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蘇俊林，矯振偉，王翰平
(吉林大學 熱能工程系，吉林 長春 130025)
摘要：本文綜述生物質顆粒燃料產業現狀及生物質顆粒燃料的灰行為研究現狀，分析了生物質顆粒燃料灰行為的研究前景，指出隨著生物質顆粒燃料的灰行為問題的解決，生物質顆粒燃料必將成為我國未來新型能源的重要組成部分。
0引言
當今，能源和環境問題日益嚴峻，環境污染嚴重，生態惡化，化石燃料等常規能源的儲存量日益減少，能源短缺，價格飛漲，因此可再生能源的開發利用成為一種必然[1-2]。用生物質能替代化石能源，既可改善能源結構，在一定程度上解決了能源緊缺問題，將生物質變廢為寶，變害為利，又有效減排二氧化硫與二氧化碳。生物質能屬于清潔的可再生能源，其有害物質含量僅為煙煤的10%左右。煤的含硫量一般為0.5%～1.5%，高硫煤可達5%～8%，而生物質的含硫量非常少，一般少于0.2%。同時，在生物質能利用過程中所排放的二氧化碳可納入自然界的碳循環，實現二氧化碳的零排放。
我國作為一個農業大國，農業生產過程中產生大量的生物質廢棄物，其中農作物秸稈年產量約為6億t，其他農業廢棄物約為1.3億t。同時，在林業生產過程會產生大量木質生物質廢棄物，這些廢棄物每年約有3億t可以利用[3]。此外還有畜禽糞便及有機廢水，城市固體廢棄物等的儲量亦是十分豐富，這些生物質廢棄物如果加以利用，將會在很大程度上緩解我國的能源危機。現階段，我國的生物質能利用水平還比較落后，2010年底我國的生物質燃料約相當于1300萬t標準煤。生物質能技術開發利用的核心內容就是研究和發展各種生物質能源的轉換利用技術，實現生物能的潔凈燃燒和高效利用。
其中，將生物質進行壓縮固化，使其轉化為高品位燃料使用是生物質能利用的重要方法。目前西方先進國現家基本使用木質顆粒燃料，這是因為此類壓縮成型致密燃料具有熱值高、灰分少和容易燃燒完全的特點。但在我國此類顆粒燃料價格昂貴，難于與散煤競爭，推廣使用困難。而我國農業生產的副產品—農作物秸稈(尤其是玉米秸稈)卻大量被遺棄，實在可惜。玉米秸稈等農作物秸稈燃料在燃燒利用過程中，由于生物質灰熔點低，導致熔融結渣、嚴重影響燃燒，同時也會使受熱面積灰、磨損及產生腐蝕。這已經成為發展生物質能燃燒技術需要解決的關鍵問題。這也促使人們對生物質顆粒燃料的灰行為進行研究，以提高其灰熔點，推動生物質燃料行業的發展。
1國外生物質灰行為研究現狀
國外主要應用木質生物質顆粒燃料，這種生物質顆粒燃料灰熔點高，在發電鍋爐與工業鍋爐使用中不會產生結焦問題。國外對生物質燃料灰熔點的研究較少，研究最多的是煤的灰熔融特性，后來為了大力發展生物質燃料產業，許多機構學者開始借鑒煤的灰熔融特性對生物質的灰行為進行了研究，由于生物質與煤的特性有一定的差別，ATSM(美國材料與試驗協會)制定了相應的生物質實驗方法標準。
Nielsen[4]等人對稻草燃燒中無機物的行為進行了研究，尤其是鉀的析出和氯化鉀硫酸鹽化為硫酸鉀的過程進行了研究。Peter Glarborg[5]等對氣態堿金屬硫酸鹽形成的機理進行了研究。Jenkins[6]等人對水洗去除生物質中堿金屬元素的方法進行了研究。Heije Miettinen westberg[7]闡述了生物質燃燒時K、CI和S的釋放和變化規律。研究發現，導致生物質灰熔融點偏低的主要原因是鈉、鉀等堿金屬化合物在生物質燃燒過程中部分鈉、鉀和氯以氣態的形式釋放，其它的則留在灰中，形成熔點較低的堿金屬鹽類。在高溫時這些熔點較低的堿金屬鹽類處于熔融狀態，互相粘連形成結焦。在冷卻過程中，氣態堿金屬可能凝結在粗的飛灰顆粒上，使飛灰聚團。并且通過研究表明，決定堿金屬蒸汽生成量的限制因素不是堿金屬元素，而是氯元素。
Khanh Quang Tran[8]等人通過研究高嶺土對生物質灰熔融性的影響發現，高嶺土能夠有效地提高灰熔點，通過分析認為主要是由于Al2O3以及SiO2的作用提高了生物質灰熔點。Mohamed[9]在研究硅藻土對生物質灰熔點的影響時認為SiO2可以與NaCl發生反應以減少飛灰中的堿金屬蒸氣，認為SiO2可以在一定程度上提高灰熔點。此外還有很多學者對生物質的灰熔融特性進行了研究，認為Al2O3、SiO2、MgO、CaO、Fe2O3等可以在一定程度上提高灰熔點。
現階段已經基本了解了導致生物質灰熔點低的原因，并對一些可能發生的化學反應進行了闡釋，但是現在大多的研究是對某一種單一影響因素進行研究，并沒有考慮到影響因素之間的交互作用，并沒有真正弄清楚所發生的化學反應，對結渣機理的分析也沒有一個準確的闡述。
2國內生物質灰行為研究現狀
依照我國國情，我國更適合發展秸稈類生物質顆粒燃料，但這種生物質顆粒燃料大多灰熔點低，并不適合工業化利用。這就要求我們對其進行研究，以提高其灰熔點。
浙江大學馬孝琴，駱仲泱等研究人員[10-13]對生物質灰分進行研究，分析了秸稈中堿金屬的來源，對生物質燃燒過程中由堿金屬引起的聚團燒結沉積及腐蝕機理進行了研究，分析了秸稈燃燒過程中K的物相的分布情況，發現在不同的溫度下K的存在形式有很大差異，在680～760℃時，K的化合物就呈現熔融狀態，認為是秸稈灰熔點低的主要問題。通過分析添加Al，Si，S，P，Ca等元素的化合物對于K的存在形式的影響，得出Al及Al和Si的混合物可以有效的使K以固態形式存在，有效提高灰熔點。
同時，還對秸稈燃燒過程中添加高嶺土，燃煤飛灰，硅藻土Al(OH)3·CaCO3這幾種添加劑分析秸稈灰熔融特性，認為高嶺土、燃煤飛灰以及硅藻土可與KCl氣體發生反應并將氯以HCl氣體的形式釋放。提出了以下幾種減輕生物質燃燒過程中由堿金屬引起的灰熔點低的解決方案：
(1)使用添加劑。采用抑制低熔點化合物生成的添加劑。
(2)生物質與其它燃料混燒。生物質可以與煤混燒。
(3)適宜的鍋爐設計。采用水冷壁保證爐膛溫度處于一個較低的水平。
山東大學張浩[14]對麥稈、酒糟、糠醛渣、甘蔗渣、玉米芯、梧桐木和瓜子殼等7種生物質采用SEM/EDS方法和YX-HRD灰熔融性測定儀對各種生物質進行了灰特性的研究，研究表明Na2O始終起到降低灰熔點的作用，K2O、CaO、SiO2、MgO、Al2O3對生物質灰熔點的影響都呈現兩面性。
哈爾濱理工大學孫宏偉等人[15]對生物質中堿金屬元素的來源和析出遷移規律進行了論述。歸納出堿金屬引起的腐蝕、聚團和沉積問題，并分析了引起這些問題的影響因素。指出解決生物質堿金屬問題的四種常用方法，并總結了堿金屬研究過程中存在的問題。
此外還有遼寧省清潔能源重點實驗室，東南大學，西安交通大學等單位針對生物質的灰行為進行了類似研究。
現階段對于生物質灰行為的研究大多是在宏觀上對生物質灰熔融特性進行分析，并且大多是針對單一添加劑進行研究，并沒有系統的考慮各個因素之間的交互作用。我國在2010年之前并沒有針對生物質燃料的檢測標準，對于生物質的灰熔融性的研究大多是采用煤的方法以及美國的ATSM標準進行。由于試驗方法的不同，在結論上會有一定的差別，這導致了生物質燃料研究的混亂局面，并且由于采用的方法不同所測得的灰分中的成分也不同，這樣在進行灰熔融特性建模的時候得到的模型僅僅適合于某一種生物質原料，并不具有通用性。現階段我國并沒有專門針對生物質燃料的試驗分析儀，大多采用煤的分析儀器，也會導致所得到的結論有錯誤存在。在2010年5月20日農業部發布了《生物質固體成型燃料試驗方法》，從此我國的生物質實驗研究將走上正軌。
吉林大學針對生物質顆粒燃料灰行為及結渣問題，進行了大量的研究工作。研究分析生物質中堿金屬賦存形態特點及結渣形成機理，考察不同堿金屬賦存形態和轉變對結渣性及灰熔點的影響。分析不同組分及不同添加劑條件下，結渣性與灰熔性變化規律及影響因素，建立了復合生物質顆粒結渣傾向評判方法。現在已經研制出數種復合生物質顆粒燃料，其灰分軟化溫度達到并超過1200℃。在試驗燃燒過程中爐膛溫度在1200℃時并沒有結焦現象出現，生物質顆粒燃料燃燒完全保持原樣，沒有任何粘連出現。吉林大學現在正致力于研究生物質灰行為模型，并已得到初步成果。
3生物質灰行為研究前景
我國的生物質燃料的利用跟國外差別較大，我國主要是利用農作物秸稈，因此需要對農作物秸稈的基本特性進行研究，尤其需要對其灰行為和結渣機理進行深入研究。現階段已經對生物質燃料灰熔點的影響因素進行了基礎研究，導致灰熔點過低的因素已經得到公認。我國已發布的《生物質固體成型燃料試驗方法》規范了我國的生物質燃料的實驗方法。在國內外研究的基礎上，依照現行的《生物質固體成型燃料試驗方法》規范的方法，生物質的灰行為研究必將走上快車道。隨著生物質燃料灰行為研究的深入，我國的生物質顆粒燃料將得到長足發展。
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