胡志光，李麗，付麗麗，鄧曉川

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定 071003)

生物質(zhì)與煤混燒灰浸潤(rùn)特性試驗(yàn)研究

胡志光，李麗，付麗麗，鄧曉川

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北保定 071003)

對(duì)玉米秸與煙煤、無(wú)煙煤以不同比例混燒制備的灰樣進(jìn)行浸潤(rùn)特性試驗(yàn)，并以花生殼、木屑進(jìn)行參照試驗(yàn)。按照GB/T 16913-2008中的粉塵物性試驗(yàn)方法，利用設(shè)計(jì)并組裝好的浸潤(rùn)性測(cè)定裝置，采用浸透速度法來(lái)測(cè)定灰樣的浸潤(rùn)性，并通過(guò)成分分析及形貌分析討論其影響機(jī)理。研究結(jié)果表明:無(wú)煙煤灰與煙煤灰浸潤(rùn)性差異主要是由灰樣化學(xué)組分不同所引起的微細(xì)顆粒物的團(tuán)聚粗化引起;與煙煤混燒，隨著玉米秸混摻比增加，浸潤(rùn)性顯著提高，其主要影響因素在于生物質(zhì)的摻入導(dǎo)致灰樣微觀形貌的改變;與花生殼及木屑混燒灰進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，浸潤(rùn)效果均不如玉米秸稈，考慮原因應(yīng)主要是不同生物質(zhì)中纖維素、木質(zhì)素等含量差異的影響。如需證明，還需大量試驗(yàn)。

浸潤(rùn)性;生物質(zhì)燃料;混燒灰

0 引言

生物質(zhì)能是第四大能源物質(zhì)。在電廠燃煤中添加一定比例的生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)與煤混燒，不僅可以減少我國(guó)的一次能源的消耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物的有效處理，而且適當(dāng)比例的生物質(zhì)的添加對(duì)于降低燃煤鍋爐溫室氣體(CO2，CH4)及NOx和SOx的排放量具有一定的效果。由于生物質(zhì)與煤的形成過(guò)程不同，物化特性存在巨大差異，不同混摻比例下的混燒灰的真密度、粘性、比電阻、浸潤(rùn)性、粒度等物化性質(zhì)存在一定差異。如何根據(jù)混燒灰性質(zhì)選擇合適的除塵方式實(shí)現(xiàn)高效捕集成為新的關(guān)注點(diǎn)。混燒灰的浸潤(rùn)性是電廠除塵器選型的重要依據(jù)。

生物質(zhì)來(lái)源于植物，植物的細(xì)胞壁主要由木質(zhì)素、半纖維素和纖維素構(gòu)成［1］。纖維素大分子之間通過(guò)氫鍵聚合在一起，經(jīng)過(guò)高溫(＞300℃)熱解，羰基、羧基和羥基及游離基團(tuán)形成［2］。這種網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，同時(shí)含有親水性的基團(tuán)，有助于生物質(zhì)混燒灰吸水性能的提高。粉塵的浸潤(rùn)性是指固體粒子與液體接觸時(shí)接觸面迅速擴(kuò)大而相互附著所形成的“固-液”界面取代原來(lái)的“固-氣”界面的一種特性［3］。如果混燒灰具有比較好的浸潤(rùn)性，則適合選用濕法除塵，如果混燒灰浸潤(rùn)性過(guò)低，導(dǎo)致細(xì)小的粉塵粒子不易被水分子所捕集，此時(shí)，需要添加某些浸潤(rùn)劑使水的張力變小，增強(qiáng)固體粒子的浸潤(rùn)性，以提高濕法除塵的效率。同時(shí)，若粉塵浸潤(rùn)性過(guò)高，則對(duì)于袋式除塵清灰會(huì)變得十分困難，易引起布袋板結(jié)。而且混燒灰的浸潤(rùn)性對(duì)其親水性有一定影響［4］。當(dāng)其他條件相同時(shí)，粉塵浸潤(rùn)性的改變導(dǎo)致粉塵親水性的不同，親水性好的粉塵在煙氣濕度大的環(huán)境下吸收煙氣中的水分，使粉塵的比電阻降低。而電除塵器對(duì)粉塵比電阻是十分敏感的，粉塵浸潤(rùn)性的改變會(huì)間接對(duì)電除塵器的效率產(chǎn)生影響。因此，本研究對(duì)玉米秸、花生殼、木屑三種常見生物質(zhì)燃料純?nèi)家约芭c煤粉按不同熱量基混燒后的灰樣進(jìn)行浸潤(rùn)性試驗(yàn)研究，以期探求生物質(zhì)混燒灰的物化性質(zhì)對(duì)粉塵浸潤(rùn)性的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

1.1 灰樣制備

選用最普遍的生物質(zhì)燃料包括玉米秸、花生殼、木屑與煤(選擇煙煤、無(wú)煙煤)作為混燒燃料，將其分別破碎、研磨、過(guò)篩后，制成80目的粉末狀燃料。然后分別按照熱值配比0%、5%、10%、15%、20%、100%進(jìn)行混合，針對(duì)煤/生物質(zhì)混合燃料采用我國(guó)煤灰分量分析標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212-2008中的緩慢灰化法進(jìn)行制取，將燃料送入爐溫不超過(guò)100℃的馬弗爐恒溫區(qū)中，爐門留有縫隙，在不少于30min的時(shí)間內(nèi)將爐溫緩慢升至500℃，并在此溫度下保持30min，之后升溫到815℃，并在此溫度下灼燒1h后取出作為灰樣［5］。針對(duì)純生物質(zhì)燃料根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)方法ASTME1755-01(2007)中的生物質(zhì)燃料灰分測(cè)定方法進(jìn)行制取。先置于馬弗爐內(nèi)30min內(nèi)均勻加熱至250℃，保持1h，再在40min內(nèi)持續(xù)加熱升溫至600℃并保持3h，之后取出作為灰樣［6］。當(dāng)制取的灰樣中檢測(cè)到不完全燃燒時(shí)，進(jìn)行二次燃燒處理?；覙尤〕龊蠓旁谀蜔崾薨迳希诳諝庵欣鋮s后移入干燥器中冷卻至室溫，待測(cè)。

1.2 灰樣的浸潤(rùn)性測(cè)定

按照GB/T 16913-1997中的粉塵物性試驗(yàn)方法，利用自行設(shè)計(jì)并組裝浸潤(rùn)性測(cè)定裝置采用浸透速度法來(lái)測(cè)定生物質(zhì)與煤混燒灰樣品的浸潤(rùn)性。在浸潤(rùn)性測(cè)定裝置中，用濾紙封住無(wú)底玻璃試管的一端，將制備好的生物質(zhì)與煤混燒灰樣裝入封住的玻璃管中，玻璃試管與水平面保持垂直，并保證浸潤(rùn)液(一般情況下為水)與濾紙底面剛好接觸，測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)生物質(zhì)與煤混燒灰樣被浸潤(rùn)的高度［7］試驗(yàn)裝置示意如圖1所示。每份樣品測(cè)3次，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

混燒灰的浸潤(rùn)速率按下式計(jì)算:

式中:ν20生物質(zhì)與煤混燒灰樣浸潤(rùn)速率，mm/min; H20生物質(zhì)與煤混燒灰樣被浸潤(rùn)的高度，mm。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

1.3 灰樣化學(xué)成分測(cè)定和微觀形貌分析

生物質(zhì)燃料的化學(xué)組分種類與煤相近，但不同組分含量差別較大，尤其是生物質(zhì)燃料水分含量高，煙氣帶水嚴(yán)重，如果灰的浸潤(rùn)性過(guò)大，會(huì)使粉塵黏附在電除塵器極板，影響電除塵器的性能。為了研究灰理化特性的影響，利用原子吸收光譜法(atomic absorption spectrometry，AAS)檢測(cè)灰樣的化學(xué)成分。利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy，SEM)檢測(cè)灰樣的外觀形貌，比較混燒后的各灰樣、與原始生物質(zhì)/煤純燒后的灰樣之間化學(xué)成分和形貌的差異。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

玉米秸/無(wú)煙煤、煙煤分別以0%、5%、10%、15%、20%、100%(熱量基)配比的混燒灰的浸潤(rùn)速率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 玉米秸/無(wú)煙及玉米秸/煙混燒灰浸潤(rùn)速率 mm/min

無(wú)煙煤灰相比于煙煤灰浸潤(rùn)效果要好一些;玉米秸與煙煤混燒灰的浸潤(rùn)性隨玉米秸混摻比的增加呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，效果良好;同混摻比例(熱量基)下，無(wú)煙煤/玉米秸稈混燒灰的浸潤(rùn)速率要優(yōu)于煙煤/玉米秸稈的混燒灰;分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象與灰樣化學(xué)組分、粒徑、微觀形貌等因素有關(guān)。

2.1 灰樣化學(xué)組分及粒徑對(duì)浸潤(rùn)性的影響

純?nèi)济夯抑兄饕煞譃锳l、Si，含有少量的S和Cl及堿金屬，不同煤種煤灰形成機(jī)理相似，粗顆粒物主要由Al、Si等惰性元素沉積形成，細(xì)顆粒主要由燃料中的部分礦物質(zhì)元素氣化后遇到冷的煙氣凝結(jié)成核產(chǎn)生的［8］。

通過(guò)各灰樣的500倍和5000倍放大后的SEM圖像，分析可得煤灰主要由粒徑范圍在 40 ～400μm的不規(guī)則塊狀礦物顆粒和一些粒徑范圍在2～15μm的微粒組成。

據(jù)彭欽春、蔡麗紅［8-9］等人研究表明，隨著灰樣中氧化鐵含量的增高，粉煤灰中微細(xì)顆粒物含量減少，Na+，K+離子表面容易形成吸附層，使微細(xì)灰塵粗化，而二氧化硅會(huì)削弱Na+，K+的作用，且屬于疏水性物質(zhì)。CaO、Al2O3使飛灰粒度變細(xì)。粉塵的浸潤(rùn)性與粉塵粒徑有很大關(guān)系。每種粉塵都有浸潤(rùn)性最佳的粒徑，在該范圍之前，隨粉塵粒徑的增加浸潤(rùn)性增大［3］。煤灰的最佳浸潤(rùn)性范圍在100μm左右，當(dāng)粉塵粒徑小于5μm時(shí)，細(xì)小的粉塵粒子由于比表面積大對(duì)氣體具有很強(qiáng)的吸附作用，表面由于存在一層氣膜而很難被液體浸潤(rùn)。不同種純?nèi)济夯揖哂邢嗨频男蚊蔡卣鳎槍?duì)無(wú)煙煤與煙煤浸潤(rùn)性的差異，考慮是由于灰樣成分的差異所引起細(xì)小微粒的團(tuán)聚粗化導(dǎo)致，對(duì)浸潤(rùn)性有加強(qiáng)作用的有:K2O，Na2O，F(xiàn)e2O3削弱作用的有:Al2O3，CaO，SiO2。

對(duì)無(wú)煙煤/煙煤進(jìn)行灰樣成分分析，結(jié)果如表2～表5和圖2所示。

無(wú)煙煤煤灰中，K/Na/Fe總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.68，Al/Ca/Si總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.84;煙煤灰中K/Na/Fe總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.35，Al/Ca/Si總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87.4，無(wú)煙煤灰由于K/Na/Fe含量高于煙煤灰，這促進(jìn)了浸潤(rùn)性的提升，同時(shí)Al/Ca/Si含量較低，減輕了對(duì)粉塵浸潤(rùn)性的削弱作用。

表2 無(wú)煙煤/煙煤混燒灰樣成分 %

表3 無(wú)煙/煙混燒灰K+Na+Fe與Al+Ca+Si成分 %

表4 玉米秸/煙煤混燒灰樣成分 %

表5 煤混燒玉米/煙灰K+Na+Fe與Al+Ca+Si成分 %

隨著玉米秸混摻比的增大K+Na+Fe含量與Al+Ca+Si含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變不是很大，考慮隨著玉米秸混摻比的增大引起粉塵浸潤(rùn)性提升的主要因素在于混燒灰微觀形貌的差異。

2.2 灰樣微觀形貌對(duì)浸潤(rùn)性影響

分別對(duì)純無(wú)煙煤灰、玉米秸桿占10%、20%混燃灰、玉米秸桿灰進(jìn)行SEM分析。

圖2 不同混摻比K+Na+Fe含量與Al+Ca+Si含量

粉塵的浸潤(rùn)性與粉塵顆粒的形狀有關(guān)。顆粒性狀越接近于球形，浸潤(rùn)效果越差;反之，顆粒性狀越不規(guī)則，比表面積越大，浸潤(rùn)性越好［3］。灰樣SEM圖像分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 灰樣SEM微觀形貌

煤灰為不規(guī)則塊狀物夾雜著多孔顆粒物，純?nèi)忌镔|(zhì)灰為細(xì)小棒狀物與絮狀物;混燃灰的微觀形貌特征與煤灰和玉米秸稈灰的相比，有較大的差別。在混燃灰中有大量的粒徑40～400μm的不規(guī)則塊狀礦物顆粒，并且其的表面還附著有微粒和一些團(tuán)聚物。隨著玉米秸稈混燃比例的增加，混燃灰中的微小顆粒物以及絮狀團(tuán)聚物的數(shù)量有所增加。這些絮狀物疏松多孔，比表面積大，考慮是導(dǎo)致浸潤(rùn)性提升的主要原因。而玉米秸稈灰主要由粒徑范圍在10～300μm的絮狀體物質(zhì)組成，通過(guò)玉米秸稈灰的5000倍放大SEM圖像可知，這些絮狀物是由一些粒徑大約5μm的顆粒團(tuán)聚而成的。

2.3 參照性試驗(yàn)

花生殼和木屑分別與無(wú)煙煤/煙煤以0%、5%、10%、15%、20%、100%(熱量基)配比的混燒灰進(jìn)行浸潤(rùn)性試驗(yàn)與玉米秸稈進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表6和圖4、圖5。

表6 無(wú)煙煤/煙煤與花生殼/木屑混燒灰浸潤(rùn)速率

圖4 無(wú)煙煤與3類生物質(zhì)混燒灰的浸潤(rùn)速率

圖5 煙煤與3類生物質(zhì)混燒灰的浸潤(rùn)速率

純玉米秸灰的浸潤(rùn)速率13.05mm/min，無(wú)煙煤、煙煤/玉米秸的混燒灰隨著熱量基的增加，其浸潤(rùn)速率呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，浸潤(rùn)效果顯著;純花生殼灰的浸潤(rùn)速率8.73mm/min，無(wú)煙煤/花生殼的混燒灰隨著熱量基的增加先增加后略微減小，但混燒灰的浸潤(rùn)速率數(shù)值都比純無(wú)煙煤灰有所增加，而煙煤正好與其相反;純木屑灰的浸潤(rùn)速率7.5mm/min，無(wú)煙煤/木屑的混燒灰隨著熱量基的增加先增加后逐漸減小，但混燒灰的浸潤(rùn)速率均比純無(wú)煙煤灰的浸潤(rùn)速率大，而煙煤的變化與其相反。

綜合上述，結(jié)果表明整體無(wú)煙煤混燒灰的浸潤(rùn)速率均比單一的煤灰的浸潤(rùn)速率大，說(shuō)明加入生物質(zhì)可以提高灰的浸潤(rùn)速率，使浸潤(rùn)效果顯著提高，其中玉米秸與無(wú)煙煤、煙煤的混燒灰的浸潤(rùn)效果最好。分析原因?yàn)橛衩捉斩挒槔w維素含量較高的草本植物，纖維素具有剛性平整的分子鏈，高溫?zé)峤夂蟮睦w維素依然具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)及大量的親水性基團(tuán)——羥基，這都有助于吸附大量水分［10-12〗。相比于玉米秸稈，花生殼雖然也屬于草本植物，但纖維素含量低于花生殼;而木屑屬于木本植物，木質(zhì)素含量較高，木質(zhì)素較纖維素相比，高溫?zé)峤夂蠼Y(jié)構(gòu)較密實(shí)，多孔結(jié)構(gòu)間隙較小，對(duì)吸水有一定的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)無(wú)煙煤灰與煙煤灰進(jìn)行浸潤(rùn)性試驗(yàn)時(shí)，無(wú)煙煤灰潤(rùn)濕性優(yōu)于煙煤灰，考慮原因?yàn)闊o(wú)煙煤灰中K/Na/Fe的含量高于煙煤灰，而這三種元素可以促使煤灰中微細(xì)顆粒物的團(tuán)聚粗化，對(duì)浸潤(rùn)性有促進(jìn)作用;同時(shí)對(duì)粉塵潤(rùn)濕性具有削弱作用的Al/Ca/Si含量較煙煤灰略低。

(2)玉米秸稈與煙煤混燒灰試驗(yàn)時(shí)，隨著玉米秸稈混摻比例的增加，粉塵潤(rùn)濕性顯著提高，且根據(jù)灰樣分析K/Na/Fe及Al/Ca/Si含量變化不大，進(jìn)一步對(duì)灰樣進(jìn)行SEM圖像分析，考慮引起粉塵浸潤(rùn)性提升的主要原因在于隨著玉米秸稈混摻比例的增加，混燃灰中絮狀團(tuán)聚物增加，比表面積大，增強(qiáng)了灰樣的親水性。

(3)進(jìn)一步對(duì)花生殼、木屑與煙煤、無(wú)煙煤進(jìn)行混燒試驗(yàn)，與玉米秸稈對(duì)比，浸潤(rùn)效果均不如玉米秸稈，分析原因在于玉米秸稈中高含量的纖維素，在高溫分解后依然具有多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及大量親水性基團(tuán)——羥基，這有利于灰樣的浸潤(rùn)性，相比來(lái)說(shuō)，花生殼雖然也屬于草本植物，但纖維素含量低于玉米秸稈;而木屑屬于木本植物，木質(zhì)素含量較高。

(4)考慮到實(shí)際工況條件下，電廠燃煤中生物質(zhì)混摻比例不宜過(guò)高，本試驗(yàn)僅考慮了生物質(zhì)混摻比例分別為0%，5%，10%，15%，20%，25%，100%幾種情況，旨在為電廠除塵器選型提供參考。

(5)純?nèi)济夯抑蠥l2O3、Fe2O3、SiO2等惰性氧化物含量高于生物質(zhì)灰，而生物質(zhì)灰中K2O、Na2O、CaO、MgO等堿金屬及堿土金屬化合物的含量明顯高于煙煤灰和無(wú)煙煤灰中的含量，但隨著生物質(zhì)混摻比例的增加，它們的變化趨勢(shì)并不是簡(jiǎn)單的線性減少與線性增加的趨勢(shì)，這說(shuō)明，生物質(zhì)與煤混燒過(guò)程中，來(lái)自生物質(zhì)中的元素與來(lái)自煤中的元素發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

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Wettability experimental study of biomass/coal co-combustion ash

It presents results of experimental investigation about wettability of ash generated from the co-combustion of bituminous coal，anthracite mixed in different proportions(corn stalk)，conducting comparative experiment with peanut shells，wood chips.According to GB/T 16913-2008 of dust character test methods，to measure the wettability of ash by using immersion speed method with designed and assembled measurement wettability device.And discussed the impact mechanism by morphology and composition analysis.The produced data show that，the difference of wettability between Cigarette ash and Anthracite gray mainly because by the fine particulate matter agglomerate coarsen caused by composed of different chemical components.With the increase co-firing proportion of corn stalks.The wettability of co-combustion ash significantly increased.The main factors is the alter of microstructure，conducting comparative experiment with peanut shells，wood chips，Wettability less than corn stover.The main reason is considered to be the effect of different types of biomass cellulose，lignin content difference.For proof，still need a large number of experiments.

wettability;biomass fuel;co-combustion ash

TK16

:B

:1674-8069(2017)01-012-05

2016-08-21;

:2016-09-16

胡志光(1958-)，男，河北省成安縣人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡姵龎m器的計(jì)算機(jī)仿真控制技術(shù)和專家故障診斷技術(shù)、濕法煙氣脫硫的計(jì)算機(jī)仿真控制技術(shù)和專家故障診斷技術(shù)、工業(yè)廢水處理的仿真設(shè)計(jì)技術(shù)和仿真控制技術(shù)等。E-mail: hzg2991@163.com