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生物质炭化成型燃料直燃特性分析

摘要：以棉杆和木屑为原料制备生物质炭化成型燃料(biomasscarbonizedformingfuel，BCFF).对成型燃料进行了热重分析，选择温度为550℃、700℃和850℃的灰样进行X射线荧光光谱(X-rayfluorescence，XRF)、X射线衍射(X-raydiffraction，XRD)分析、灰熔融实验。TG实验表明：BCFF燃烧过程经历吸热失水、挥发分析出及燃烧、固定碳燃烧和燃尽4个阶段。F分析表明：随灰化温度从550℃升高至815℃，K减少了56.2%，Na减少了26.5%，Cl减少了75%，而Ca增加了41.6%，且在700～815℃之间K、Na、Cl元素损失最大。XRD分析表明：BCFF燃烧灰样的成分主要是石英、单钾芒硝、钙沸石、索伦石、方镁石和硫酸盐等。温度从550℃升至700℃时，灰样中KCl消失和出现了钙沸石；升至815℃时，索伦石消失，分解生成氧化钙、氧化硅、氧化铝等稳定的高温共融体。研究结果可为生物质锅炉燃料选择方面提供理论依据。

当今世界面临日益严峻的环境和能源问题，生物质作为一种清洁的可再生能源，因其储量丰富及低碳环保等特点已逐渐为世界各国所重视[1-3]。目前生物质资源的利用技术主要可分为3类：物理转换、热化学转化和生物化学转化。目前，针对这3类转化方式应用较为广泛的利用技术主要有生物质直燃、气化、热解、厌氧处理等方法[4-5]。将生物质直接燃烧应用于发电和供热，发展迅速，但是生物质中较多的钾、钠、钙、磷等无机元素在锅炉内直燃时会在炉膛内形成熔渣或以飞灰形式沉积在尾部受热面，影响机组的安全性、可靠性和经济性[6-7]。目前，不少文献已经对原料直燃后灰分的性质进行了研究，肖瑞瑞等[8]研究了稻草、松木屑和梧桐树叶3种生物质在不同温度下灰的理化特性。王爽等[9]研究了海藻灰的熔融特性。牛艳青等[10]研究了辣椒杆灰熔融特性。而对炭化成型燃料鲜有报道。与普通薪材燃料相比，生物质炭化成型燃料(BCFF)具有密度高、强度大、便于运输和装卸、易燃、燃烧性能好、热值高、灰渣少、燃料操作控制方便等优点。本文为生物质锅炉安全高效运行提供一种以棉杆和木屑为原料炭化处理后添加黏结剂压制的生物质成型燃料，通过热重实验(TG)探究燃烧性能并对不同温度燃烧后灰产物进行了X射线衍射(XRD)、X射线荧光光谱(XRF)分析，探究了灰化温度对灰成分和灰熔融特性的影响，对进一步提高生物质成型燃料在生物质锅炉中的运用有重要意义。

1实验

1.1材料与仪器

实验原料为棉杆(新疆)和木屑(上海)，实验设备有电子天平、破碎机、水浴锅、搅拌机、成型机、管式炉和HR-4灰熔融性测试仪，实验试剂有淀粉(工业一级，上海展云化工有限公司生产)、羧甲基纤维素钠、氢氧化钠、双氧水、四硼酸钠和磷酸三丁酯等，均为分析纯。

1.2黏结剂的配制

根据参考文献[11]配制黏结剂：称量淀粉50g，在500mL的烧杯中用50mL蒸馏水调制成淀粉乳，加入5g的氢氧化钠，糊化30min，得到淀粉胶液。再加入质量0.5g的双氧水，直到淀粉胶液颜色呈乳白色。再取10g羧甲基纤维素钠，溶于100mL蒸馏水不断搅拌。取2g四硼酸钠，一起加入到放在水浴锅(恒温70℃)中的三口烧瓶内不断搅拌，反应30min，滴加少许磷酸三丁酯消泡。

1.3实验样品的制备

实验选用棉杆(新疆)、木屑(上海)的工业分析和元素分析见表1，按照煤制灰标准(GB/T212—2001)测其矿物质组分，见表2，所有原料用破碎机破碎使其粒径小于1mm，放在105℃下干燥6h后备用。用电子天平称取40g左右原料(木屑和棉杆质量比1∶3)均匀加入石英管。将气体管路连接好后通入氮气(流量为200mL/min)，在保证出气无氧的情况下开始炭化实验.实验中升温速率为10℃/min，升至600℃后，恒温30min，然后在氮气保护下冷却至室温。炭化完成后，研磨使获得的生物质炭粒径小于0.1mm，然后将研磨后获得的样品与自己配置的黏结剂按照质量比10∶7的比例混合均匀送入20MPa成型设备中压制成型。经过成型之后的成型块放入200℃干燥炉内，通以200mL/min的惰性气体氮气保护，干燥热处理1h之后降至室温，制得生物质炭化成型燃料。

1.4样品灰的制取

将生物质炭化成型燃料破碎至粒径均小于1mm用以实验，国内对于生物质灰的制取目前还没有相应的标准，本文根据我国煤制灰标准(GB/T212—2001)确定灰化温度为815℃，另外选取550℃、700℃作为对比，实验在马弗炉上进行。通过四分法取6份质量为(0.5±0.05)g的试样，分别在550℃、700℃、815℃的马弗炉中灼烧1h后取出称量并观察灰皿内残