（4）隨著麥稈摻混比例的增加，麥稈混煤灰A12O3含量不斷下降，說明基本不含有Al2O3。