生物质掺混比例对混煤灰分的影响分析

赵叶花

（国能销售集团山西煤炭采购中心，山西 朔州 036000）

煤炭是人民生活和经济发展的重要能源，但由于近年来无节制的开发，煤炭资源已趋向枯竭，世界各国都在寻找替代能源。生物质可再生，对环境污染小，资源分布广泛，应用最为广泛[1]。按照一定掺配比例将生物质与煤炭混合作为燃料，可有效降低燃煤用量，节约成本[2]。但生物质灰中含有大量的Na、K 等碱金属盐类，会在锅炉内积灰、结渣，甚至造成锅炉腐蚀[3]。煤与生物质混合燃烧可有效减少碱金属盐类的含量，但应注意掺配比例。

在现有的研究成果中，针对生物质掺混比例对混煤灰分的影响的相对较少。为合理确定生物质的最佳掺混比例，选取梧桐木与麦秆、烟煤，按照设计配比进行掺配，并开展试验确定试样样品的成灰时间和成灰温度。通过对生物质混煤灰分进行分析，作为评定生物质掺配比例对混煤灰分影响的重要依据。

1 试验样品制备

试样样品制备生物质选择梧桐木与麦秆，磨细至80 目，煤种选用烟煤，磨至150 目[4]。分别在105 ℃下烘干，然后分别按照生物质含量为10%、20%、30%、50%、70%、90%的比例与烟煤进行掺配，掺配后放置在干燥器中备用。按照《煤的工业分析方法》（GB/T 212-2008），并参照相关国家标准，试样工业和元素分析结果见表1。

表1 煤样工业和元素分析结果

2 生物质混煤成灰条件的确定

2.1 成灰时间的确定

灰化时间是采用成灰率作为评价指标，以燃烧后质量不再发生变化的时间确定。按照20%的掺混比例分别将梧桐木、麦秆与烟煤混合，混合前将原材料磨细到80 目以下。然后将混煤试样放置在马弗炉中，并将温度升高到700 ℃，分别放置1 h、2 h、3 h，冷却后称取残余重量见表2。

表2 不同灰化时间20%生物质混煤残余重量

通过分析表2 数据不难看出，灰化时间达到2 h 后，两种生物质混煤残余重量基本没有发生变化，因此确定两种生物质混煤成灰时间为2 h。

2.2 成灰温度的确定

灰化温度过高会降低生物质中低熔点碱金属化合物的含量，还容易产生轻微结渣现象。另外温度过高还会造成低熔点碱金属化合物产生表面熔融现象，粘结形成大颗粒。为了准确确定生物质混煤成灰温度，采用电子显微镜对灰样微观形貌进行分析，从而准确确定成灰温度。

2.2.1 梧桐木混煤成灰温度确定

按照设计掺混比例将梧桐木与烟煤混合燃烧，然后将混煤灰放大10 000 倍后进行观察。判断标准是颗粒状态良好，未出现勃结现象，没有形成密实的大颗粒，颗粒间有少许间隙，说明灰化良好，所对应的温度记为成灰温度。不同掺配比例梧桐木混煤成灰温度见表3。

表3 不同掺配比例梧桐木混煤成灰温度

2.2.2 麦秆混煤成灰温度确定

与梧桐木相比，麦秆的灰熔点较低，采取同样的掺配比例和试验方法使用电子显微镜对麦秆混煤灰进行观察，得出不同掺配比例麦秆混煤成灰温度见表4。

表4 不同掺配比例麦秆混煤成灰温度

3 生物质掺混比例对混煤灰分的影响分析

3.1 生物质混煤灰分组成分析

通过对不同掺配比例生物质混煤的成灰过程进行分析，其试验结果可作为燃烧装置设计与混煤配置的参考依据。烟煤中含有Si、AI、Ca、Fe、Mg、K、Na、O、C、S、Cl、P 等多种元素，这些元素在煤灰中一般以低温共融化合物的形式存在[5]。在分析生物质掺灰比例对混煤灰分的影响时，通常以各主要元素所形成的氧化物作为分析对象。

由于生物质中的Cl 含量远低于碱金属的含量，因此ACl 的含量与Cl 的含量直接相关。生物质灰成分中扣除ACl，剩余碱金属氧化物用A2O 表示。其中ACl 主要包括KC1 和NaCl，A2O 主要包括Na2O、K2O、SiO2、A12O3、CaO、Fe2O3和MgO 等。由于ACl 的含量相对较少，本文主要对不同生物质掺混比例的混煤燃烧后A2O 的变化情况进行分析。

根据试验确定的成灰温度与成灰时间，分别按比 例0%、10%、20%、30%、50%、70%、90%、100%将生物质（梧桐木或麦秆）与烟煤进行掺配，燃烧后对灰样进行EDS 分析，确定A2O 的变化情况，进而得出生物质掺配比例对混煤灰分的影响。

3.2 不同掺配比例生物质混煤灰中Na2O、K2O变化情况

分析图1 和图2 所示两种生物质混煤灰中Na2O、K2O 含量变化曲线，与烟煤（掺混比例0%）相比，生物质混煤灰中的K2O 含量明显提高，且随着生物质掺混比例的增加，K2O 含量不断升高，尤其是掺混比例达到50%以上，K2O 含量上升最明显，说明生物质的掺配量与混煤灰中K2O 含量成正比。Na2O 与K2O 的变化趋势有较大区别，这是由于Na不是植物生长的必需元素，两种生物质与烟煤中Na的含量均较低。随着两种生物质掺混比例的增加，混煤灰中Na2O 含量的变化幅度较小，变化不明显。

图1 梧桐木混煤灰中Na2O、K2O 含量变化曲线

图2 麦秆混煤灰中Na2O、K2O 含量变化曲线

3.3 不同掺配比例生物质混煤灰中SiO2、A12O3的变化情况

分析图3 梧桐木混煤灰中SiO2、A12O3含量曲线变化情况，随着梧桐木掺混比例的增加，混煤灰中SiO2和A12O3的含量不断下降，这说明烟煤灰中SiO2，A12O3的含量高于梧桐木。分析图4 麦秆混煤灰中SiO2、A12O3含量曲线变化情况，Al2O3的含量不断下降，麦秆掺混比例达到100%时含量几乎为零，说明麦秆灰中几乎不含有Al2O3。随着麦秆掺混比例的增加，混煤灰中SiO2的含量不断增加，但上升幅度不大，说明麦秆灰中A12O3的含量略高于烟煤。

图3 梧桐木混煤灰中SiO2、A12O3 含量变化曲线

图4 麦秆混煤灰中SiO2、A12O3 含量变化曲线

3.4 不同掺配比例生物质混煤灰中CaO、Fe2O3和MgO 的变化情况

分析图5 梧桐木混煤灰中CaO、Fe2O3和MgO含量变化曲线，当梧桐木掺混比例不超过20%时，梧桐木混煤灰中CaO、MgO 的含量变化幅度很小；但梧桐木掺混比例达到30%以上时，CaO、MgO的含量明显增加；随着梧桐木掺混比例的增加，梧桐木混煤灰中Fe2O3的含量在小范围内波动，总体变化较小。

图5 梧桐木混煤灰中CaO、Fe2O3 和MgO 含量变化曲线

分析图6 麦秆混煤灰中CaO、Fe2O3和MgO 含量变化曲线，当麦秆掺混比例不超过30%时，麦秆混煤灰中MgO 的含量变化幅度较小，且含量在1%左右波动，当麦秆掺混比例达到30%以上时，MgO的含量明显增加；随着麦秆掺混比例的增加，麦秆混煤灰中CaO 的含量有所增加，但提高幅度不大，而Fe2O3的含量变化不明显。

图6 麦秆混煤灰中CaO、Fe2O3 和MgO 含量变化曲线

4 结论

为了研究生物掺混比例对混煤灰分的影响，选取梧桐木、麦秆分别按照规定比例与烟煤混合制作试样，通过试验确定生物质混煤成灰温度和成灰时间，并对不同掺配比例生物质混煤试样灰分进行分析，得出以下结论：

（1）随着梧桐木和麦秆掺混比例的增加，生物质混煤灰中K2O、CaO、MgO 含量不断提高，掺混比例超过50%时K2O 含量增加幅度最为明显，掺混比例超过30%时CaO、MgO 的含量增幅明显；而随着梧桐木掺混比例的增加，Fe2O3、Na2O 的含量增幅较小，说明梧桐木灰中CaO、MgO 的含量明显高于烟煤，而Fe2O3的含量略高于烟煤，几乎不含有Na2O。

（2）随着梧桐木掺混比例的增加，混煤灰中SiO2和A12O3的含量不断下降，这说明烟煤灰中SiO2、A12O3的含量高于梧桐木。

（3）随着麦秆掺混比例的增加，麦秆混煤灰中MgO 的含量明显增加，当麦秆掺混比例超过30%时最为明显；而CaO、SiO2含量提高幅度不大，Fe2O3的含量变化不明显，说明麦秆灰中MgO的含量明显高于烟煤，CaO、SiO2含量略高于烟煤，Fe2O3的含量与烟煤接近。

（4）随着麦秆掺混比例的增加，麦秆混煤灰A12O3含量不断下降，说明基本不含有Al2O3。