生物質(zhì)轉(zhuǎn)換指的是把生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成能量并使用其進(jìn)行發(fā)電或產(chǎn)生熱量的工藝。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化是通過(guò)直接燃燒或氣化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。厭氧消化是另一種生物質(zhì)轉(zhuǎn)換途徑，包括一系列的生化工藝，如可降解材料在無(wú)氧的狀態(tài)下分解。

 

在直接燃燒系統(tǒng)中，生物質(zhì)燃料在鍋爐中燃燒產(chǎn)生高壓蒸汽來(lái)推動(dòng)汽輪機(jī)或其它加熱方式。在氣化中，固態(tài)生物質(zhì)分解形成能夠被過(guò)濾及能被氣輪機(jī)使用的可燃?xì)怏w。

 

生物質(zhì)的直接燃燒是在司爐或流化床鍋爐中實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)經(jīng)濟(jì)的解決方案，即混合燃燒，同時(shí)被司爐及液態(tài)流化床采用，在現(xiàn)有電廠(chǎng)中，用一部分的生物質(zhì)代替煤，這樣就能避免建造新的生物質(zhì)轉(zhuǎn)換器并且大幅減少SO2、NOX及其他空氣排放物。直接燃燒比例占世界生物能發(fā)電比例的95％，能產(chǎn)生４億８千萬(wàn)ｔ生物灰（消耗了７百億ｔ生物質(zhì)）。

 

木屑鍋爐使用含水量為15％-50％的碎木屑作為燃料。一般來(lái)說(shuō)，使用一個(gè)司爐燃燒器或一個(gè)下部上料的司爐燃燒掉大致30％的水分，而移動(dòng)或爐排系統(tǒng)可以燃燒水分含量更高的燃料。

 

木屑燃燒分為四個(gè)階段：干燥、高溫分解、氣化及燃燒，包括多種熱化學(xué)反應(yīng)，溫度范圍為100-1600℃。表1給出了不同階段的溫度。

 

 

表1:木材燃燒各階段溫度

 

2、耐火材料和直接燃燒

 

生物質(zhì)（木屑）的直接燃燒工藝包括溫度、氣體釋放以及灰生成，這樣就需要多種的耐火材料在特定條件下來(lái)改善其性能。圖1為直接燃燒式木屑鍋爐的示意圖。

 

 

 

圖1:使用木材作為燃料的鍋爐示意圖

 

生物質(zhì)燃燒能夠釋放多種化學(xué)成分，如水分、氯、硫及灰，這些成分取決于被燃燒的生物質(zhì)的性質(zhì)。灰化學(xué)成分包括Al2O3、SiO2、CaO、堿、P2O5等，其百分比隨生物質(zhì)原料的來(lái)源而產(chǎn)生變化。例如，K2O＋Na2O的含量變化為8.0％～51.4％，這就是因?yàn)樯镔|(zhì)來(lái)源不同。這些灰的化學(xué)成分變化以及現(xiàn)有爐子的環(huán)境都能以不同方式影響到耐火材料。耐火材料在生物質(zhì)環(huán)境下燃燒的主要問(wèn)題是結(jié)垢、結(jié)渣、堿蝕、一氧化碳侵蝕等。通常使用的耐火材料為磚料及不定形料。不定形料主要是澆注料或噴補(bǔ)料，主要取決于應(yīng)用范圍，通常選擇硅酸鹽系列澆注料，添加或不添加SiC或鋯英石，要取決于爐子的現(xiàn)有條件。

 

耐火材料在生物質(zhì)爐中的抗堿性是的，因?yàn)閴A能多方面侵蝕耐火材料。圖２給出了堿侵蝕硅酸鋁耐火材料的基本原理。不同來(lái)源生物質(zhì)原料產(chǎn)生的堿可通過(guò)不同機(jī)理分解耐火材料，堿（K2O、Na2O等）與耐火材料基質(zhì)反應(yīng)形成多種新相使體積增加，并因此在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生壓力。新的堿性硅酸鋁相的形成類(lèi)型及性質(zhì)是耐火材料化學(xué)性能的其中一種功能，尤其是基質(zhì)部分。新相可能是正長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、長(zhǎng)石族（像鉀霞石），以及β－氧化鋁。這些堿性硅酸鋁相的體積（達(dá)到50％）比初始硅酸鋁相大，在耐火內(nèi)襯剝落時(shí)能夠釋放壓力。并且，堿蒸汽通過(guò)低溫區(qū)域的孔隙凝聚滲透，堵住氣孔，降低了耐火材料的熱沖擊和抗剝落性。

 

 

圖2:殘余生物質(zhì)與硅酸鋁材料的反應(yīng)

 

圖3（ａ）中給出了燃木屑鍋爐廣泛使用的30％氧化鋁磚的標(biāo)準(zhǔn)堿性測(cè)試（用K2CO3在1100℃下保持5ｈ）。澆注料的類(lèi)似測(cè)試在圖3（ｂ）中給出。圖中顯示，DC50耐堿性良好，而50％氧化鋁澆注料由于澆注料的設(shè)計(jì)缺陷在實(shí)驗(yàn)室中能導(dǎo)致堿爆。當(dāng)精細(xì)化學(xué)品與在燃木屑鍋爐中的堿接觸時(shí)，其設(shè)計(jì)是產(chǎn)生耐堿性結(jié)構(gòu)的非常重要條件。

 

 

圖3:澆注料的堿侵蝕試驗(yàn)

 

在燃木屑鍋爐的應(yīng)用中，結(jié)渣和結(jié)垢是其面臨的另一個(gè)難題。結(jié)垢發(fā)生在鍋爐相對(duì)較冷的部分，在那里無(wú)機(jī)揮發(fā)物作為化合物聚集在耐火材料上，并覆蓋水管，或水管表面，形成一個(gè)沉積層。這個(gè)沉積層在與周?chē)鷼怏w或和其他沉積層中的成分相互作用后可能被穿透或可能被燒結(jié)成為一個(gè)更硬的致密層。沉積層的厚度隨著時(shí)間的增加而變厚，熱表面的溫度隨著沉積層本身的隔離而升高，使沉積物中某些化學(xué)成分達(dá)到其熔點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程逐漸加快，幾乎任何東西在管上撞擊沉積物都可能被卡住。固體狀態(tài)下的灰顆粒，以及來(lái)自燃燒室中的小顆粒，都可能繼續(xù)在管上累積而形成一層厚的沉積層。

 

這樣隨著表面溫度的連續(xù)升高，大部分沉積物在熔相增加時(shí)可能開(kāi)始流動(dòng)。沉積物偶爾會(huì)變得很重，由于自身重力會(huì)掉落，這個(gè)過(guò)程叫做結(jié)渣。生物質(zhì)鍋爐中的灰沉積物對(duì)從火焰以及氣體到水管的熱傳遞的影響是很大的，并由此降低爐子的效率。由于灰的相關(guān)問(wèn)題，鍋爐頻繁清潔或在惡劣情況下被關(guān)閉。圖4（ａ）和4（ｂ）給出了燃木屑鍋爐耐火材料表面典型的灰沉積物以及致密程度。

 

 

圖4:耐材表面沉積物及渣沉積

 

在應(yīng)用過(guò)程中，耐火材料也遭受到一氧化碳及酸侵蝕。本文論述了燃木屑鍋爐中灰沉積物的問(wèn)題，并且給出了通過(guò)選擇合理內(nèi)襯設(shè)計(jì)的解決方案。

 

3、耐火材料內(nèi)襯

 

圖5示出了燃木屑鍋爐原來(lái)所使用的耐火材料內(nèi)襯設(shè)計(jì)。起初使用50％及60％鋁噴補(bǔ)料作為工作內(nèi)襯，并且在密集噴涂后使用保溫噴涂。生物質(zhì)鍋爐以廢木頭及常規(guī)木頭作為混合燃料。

 

 

圖5:燃木屑鍋爐的澆注料內(nèi)襯設(shè)計(jì)

 

噴補(bǔ)料的選擇要便于燃木屑鍋爐不同位置的施工。在六個(gè)月生產(chǎn)之后，爐子的狀態(tài)示于圖6（ａ）及6（ｂ）中。

 

 

圖6:六個(gè)月后爐料狀況

 

厚的致密化爐渣粘在耐火內(nèi)襯上。清理結(jié)渣會(huì)導(dǎo)致除掉耐火內(nèi)襯，并且使噴補(bǔ)料后面的水管及螺栓暴露出來(lái)。內(nèi)襯的多孔噴補(bǔ)結(jié)構(gòu)以及化學(xué)相容性是結(jié)渣粘結(jié)的主要原因。

 

表２給出了燃木屑鍋爐的結(jié)渣分析。爐渣是硅質(zhì)，含堿、CaO、P2O5以及氧化鐵。爐渣非常致密，氣孔率為1.7％，熔點(diǎn)范圍在1250-1300℃之間，如圖7（ａ）-7（ｂ）所示。

 

 

表2:爐渣的化學(xué)及物理屬性

 

 

圖7:爐渣狀況

 

爐渣透射光顯微鏡圖像在圖８中給出，包含在基質(zhì)中分布的玻璃相以及鈣長(zhǎng)石。爐渣分析用于測(cè)試耐火材料性能以便選擇能代替噴補(bǔ)料的適宜材料。用于爐渣測(cè)試的備選材料有：１）40％Al2O3耐火黏土澆注料；２）含15％SiC的耐火黏土澆注料；３）含SiC和鋯英石的澆注料；４）含55％SiC的澆注料。

 

 

圖8:爐渣的投射光顯微鏡圖片

 

圖９給出了新材料（澆注料）的爐渣測(cè)試。所有四種澆注料都具有耐腐蝕及防滲透性，在應(yīng)用中證實(shí)為適宜的材料。然而，爐渣粘結(jié)（結(jié)垢以及結(jié)渣）不能在實(shí)驗(yàn)室中模擬。

 

 

圖9:不同組成澆注料的渣侵蝕試驗(yàn)

 

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)始用澆注料的局部?jī)?nèi)襯與噴補(bǔ)料進(jìn)行比較。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用55％SiC澆注料，結(jié)果見(jiàn)圖10。在六個(gè)月操作之后，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有10-20mm噴補(bǔ)料沉積物時(shí)，幾乎沒(méi)有含SiC澆注料的爐渣黏在內(nèi)襯上。接下來(lái)的試驗(yàn)使用耐火黏土-15％SiC的澆注料，斷面結(jié)果見(jiàn)圖11。這個(gè)內(nèi)襯目前還在進(jìn)行生產(chǎn)操作。

 

 

 

圖10-11:耐火粘土-15%SiC澆注料的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

 

4、結(jié)論

 

結(jié)渣粘連是燃木屑鍋爐的一個(gè)重要問(wèn)題，能夠影響到鍋爐的效率及耐火材料的使用壽命。生物質(zhì)鍋爐的整體內(nèi)襯能夠防止結(jié)渣粘連，同時(shí)具有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受爐渣清潔，用于渣－耐火材料界面結(jié)合處具有良好的耐火性及化學(xué)惰性。將50%-60%的氧化鋁噴補(bǔ)料用于渣－耐火材料界面處，發(fā)現(xiàn)在清潔時(shí)會(huì)損壞耐火材料內(nèi)襯。一系列試驗(yàn)表明，使用致密澆注料，在添加或不添加SiC及鋯英石時(shí)都對(duì)爐渣粘連有非常好的效果。