劉宏宇¹，張守玉¹，宋曉冰¹，胡 南²，孫夢圓¹，常 明¹

（1. 上海理工大學 能源與動力工程學院 熱能工程研究所；2. 長春工程學院）

　　摘要

　　生物質作為價格低廉、來源廣泛的綠色能源，具有巨大的利用潛力。但由于生物質本身堿金屬(主要為鉀)含量較高，在燃燒利用過程中存在如堿結渣、灰分融合、團聚、腐蝕等問題。其中，結渣存在于整個生物質利用過程中，形成極難處理的結塊與沉淀，對鍋爐本身及運行造成危害。因此，抗結渣生物質燃料是實現生物質高效利用的可行手段。目前可通過添加劑、共燃、化學預處理、涂層等方式改變生物質利用過程中堿金屬氯化物、硫酸鹽、硅酸鹽的生成和轉化途徑，以解決生物質熱轉化利用過程中的結渣問題。其中利用添加劑與生物質受熱反應生成新的高熔融點產物的處理方式具有較好抗結渣效果。

　　筆者介紹了生物質中堿金屬的存在形式及其熱轉化過程中鉀的釋放路徑、遷移規律，概括了生物質熱轉化利用過程中的結渣機制，總結了鋁基、鈣基、磷基3種添加劑在生物質抗結渣過程中的作用機理。使用添加劑可使生物質燃料達到較好的抗結渣效果，磷基添加劑可較好地解決煙道與爐底結渣問題，鈣基添加劑只能解決爐底結渣但會造成嚴重的煙道結渣，鋁基添加劑雖能達到與磷基相近的結果，但成本較高且作用效果隨溫度的升高而減弱。未來抗結渣生物質燃料的研究方向可從新型添加劑出發，尋找既可固定氣相中的鉀，也能與灰渣中硅酸鉀形成高熔融點物質的單一化合物或混合礦物質添加劑；另一方面也應考慮添加劑與生物質混合后的成型問題，開發具備高機械強度的抗結渣成型生物質。最后介紹了上海理工大學碳基燃料潔凈轉化實驗室在抗結渣高機械強度生物質成型燃料方面的進展。以期為抗結渣生物質成型燃料的研究與開發提供一定的參考。

　　文中插圖

圖1 秸稈在熱轉化過程中鉀的遷移規律

圖2 抗結渣碳酸鈣添加劑爐內作用機理

圖3 磷基添加劑爐內作用機理

圖4 添加磷酸制備抗結渣高機械強度生物質成型炭燃料工藝路線

圖5 生物質添加磷酸前后制得的成型炭表觀密度和抗壓強度對比

　　結語與展望

　　生物質作為價格低廉、來源廣泛的綠色能源，具有巨大利用潛力。但由于其利用過程中的嚴重結渣問題使該能源的利用受到極大挑戰。因此，抗結渣生物質燃料的開發是實現生物質高效利用的可行手段。導致生物質結渣的元素K、Cl、S、Si主要以鹽的形式存在于生物質中，其中K作為生物質中大量存在的堿金屬元素是結渣的主要原因。生物質中少量鉀以有機形式存在，受熱后以鉀離子形式釋放到氣體中；大量的鉀則以無機形式存在，受溫度影響與其他元素在生物質熱轉化過程中發生復雜的物理、化學變化。在生物質利用過程中，K以KCl、KOH、K₂SO₄存在于煙氣中造成煙道結渣，以K₂SiO₃存在于灰渣中則造成爐底結渣。

　　目前主要利用3種添加劑與生物質摻燒以達到抗結渣效果：鋁基添加劑可固定氣相中的鉀并與硅酸鉀反應生成高熔融點物質，但其固定鉀能力隨著溫度升高而減弱，同時高嶺土價格較貴，經濟性較差；鈣基添加劑可與硅酸鉀反應生成高熔點物質，但不具備固定鉀的能力，從而使更多鉀釋放至煙氣中，導致煙道結渣更為嚴重；磷基添加劑既可將氣相中的鉀固定在灰中，也可與硅酸鉀反應生成高熔融點物質。同時，磷基添加劑還可提高生物質成型燃料及其成型炭的機械強度。

　　未來抗結渣生物質燃料的研究方向可從尋找新型價廉添加劑的方向出發，要求該添加劑既可固定氣相中的鉀，又能與灰渣中硅酸鉀形成高熔點物質；另一方面需要考慮添加劑添加后生物質的成型問題，開發高機械強度的抗結渣生物質成型燃料。