秸稈的組成成分包括 :纖維素 、半纖維素 、木質(zhì)素 、類脂物、蛋白質(zhì)、單糖、淀粉、水分、灰分和其他化合物。每一種組分的含量比例是由生物質(zhì)種類、生長時期和生長條件等因素決定的 。 秸稈中的灰分有2種來源:一是燃料本身固有的 ,其形成于植物生長過程中,本身固有的灰分相對均勻地分布在燃料中 ;二是燃料加工處理過程中帶入的 ,如砂子、土壤顆粒等,其組分與燃料固有的灰分差別很大。秸稈生物質(zhì)原料所包含的無機元素主要有鉀、鈉、氯、硫、鈣、硅及磷等,它們是在生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用過程中導(dǎo)致結(jié)渣、積灰的主要元素。根據(jù)生物質(zhì)中所含無機元素的品種、數(shù)量的不同 、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝和采用的具體反應(yīng)器類型的不同 ,堿金屬引發(fā)的問題有各種各樣的表現(xiàn)形式。 在高溫燃燒環(huán)境下,堿金屬及其相關(guān)無機元素可能在爐膛內(nèi)形成熔渣或進入氣相 ,以蒸汽和飛灰顆粒的形式沉積于受熱面 ,影響鍋爐的熱效率 ,同時對換熱面造成嚴重腐蝕 ;在采用流化床作為燃燒或氣化反應(yīng)器時 ,生物質(zhì)原料中的堿金屬可能與床料反應(yīng)形成低熔點的共晶化合物而引起顆粒聚團 ,妨礙流化 ,甚至造成流化失敗。這都會導(dǎo)致設(shè)備維護費用上升、可用率降低和運行周期縮短 ,從而大大削弱整個生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用系統(tǒng)的適用性和在能源市場上的競爭力。

堿金屬引發(fā)的床料聚團 、結(jié)渣問題
國內(nèi)外許多學(xué)者對生物質(zhì)燃燒爐床料聚團、結(jié)渣問題進行了研究。以石英沙為床料的秸稈氣化試驗表明 : 床料聚團現(xiàn)象發(fā)生在 800℃,當溫度超過800～820℃時 ,嚴重的不流化現(xiàn)象發(fā)生。他們認為 ,秸稈灰中鉀的含量高是造成這一現(xiàn)象的主要原因 。秸稈在中型流化床上燃燒的試驗結(jié)果證明:秸稈和木材混燒可減輕聚團發(fā)生 ,但該現(xiàn)象不能完全消除。150 kW 流化床連續(xù)運行試驗中 ,盡管秸稈的燃燒溫度低于 700℃,但由于床料的聚團和流化失敗使鍋爐在 1個月內(nèi)停止2～3次。秸稈在實驗室小型流化床上燃燒試驗表明 :生物質(zhì)燃燒過程中有機鉀轉(zhuǎn)化為不同形式的無機鉀鹽和不同的K2O - SiO2 共晶化合物。 當燃燒溫度低于 900℃時 ,多數(shù)鉀趨于留在床料中 ,石英沙表面明顯地覆蓋著一層引起聚團和不流化的熔融態(tài) K2O - SiO2。研究還表明:降低溫度可以明顯地延長床料由流化到不流化過程 。 由此可見 ,結(jié)渣和聚團是由堿金屬及相關(guān)無機元素引發(fā)的常見問題。 爐膛內(nèi)的高溫區(qū)通常形成含硅量很高的融渣 ,它們主要是由堿金屬或堿土金屬和硅、硫化合物反應(yīng)形成的熔融混合物和玻璃狀物質(zhì)組成。 熔渣可以在爐排或者爐墻 ,特別是表面敷設(shè)有耐火材料的溫度較高的墻面上形成并積累。有時在鍋爐給料口附近的爐墻部分也可以發(fā)現(xiàn)這一類熔渣。單純的灰是不能起粘結(jié)劑作用的。砂和灰的熔點都高于1 000℃,而實際運行表明 ,在700℃就會發(fā)生聚團、結(jié)渣。 一般認為 ,顆粒聚團是因為生物質(zhì)灰中富含鉀和鈉 ,這些元素的化合物與砂中的 SiO2反應(yīng) ,生成低熔點的共晶體 ,熔化的晶體沿砂的縫隙流動 ,將砂粒粘結(jié) ,形成結(jié)塊 ,破壞流化。反應(yīng)方程式如下

2SiO2 + Na2O→Na2O·2SiO2 , (1)
4SiO2 + K2O →K2O·4SiO2。 (2)

這2個反應(yīng)可以形成熔點僅為650～700℃,低于流化床通常運行溫度的共晶化合物 ,正是這些熔融態(tài)的物質(zhì)充當顆粒之間的粘合劑而引起了聚團 。 顆粒聚團發(fā)生后降低了床內(nèi)的流化質(zhì)量 ,往往引起床內(nèi)溫度不均 ,出現(xiàn)局部高溫 ,增加床內(nèi)處于熔化狀態(tài)的堿金屬化合物出現(xiàn)的機會 ,加劇聚團趨勢 ,最終導(dǎo)致流化失敗 ,而且該過程具有自增強趨勢 。