穆林，李通，王震，陳博文，尚妍，尹洪超

（1.大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.遼寧省復(fù)雜能源轉(zhuǎn)換和高效利用重點實驗室，遼寧 大連 116024）

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源使用的限制以及環(huán)境問題的日益惡化，如何實現(xiàn)煤炭的高效清潔利用以及開發(fā)新的可再生能源已經(jīng)成為政府和科學(xué)界的關(guān)注熱點[1]。生物質(zhì)資源因其清潔和可再生的雙重屬性而得到了廣泛關(guān)注。目前，實現(xiàn)生物質(zhì)資源最有效利用的方式仍是燃燒，利用生物質(zhì)替代部分燃煤不僅可以在充分利用現(xiàn)有燃煤電廠裝置的基礎(chǔ)上，解決生物質(zhì)能供應(yīng)的季節(jié)性問題，還可以有效減少燃煤電廠污染物排放的問題[2]。但是，采用生物質(zhì)替代部分燃煤仍面臨著因燃料在理化性能上的差異而引起的受熱面結(jié)渣甚至腐蝕等不利問題[3]。

為減輕燃煤摻混生物質(zhì)燃燒過程中鍋爐受熱面的結(jié)渣問題，國內(nèi)外學(xué)者針對燃煤摻混不同類型木本和草本生物質(zhì)的燃燒過程以及灰組分形成和轉(zhuǎn)化過程開展了相關(guān)研究[4]～[7]。宋長忠[4]研究了玉米秸稈、向日葵花盤和煤矸石混合燃燒時的燃燒特性。Hu W[5]研究了燃煤摻混木本生物質(zhì)馬尾松時的燃燒及積灰特性，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)馬尾松的摻混比例為20%時，燃燒效果最佳，此時摻混比例對灰組分的熔融特性和結(jié)渣惡化的影響最小。Kazagic A[6]基于沉降爐實驗獲得了木本生物質(zhì)與褐煤灰在混燃條件下的理化性能對結(jié)渣形成的協(xié)同作用機(jī)理，指出當(dāng)燃燒溫度高于1 250℃時，結(jié)渣趨勢會顯著增強(qiáng)。孫洋[7]利用馬弗爐制灰的方式研究小麥秸稈與鐵法煤混燃灰的熔融特性和晶相結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)熔融特性受摻混比例影響較大，但受燃燒溫度影響較小。

生物質(zhì)種類豐富且分布廣泛，其中水生（如藻類）生物質(zhì)資源開發(fā)潛力更為巨大。Vassilev S V[8]指出，藻類作為燃料時具有產(chǎn)量高、不與食品供應(yīng)競爭和土地需求少等優(yōu)點，并在生物柴油、生物乙醇和生物制氫等方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。在熱化學(xué)利用方面，Wang S[9]研究了3種典型海藻灰的熔融特性，研究發(fā)現(xiàn)，海藻灰的初始變形溫度比木本生物質(zhì)灰的初始變形溫度低得多，會加劇潛在的燒結(jié)或結(jié)渣等危害，但是，海藻灰的多孔性結(jié)構(gòu)特征具有潛在的綜合利用價值。Skoglund N[10]指出，通過對藻類生物質(zhì)灰形成組分的分析并采取恰當(dāng)?shù)牟呗约右钥刂?，如水洗或共燃，將有助于藻類的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，特別是燃燒利用。

目前，關(guān)于藻類生物質(zhì)與煤在摻混燃燒條件下的成渣特性與影響因素的研究較少。因此，本文選用一種典型水生生物質(zhì)和一種典型木本生物質(zhì)為研究對象，在沉降爐實驗系統(tǒng)中開展生物質(zhì)與煙煤的混燃成渣特性研究，應(yīng)用灰熔融分析儀、掃描電子顯微鏡（SEM-EDS）和X射線熒光衍射儀（XRD）等分析方法，重點研究不同摻混比例下混燃灰的理化性能、礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化行為及其聚集成渣的本質(zhì)因素，從而為生物質(zhì)，特別是藻類生物質(zhì)與煤摻混燃燒的灰渣形成機(jī)理及其清潔高效利用提供理論依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 實驗系統(tǒng)

沉降爐實驗系統(tǒng)的主體設(shè)備為沉降爐，輔助設(shè)備包括給粉機(jī)、飛灰收集裝置和煙氣分析儀等（圖1）。其中，沉降爐包括爐膛、保溫層、加熱棒和爐溫控制元件[11]。爐膛為剛玉管材質(zhì)，長為2 200 mm，內(nèi)徑為60 mm，最高可承受溫度為1 800℃。爐膛從上到下分為3個加熱區(qū)，采用硅鉬棒加熱，每個加熱區(qū)各由一個爐溫控制器控制，最高熱解溫度為1 500℃，在爐膛中央有一個長度約為1 000 mm的恒溫段。MFEV-10型微量給粉機(jī)（日本Sankyo公司）通過撥片的振動實現(xiàn)勻速給料，調(diào)節(jié)振動頻率的大小可以改變給料速度的快慢。一次風(fēng)和二次風(fēng)由空氣泵（通過CS200型質(zhì)量流量計控制）直接引入，配比為2∶1。

圖1 沉降爐實驗系統(tǒng)Fig.1 Drop tube furnace experimental system

灰渣收集裝置的主體為配備玻璃纖維濾筒的金屬筒，并輔以水冷套管和玻璃纖維濾筒[12]。夾帶灰渣顆粒的煙氣在水冷套筒中冷卻至200℃以下，再流經(jīng)玻璃纖維濾筒實現(xiàn)灰渣顆粒的收集?；以占b置后的管路與質(zhì)量流量計、離心泵相連，流出的煙氣經(jīng)過煙氣分析儀后排放至大氣。

1.2 實驗樣品

實驗所用原煤為河南煙煤（HN），摻混燃燒的生物質(zhì)分別選用大連沿海地區(qū)產(chǎn)量豐富的海草（HC）和江蘇地區(qū)的桃木（TM），它們分別是水生生物質(zhì)和木本生物質(zhì)的典型代表。將桃木與煙煤的摻混燃燒作為典型對照，有助于對比分析藻類和木本生物質(zhì)在與煙煤共燃燒過程中灰渣形成的差異化特征。實驗樣品的工業(yè)分析和元素分析（以空氣干燥基為準(zhǔn)）結(jié)果見表1。將樣品在110℃的溫度下干燥12 h至質(zhì)量恒定，利用磨粉制樣機(jī)將河南煙煤和生物質(zhì)樣品破碎并篩分得到粒徑為0.1～0.2 mm的顆粒。分別以815℃和550℃的灰化溫度制得河南煙煤灰和生物質(zhì)灰，測定灰分的化學(xué)成分和灰熔融溫度[12]，結(jié)果見表2。使用熔融結(jié)渣指數(shù)FS進(jìn)一步評估樣品的結(jié)渣趨勢，其中海草灰的FS值為874.2，遠(yuǎn)小于河南煙煤灰和桃木灰的FS值，這表明摻混海草的混合燃燒將會對沉降爐爐膛受熱面的積灰結(jié)渣以及灰渣處置帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

表1 工業(yè)分析、元素分析和熱值Table 1 Proximate analysis，ultimate analysis and high heating value

表2 實驗樣品的灰分化學(xué)組成和灰熔融溫度Table 2 Chemical compositions and ash fusion temperatures of ash samples

1.3 實驗程序及分析方法

將生物質(zhì)粉末和河南煙煤煤粉進(jìn)行摻混（生物質(zhì)粉末的摻混質(zhì)量比分別為0，5%，15%，25%和35%）并機(jī)械攪拌30 min以上，以保證生物質(zhì)粉末與煤粉混合均勻。實驗過程中，樣品給粉速率為0.3 g/min，誤差不超過±0.5%，燃燒溫度設(shè)定為1 200℃，溫差不超過±1℃，給粉前先將沉降爐預(yù)熱到設(shè)定溫度，過量空氣系數(shù)取1.2。為保證樣品充分燃燒，混燃成渣特性實驗的燃盡率B通過灰示蹤法來確定。經(jīng)計算，實驗過程中的最終燃盡率為99.99%以上，表明燃燒充分，無可燃物殘余。

式中：Af為樣品工業(yè)分析時的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Ac為實驗后灰渣中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

待沉降爐在實驗工況下運行穩(wěn)定后對灰渣進(jìn)行收集，再將收集到的灰渣混合均勻，制得滿足實驗分析要求的灰渣樣品。采用美國FEI公司的Quanta 450型鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀測和分析灰渣的微觀形貌及演變過程。采用日本理學(xué)公司的SmartLab 9 kW型X射線衍射儀（XRD）對灰渣的晶相構(gòu)成進(jìn)行檢測。衍射條件：Cu靶，工作電壓為240 kV/50 mA，掃描范圍（2θ）為10～80°，步長為0.01°，步速為5°/min。本文所有實驗均至少進(jìn)行3次，以確保實驗誤差滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求或小于5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 混燃灰微觀物理形貌特征

為獲得摻混條件下的混燃灰成渣特性，對不同摻混比例下燃燒形成的灰渣進(jìn)行微觀形貌觀測，結(jié)果見圖2（放大倍數(shù)均為2 000倍）。由圖2（a）可以看出，單獨燃燒河南煙煤所形成的灰渣多為結(jié)構(gòu)松散的顆粒，呈塊狀或球狀，灰渣粒度較小，無明顯聚集結(jié)塊現(xiàn)象。當(dāng)海草的摻混比例分別為5%，15%，25%和35%時，分別記作HN+5%HC，HN+15%HC，HN+25%HC，HN+35%HC，對應(yīng)的混燃灰渣微觀見圖2（b）～（e）。從圖2（a）～（e）可以看出：當(dāng)在河南煙煤中摻混海草后，混燃灰渣顆粒的微觀形態(tài)發(fā)生了顯著改變；當(dāng)海草摻混比例僅為5%時，就可以看到灰渣粒徑出現(xiàn)了明顯的增大趨勢；隨著摻混比例的增大，灰渣顆粒出現(xiàn)了相互黏附、團(tuán)聚和增長的現(xiàn)象，一部分灰渣顆粒通過熔融形成更大尺寸的球狀顆粒，另一部分則隨著NaCl或KCl等堿金屬氯化物從灰渣顆粒內(nèi)部揮發(fā)釋放而形成不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)。

圖2 灰渣微觀形貌圖Fig.2 Morphology of ash

圖2（f）～（i）分別為桃木摻混比例為5%，15%，25%和35%情況下的混燃灰渣微觀形貌圖，分別記作HN+5%TM，HN+15%TM，HN+25%TM和HN+35%TM。從圖2（f）～（i）可以看出：灰渣顆粒粒徑僅比單獨燃燒河南煙煤所產(chǎn)生的灰渣粒徑略微增大，灰渣顆粒表面呈疏松多孔結(jié)構(gòu)，粒徑間的間隙較明顯；隨著桃木摻混比例的增大，灰渣顆粒的微觀形態(tài)沒有發(fā)生明顯改變，也未出現(xiàn)顯著的團(tuán)聚現(xiàn)象。綜上可知，生物質(zhì)摻混比例、灰分化學(xué)組成及其賦存形態(tài)均會對摻混燃燒所形成的灰渣微觀形態(tài)以及潛在的成渣特性產(chǎn)生明顯影響。

2.2 混燃灰的元素組成及遷移特性

采用X射線能譜（EDS）對灰渣樣品進(jìn)行掃描和能譜分析，掃描區(qū)域為圖2中電鏡圖譜顯示的全部區(qū)域，結(jié)果見表3。其中，A和B以及C和D分別為海草和桃木摻混比例為25%的情況下，混燃所形成的灰渣樣品SEM圖譜典型區(qū)域的能譜分析。

表3 混燃灰的元素能譜分析結(jié)果Table 3 EDS results of co-combustion ash%

由表3可以看出：河南煙煤燃燒的灰渣中SiO2，Al2O3和CaO的含量較高，而堿金屬氧化物Na2O和K2O的含量較少；隨著海草的摻入以及摻混比例的增大，混燃灰中的堿金屬氧化物含量顯著增加，Na2O+K2O的含量從單獨燃燒煙煤時的3.88%增加到10.83%，同時Cl含量也從最初的未檢出，增長到1.92%。海草是典型的水生生物質(zhì)，由于生長環(huán)境、本身化學(xué)組成等特性，海草中的Na，K和Cl等含量較高，在典型的燃燒條件下（燃燒溫度超過1 000℃），Cl會與堿金屬元素形成氣相相對穩(wěn)定的NaCl和KCl而揮發(fā)，這部分堿金屬氯化物很難與灰分中的Si反應(yīng)生成硅酸鹽[13]。隨著溫度下降，這些氣體成分會凝結(jié)成超細(xì)的顆粒，并在隨后的冷凝過程中與硅鋁酸鹽發(fā)生聚合，進(jìn)而改變飛灰的組成，降低其熔融溫度[14]。剩余仍駐留于爐膛中的堿金屬則與混燃灰中的SiO2和Al2O3結(jié)合形成堿金屬硅（鋁）酸鹽，盡管堿金屬硅（鋁）酸鹽的融點較高，但其極易與其他礦物質(zhì)結(jié)合生成低溫共熔體，最終導(dǎo)致受熱面的結(jié)渣問題[15]。這也是導(dǎo)致海草與河南煙煤混燃灰成渣趨勢顯著的主要原因。CaO和MgO均為堿性氧化物，對于灰熔融溫度具有類似的影響。當(dāng)其含量較高時，會促使低熔點礦物質(zhì)向高熔點礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化，并抑制低溫共熔反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高灰分的熔點[16]。隨著海草摻混比例的增加，CaO+MgO的含量逐漸下降，由17.22%降低到11.10%，這說明其對于混燃灰熔融溫度的提升作用逐漸減弱。此外，在灰渣中檢測出較高的Cl含量也與實驗過程中對灰收集裝置的冷卻溫度設(shè)定有關(guān)。在爐膛溫度較高時，Cl以氣相形式為主，當(dāng)溫度逐漸降至200℃以下時，部分氣相Cl會重新轉(zhuǎn)變?yōu)镹aCl或KCl等固相形態(tài)，進(jìn)而被灰收集裝置所捕獲，這與Johansen J M[14]的實驗結(jié)果相一致。結(jié)合圖3（d）中區(qū)域A和B的圖譜可見，區(qū)域B表現(xiàn)為嚴(yán)重的聚集燒結(jié)特征，該區(qū)域中含有的Na2O，K2O和Cl元素的含量遠(yuǎn)高于區(qū)域A。Na，K和Cl元素極易導(dǎo)致灰中形成大量低溫共熔物，從而降低混合灰的熔融溫度，增強(qiáng)灰渣的吸附能力[15]。

桃木與河南煙煤混合燃燒時并沒有出現(xiàn)明顯的聚集結(jié)塊現(xiàn)象。由表3還可以看出，隨著桃木摻混比例的增加，混燃灰中的CaO含量逐漸增多，SiO2和Al2O3含量僅有少量的下降。結(jié)合圖2（h）中區(qū)域C和D的圖譜也可看出，區(qū)域C幾乎沒有出現(xiàn)灰渣聚集結(jié)塊的現(xiàn)象，該區(qū)域的CaO含量高達(dá)34.43%，遠(yuǎn)高于區(qū)域D，同時堿金屬氧化物Na2O+K2O的含量也低得多。通常而言，CaO具有較高的熔點，Si元素主要以相對穩(wěn)定的SiO2形式存在，也有很高的熔點。這兩種物質(zhì)在一定程度上能夠抑制低溫共熔物的形成，從而提高混燃灰的熔融溫度，降低成渣趨勢[17]。這一點也可以從摻混海草或桃木后，混燃灰的Ca/（Na+K）摩爾比的變化趨勢得到證實（圖3）。

圖3 混燃灰的Ca/（Na+K）摩爾比Fig.3 Ca/（Na+K）molar ratio of co-combustion ash

從圖3可以看出：單獨燃燒河南煙煤時，灰渣樣品的Ca/（Na+K）摩爾比為2.191；當(dāng)摻混海草的比例增加到35%時，灰渣樣品的Ca/（Na+K）摩爾比降低到0.298；摻混桃木能夠提高混燃灰的Ca/（Na+K）摩爾比，當(dāng)桃木摻混比例為25%時，混燃灰的Ca/（Na+K）摩爾比為2.584；當(dāng)桃木摻混比例為35%時，混燃灰的Ca/（Na+K）摩爾比有所降低，但仍高于河南煙煤單獨燃燒時灰分的Ca/（Na+K）摩爾比。Skoglund N[10]通過研究發(fā)現(xiàn)，灰沉積物中較高的Ca/（Na+K）摩爾比有助于改善灰渣的熔融特性，減緩可能出現(xiàn)的燒結(jié)現(xiàn)象。

2.3 混燃灰礦物質(zhì)組成及轉(zhuǎn)化規(guī)律

河南煙煤灰渣的XRD圖譜見圖4。由圖4可以看出，河南煙煤灰的礦物質(zhì)成分比較簡單，主要有SiO2，Al2O3以及少量的硅（鋁）酸鹽。

圖4 河南煙煤灰渣的XRD分析結(jié)果Fig.4 XRD results of HN ash

海草和桃木與河南煙煤混燃灰渣的XRD圖譜見圖5。從圖5（a）可以看出：隨著海草的摻混，混燃灰中的礦物質(zhì)組成變得復(fù)雜，以長石類礦物質(zhì)KAlSi3O8和NaAlSi3O8，類長石礦物質(zhì)KAlSiO4，KAlSi2O6和（Na，K）AlSiO4以及CaSO4，MgO和Mg2SiO4為主，此外還有少量的NaCl，K2SO4和Na2SO4等礦物質(zhì)；隨著摻混比例的增加，混燃灰中含有堿金屬陽離子的礦物質(zhì)的種類和含量均有所增加，從而引起更加嚴(yán)重的黏連成渣問題。因此，在海草與煙煤混燃時，應(yīng)嚴(yán)格控制海草的摻混比例。結(jié)合SEM圖得到的結(jié)果，可以認(rèn)為海草并不適合與煙煤直接混合燃燒，必須對海草進(jìn)行相應(yīng)的處理來降低有害元素的含量。

圖5 海草和桃木與河南煙煤混燃灰渣的XRD分析結(jié)果Fig.5 XRD results of co-combustion ash of HN and HC/TM

從圖5（b）可以看出，隨著桃木摻混比例的增加，混燃灰的XRD圖譜改變很小，且與煙煤的XRD圖譜很相似，說明桃木的摻混對混燃灰的影響較小。摻混桃木后，混燃灰中的礦物質(zhì)主要含有長石類礦物質(zhì)KAlSi3O8、類長石礦物質(zhì)KAlSiO4，（Na，K）AlSiO4以及CaO，Ca2Al2SiO7，F(xiàn)e2O3和Ca2SiO4，此外，還檢測出少量的磷酸鹽AlPO4和Ca3（PO4）2，這與桃木中含有較多的甚至過量的Ca和Fe元素有關(guān)。盡管長石類和類長石礦物質(zhì)的熔點較低，能夠促進(jìn)低溫共熔體的形成，但是混燃灰中含有的CaO，Ca2SiO4和Ca2Al2SiO7均是典型的高熔點（1 400℃以上）礦物質(zhì)，這些物質(zhì)能夠提高混燃灰的熔融溫度，從而抑制低溫共熔體的形成和轉(zhuǎn)化，緩解潛在的燒結(jié)成渣問題[18]。這也是在桃木與河南煙煤的混燃灰SEM圖中未觀測到明顯聚集成渣現(xiàn)象的主要原因。為更加充分地利用生物質(zhì)能源，建議以較大的摻混比例來進(jìn)行桃木與煙煤的混燃。

Piotrowska P[18]和He Z[19]的研究表明，灰分礦物質(zhì)的演變及灰渣團(tuán)聚過程主要有由熔融引起的成渣機(jī)制和由包覆引起的成渣機(jī)制兩種類型。前者主要是因為灰分中含有較多低熔點的磷酸鹽，從而在灰渣中形成間斷性的磷酸鹽熔融包覆層，而后者主要是由于粘附于SiO2表面的K或Na組分與SiO2間的相互作用，從而在SiO2灰分聚集物表面形成以堿金屬硅酸鹽或硅鋁酸鹽為主的連續(xù)熔融包覆層。因此，可推斷煙煤與海草混燃過程中的堿金屬硅（鋁）酸鹽主要由堿金屬氯化物和硫酸鹽在高溫下與SiO2和Al2O3反應(yīng)生成，屬于典型的由包覆引起的成渣過程。以Na和K為陽離子的長石類礦物質(zhì)和類長石類礦物質(zhì)的熔點較低，前者為1 100℃左右，后者為900～1 100℃，氯化物和硫酸鹽的熔點更低，為800℃左右，上述物質(zhì)均屬于典型的低熔點礦物質(zhì)，在燃燒溫度為1 200℃的爐膛內(nèi)，這些礦物質(zhì)會逐漸熔融，并相互吸附融合，形成低熔點共晶體，類長石類礦物質(zhì)在高溫下還會與SiO2反應(yīng)形成玻璃態(tài)低溫共熔體。這些堿金屬硅（鋁）酸鹽都會增強(qiáng)顆粒的黏附能力，降低混燃灰的熔融溫度，從而導(dǎo)致大尺寸的灰渣顆粒形成。CaCO3在高溫下分解生成反應(yīng)活性較高的CaO，并通過擴(kuò)散遷移作用進(jìn)入到低熔點的硅（鋁）酸鹽包覆層中，與SiO2和Al2O3進(jìn)一步生成少量的具有較高熔融溫度的鈣質(zhì)硅（鋁）酸鹽。此外，盡管堿金屬氯化物和硫酸鹽在高溫下多以氣態(tài)形式釋放，但仍在混燃灰中檢測到部分氯化物和硫酸鹽，這也與前述的海草生物質(zhì)中含有較高的Cl和S元素，以及灰收集裝置所處溫度較低導(dǎo)致氣相物質(zhì)重新轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嘈问接嘘P(guān)。

2.4海草摻混燃燒成渣和腐蝕的討論

從上述分析可知，作為一種典型的水生生物質(zhì)，海草中含有較高含量的S和Cl元素，這不僅對燃燒后的成渣特性影響較大，還極易產(chǎn)生冷凝腐蝕等問題。在與煤混燃過程中，S和Cl元素的析出釋放以及與相關(guān)化合物的轉(zhuǎn)化遷移特性使得成渣和腐蝕趨勢更為顯著[10]。根據(jù)元素能譜分析，摻混海草和桃木的混燃灰中S含量都有較大幅度的上升。燃燒時，燃料中的S會釋放到氣相中，主要以SO2和SO3的形式存在，灰中只殘留較少部分。XRD能譜表明，在摻混海草的混燃灰中不僅檢測到大量的CaSO4，還檢測到了Na2SO4，但在桃木的摻混灰中僅檢測到了少量的Na2SO4。因此，摻混桃木燃燒后，灰中大部分硫氧化物通過分解形成氣態(tài)物質(zhì)而釋放，摻混海草燃燒后，混燃灰中大部分硫氧化物通過固硫反應(yīng)而駐留在灰中，表現(xiàn)出較好的固硫效果。桃木的摻混給混燃灰?guī)砹烁嗟腃aO，但混燃灰中并未檢測到CaSO4，說明CaSO4的形成并不僅是CaO和硫氧化物反應(yīng)的結(jié)果，其形成機(jī)制還與灰分中其他礦物質(zhì)密切相關(guān)。這可能與XRD檢測到的Ca3（PO4）2有關(guān)，在典型的燃燒環(huán)境下，灰分中的P會優(yōu)先與Ca結(jié)合生成高熔點的Ca3（PO4）2，從而抑制CaSO4的形成，這也與Billen P[20]關(guān)于不同類型磷酸鹽的熱動力學(xué)分析結(jié)果相一致。此外，海草與河南煙煤的混燃灰中還檢測出了K2SO4。值得注意的是，氣相K2SO4會沉積在金屬部件上，引起受熱面腐蝕等問題。

摻混海草的混燃灰中出現(xiàn)了大量的Cl元素，如前所述，Cl可以促進(jìn)燃料中堿金屬元素的揮發(fā)，會與堿金屬元素反應(yīng)并生成堿金屬氯化物蒸氣，部分堿金屬氯化物在高溫條件下與灰中的SiO2和Al2O3反應(yīng)生成對應(yīng)的堿金屬硅（鋁）酸鹽和HCl，或與硫氧化物反應(yīng)生成硫酸鹽與HCl[21]。這些堿金屬硅鋁酸鹽具有較低的熔點且容易形成低溫共熔體，從而降低灰熔融溫度，增強(qiáng)灰的黏附能力，引起結(jié)渣等現(xiàn)象。生成的HCl與堿金屬氯化物凝結(jié)在受熱面上，還會引起受熱面的腐蝕問題。因此，應(yīng)盡量避免高Cl生物質(zhì)在鍋爐中燃燒，但海草本身含有大量的Cl元素，這給海草等水生生物質(zhì)的資源化應(yīng)用帶來了困難。

相關(guān)學(xué)者分別從水洗浸提、酸洗浸提以及摻混添加劑等方面開展了關(guān)于抑制或緩解海草生物質(zhì)混燃灰成渣的有益嘗試[10]。浸提可以有效去除海草生物質(zhì)中的堿金屬元素和氯元素，降低灰分含量，提升熱值，對于抑制海草生物質(zhì)混燃灰成渣有較好的效果。熱動力學(xué)模擬也表明[15]，爐膛溫度、反應(yīng)氣氛以及潛在的二次轉(zhuǎn)化行為均會對Cl和S元素的釋放和遷移過程產(chǎn)生影響。因此，基于不同類型海草生物質(zhì)的化學(xué)組成，如何通過預(yù)處理、添加劑的摻入或與其它燃料共燃的協(xié)同作用降低成渣或腐蝕危害，還需進(jìn)一步探索和研究[19]。

3 結(jié)論

本文針對河南煙煤摻混不同比例的水生和木本生物質(zhì)（海草和桃木）的混燃成渣特性開展了實驗研究，得到以下結(jié)論。

①藻類生物質(zhì)與煙煤摻混共燃會導(dǎo)致混燃灰出現(xiàn)明顯的聚集結(jié)塊現(xiàn)象，在摻混比例為5%時就可以看到灰渣粒徑明顯增大，并表現(xiàn)為熔融的大尺寸球狀顆?；虿灰?guī)則的絮狀多孔結(jié)構(gòu)；而典型木本生物質(zhì)桃木的摻混僅造成混燃灰渣的顆粒粒徑略微增大，成渣趨勢不顯著。

②摻混海草后，混燃灰中的堿金屬、Cl和S元素含量明顯增加，Ca/（Na+K）摩爾比降低到了0.298，并形成了以Na和K為陽離子的長石和類長石礦物質(zhì)，進(jìn)而與SiO2和Al2O3反應(yīng)形成玻璃態(tài)低溫共熔體，加劇灰渣顆粒之間的黏附和成渣趨勢，屬于典型的由包覆引起的成渣現(xiàn)象。桃木中的Ca和Fe等元素含量顯著高于海草，混燃灰的Ca/（Na+K）摩爾比增長到了2.584，較高的Ca/（Na+K）摩爾比有助于改善灰渣的熔融特性，減緩可能出現(xiàn)的燒結(jié)現(xiàn)象。

③由于生產(chǎn)環(huán)境和本質(zhì)特性，海草中含有大量的堿金屬、Cl和S元素，不僅對混燃灰的成渣特性造成較大影響，還會產(chǎn)生冷凝腐蝕等問題，從而對海草生物質(zhì)的資源化應(yīng)用產(chǎn)生影響。因此，如何采取更有效的措施防范因摻混水生生物質(zhì)燃燒而帶來的聚集結(jié)渣或腐蝕等問題，仍需不斷的探索和研究。