麦秸秆结渣特性实验与分析

时在涛，武瑞娟，马志勇，秦威锋，徐广印

(河南农业大学机电工程学院，河南郑州450002)

生物质燃料压块是一种新型的清洁能源，由于其节能、减排、环保、原料多、成本低、可再生等特点，生物质燃料成为推广的方向之一。生物质固体成型燃料是指利用生物质压块技术将废弃农作物秸秆、花生壳、树枝树皮、木屑等压制成型的。这种生物质压块燃料热值高，燃点低，燃尽率高，排放出的气体对大气无污染。使用生物质燃料代替煤，可以一次性解决来自环保上的压力(成本浮动约为±5%左右);使用生物质燃料代替石油、天然气等能源，可以给企业节约20%～50%的能源成本。生物质燃料有着广泛的应用前景。

但是以农作物秸秆为原料的生物质固体燃料在燃烧过程中存在结渣现象，结渣严重影响了燃烧效率。选取麦秸秆作为实验材料进行结渣特性试验，旨在研究其结渣特性，为提高燃烧效率提高一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

麦秸秆，灰熔点测试仪，烘干机，电子天平，马弗炉，灰锥模具。

1.2 方法

将麦秸秆在马弗炉里灼烧成灰烬，然后将灰化试样用模具制成灰锥，将灰锥烘干并粘在灰锥托板的三角坑内，放入灰熔点测试仪，选取国际档进行测定，依次记录下变形温度、软化温度、半球温度、流动温度。重复3组，取平均值。

其中变形温度、软化温度、半球温度、流动温度具体含义:变形温度指灰锥尖端开始变圆或弯曲时的温度;软化温度指锥体弯曲至锥尖触及托板或灰锥变成球形时的温度;半球温度指灰锥形变成半球形，即高约等于底长的1/2时的温度;流动温度指灰锥熔化展开成1.5 m以下的薄层时的温度[1]。

根据GB/T1572—2001燃料的结渣性测定方法和GB/T476—2001燃料灰渣成分分析方法对生物质成型燃料进行结渣性能分析。测灰熔点的具体步骤如下。

取麦秸秆试样放入坩埚中，使其分布均匀0.15 g·cm－2，并将坩埚放入电阻炉中，在自然通风条件下在30 min内将温度从室温升至500℃;达到该温度后在此温度下保持30 min，再继续升温至800℃，并在此温度下灼烧1 h。之后进行检验性灼烧，直至重量变化小于0.001 g为止。

将完全灰化的试样用玻璃研钵研细至0.1 mm以下。取1～2 g试样放在玻璃板上，用数滴糊精湿润并调成可塑状，然后用小尖刀铲入灰锥模中挤压成型。用小尖刀将模内灰锥小心地推至玻璃板上，与空气中风干或恒温60℃烘干备用。

用将灰锥牢固地粘在灰锥托板的三角坑内，并使灰锥的垂直于底面的侧面与托板表面垂直。拧紧观测口盖，在手电筒照明下将刚玉舟徐徐推入炉内，并使灰锥与电偶热相距2 mm左右，选取国际档(900℃以前升温速度15～20℃·min－1;900℃以后升温速度±5℃·min－1)开始测定[2]。

2 结果与分析

2.1 特征温度

实验结果表明，秸秆特征温度变形温度为1 195℃，软化温度为1 205℃，半球温度为1 225℃，流动温度为1 280℃。

还原性气氛中的初始变形温度是预测炉内结渣倾向的一种常用指标，用温度判别燃料结渣性界限为:＞1 280℃，不结渣;1 108～1 288℃，中等结渣;＜1 260℃，严重结渣。根据这种标准对麦秸燃料结渣情况进行预测，变形温度1 195℃为麦秸具有中等结渣性。

判别燃料结渣性界限为:＞1 390℃，轻微结渣;1 260～1 390℃，中等结渣;＜1 260℃，严重结渣。根据这种标准对麦秸秆结渣情况进行预测，软化温度1 205℃为麦秸具有严重结渣性[3－5]。

灰熔融特征温度的测定具有较大的测量误差，因而只能提供炉内结渣倾向的粗略判别。通常，灰熔融特征温度较高的燃料大多不具有结渣性，而具有低或中等灰熔融特征温度的燃料，则往往还需要结合其他的方法进行判别。

2.2 灰渣成分及含量

麦秸燃料的灰渣成分及含量见表1。

表1 麦秸秆的灰渣成分

硅比。硅比=(SiO2×100)/(CaO+SiO2+MgO+Fe2O3)。由于木质生物质中SiO2含量较少，一般不超过总灰量的20%，计算结果表明，木质生物质硅比较小，现有的煤判别界限不适合麦秸秆结渣特性判别。

碱酸比。碱酸比=(Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O)/(Al2O3+SiO2+TiO2)。将表1中麦秸数据代入式子，得出麦秸碱酸比0.62，与表2中范围相比较＞0.4，可知麦秸秆具有严重结渣倾向。

表2 煤结渣指数判别界限

硫分结渣指数。由于生物质中含S较少使得硫分结渣指数较小，大多数硫分结渣指数远远低于轻微结渣判别界限，与实际结渣倾向不吻合。因此不适合判别生物质结渣倾向。

铁钙比。铁钙比虽然在判别界限范围内但由于生物质中氧化钙含量较大，致使用铁钙比判别生物质向时基本为轻微，也不符合实际结渣倾向，因此铁钙比也不适合作为生物质结渣倾向判别指数。

碱性氧化物指数。文献[7－8]作者提出采用碱性氧化物指数来判别燃料的结渣特性。＜0.17为轻微，0.17～0.34为中度，＞0.34为严重。由表1中麦秸秆灰分数据得出麦秸秆的碱性氧化物指数为1.07＞0.34，由此判别标准麦秸秆也具有严重结渣倾向。

3 小结

实验得出麦秸秆燃烧后具有严重的结渣倾向，针对以农作物秸秆为原料的生物质固体燃料在燃烧过程中存在结渣现象，建议在生产过程中添加相关的抗结渣剂，以降低燃烧过程中的结渣现象，同时研究开发具有破渣、清灰的生物质燃烧器，以适应我国的秸秆类生物质燃料。

[1]张全国，刘圣勇.燃烧理论及其应用[M].郑州:河南科学技术出版社，1993.

[2]李宝谦，马孝琴，张百良，等.秸秆成型与燃烧技术的产业化分析[J].河南农业大学学报，1999，35(1):70－80.

[3]刘圣勇，王淮东，康艳，等.玉米秸秆成型燃料结渣特性试验与分析[J].河南农业大学学报，2006，40(6):648－652.

[4]刘圣勇，郑丹，苏超杰，等.生物质成型燃料热风炉结渣特性及成因实验研究[J].农业工程学报，2007(6):1032－1035.

[5]刘圣勇，李文雅，苏超杰，等.物质成型燃料燃烧设备结渣特性试验研究[J].农业工程学报，2006，22(增1):135－137.

[6]阎维平，陈今颖.TK6生物质燃料结渣特性分析与判别[J].华北电力大学学报，2006，22(增1):135－137.

[7]Jenkins BM，Baxter LL，Miles TR，et al.Combustion properties of biomass[J].Fuel Processing Technology，1998，54:17－46.

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