1、简介
由于燃烧化石燃料会导致全球变暖，近些年生物能源受到了越来越多的关注。由于二氧化碳气体的中性转化，生物燃料的燃烧不会产生温室效应。尤其是缺乏自然资源的国家，使用生物燃料用于加热和发电是用于产生热量及电力的一种替代能源。
生物质转换指的是把生物质转换成能量并使用其进行发电或产生热量的工艺。生物质转化是通过直接燃烧或气化系统实现的。厌氧消化是另一种生物质转换途径，包括一系列的生化工艺，如可降解材料在无氧的状态下分解。
在直接燃烧系统中，生物质燃料在锅炉中燃烧产生高压蒸汽来推动汽轮机或其它加热方式。在气化中，固态生物质分解形成能够被过滤及能被气轮机使用的可燃气体。
生物质的直接燃烧是在司炉或流化床锅炉中实现的。一个经济的解决方案，即混合燃烧，同时被司炉及液态流化床采用，在现有电厂中，用一部分的生物质代替煤，这样就能避免建造新的生物质转换器并且大幅减少SO2、NOX及其他空气排放物。直接燃烧比例占世界生物能发电比例的95％，能产生４亿８千万ｔ生物灰（消耗了７百亿ｔ生物质）。
木屑锅炉使用含水量为15％-50％的碎木屑作为燃料。一般来说，使用一个司炉燃烧器或一个下部上料的司炉燃烧掉荣盛耐材多30％的水分，而移动或炉排系统可以燃烧水分含量更高的燃料。
木屑燃烧分为四个阶段：干燥、高温分解、气化及燃烧，包括多种热化学反应，温度范围为100-1600℃。表1给出了不同阶段的温度。
表1:木材燃烧各阶段温度
2、耐火材料和直接燃烧
生物质（木屑）的直接燃烧工艺包括温度、气体释放以及灰生成，这样就需要多种的耐火材料在特定条件下来改善其性能。图1为直接燃烧式木屑锅炉的示意图。
图1:使用木材作为燃料的锅炉示意图
生物质燃烧能够释放多种化学成分，如水分、氯、硫及灰，这些成分取决于被燃烧的生物质的性质。灰化学成分包括Al2O3、SiO2、CaO、碱、P2O5等，其百分比随生物质原料的来源而产生变化。例如，K2O＋Na2O的含量变化为8.0％～51.4％，这就是因为生物质来源不同。这些灰的化学成分变化以及现有炉子的环境都能以不同方式影响到耐火材料。耐火材料在生物质环境下燃烧的主要问题是结垢、结渣、碱蚀、一氧化碳侵蚀等。通常使用的耐火材料为砖料及不定形料。不定形料主要是浇注料或喷补料，主要取决于应用范围，通常选择硅酸盐系列浇注料，添加或不添加SiC或锆英石，要取决于炉子的现有条件。
耐火材料在生物质炉中的抗碱性是必不可少的，因为碱能多方面侵蚀耐火材料。图２给出了碱侵蚀硅酸铝耐火材料的基本原理。不同来源生物质原料产生的碱可通过不同机理分解耐火材料，碱（K2O、Na2O等）与耐火材料基质反应形成多种新相使体积增加，并因此在结构内产生压力。新的碱性硅酸铝相的形成类型及性质是耐火材料化学性能的其中一种功能，尤其是基质部分。新相可能是正长石、钠长石、长石族（像钾霞石），以及β－氧化铝。这些碱性硅酸铝相的体积（达到50％）比初始硅酸铝相大，在耐火内衬剥落时能够释放压力。并且，碱蒸汽通过低温区域的孔隙凝聚渗透，堵住气孔，降低了耐火材料的热冲击和抗剥落性。
图2:残余生物质与硅酸铝材料的反应
图3（ａ）中给出了燃木屑锅炉广泛使用的30％氧化铝砖的标准碱性测试（用K2CO3在1100℃下保持5ｈ）。浇注料的类似测试在图3（ｂ）中给出。图中显示，DC50耐碱性良好，而50％氧化铝浇注料由于浇注料的设计缺陷在实验室中能导致碱爆。当精细化学品与在燃木屑锅炉中的碱接触时，其设计是产生耐碱性结构的非常重要条件。
图3:浇注料的碱侵蚀试验
在燃木屑锅炉的应用中，结渣和结垢是其面临的另一个难题。结垢发生在锅炉相对较冷的部分，在那里无机挥发物作为化合物聚集在耐火材料上，并覆盖水管，或水管表面，形成一个沉积层。这个沉积层在与周围气体或和其他沉积层中的成分相互作用后可能被穿透或可能被烧结成为一个更硬的致密层。沉积层的厚度随着时间的增加而变厚，热表面的温度随着沉积层本身的隔离而升高，使沉积物中某些化学成分达到其熔点。这个过程逐渐加快，几乎任何东西在管上撞击沉积物都可能被卡住。固体状态下的灰颗粒，以及来自燃烧室中的小颗粒，都可能继续在管上累积而形成一层厚的沉积层。
这样随着表面温度的连续升高，大部分沉积物在熔相增加时可能开始流动。沉积物偶尔会变得很重，由于自身重力会掉落，这个过程叫做结渣。生物质锅炉中的灰沉积物对从火焰以及气体到水管的热传递的影响是很大的，并由此降低炉子的效率。由于灰的相关问题，锅炉频繁清洁或在极端情况下被关闭。图4（ａ）和4（ｂ）给出了燃木屑锅炉耐火材料表面典型的灰沉积物以及致密程度。
图4:耐材表面沉积物及渣沉积
在应用过程中，耐火材料也遭受到一氧化碳及酸侵蚀。本文论述了燃木屑锅炉中灰沉积物的问题，并且给出了通过选择优化内衬设计的解决方案。
3、耐火材料内衬
图5示出了燃木屑锅炉原来所使用的耐火材料内衬设计。荣盛耐材初使用50％及60％铝喷补料作为工作内衬，并且在密集喷涂后使用保温喷涂。生物质锅炉以废木头及常规木头作为混合燃料。
图5:燃木屑锅炉的浇注料内衬设计
喷补料的选择要便于燃木屑锅炉不同位置的施工。在六个月生产之后，炉子的状态示于图6（ａ）及6（ｂ）中。
图6:六个月后炉料状况
厚的致密化炉渣粘在耐火内衬上。清理结渣会导致除掉耐火内衬，并且使喷补料后面的水管及螺栓暴露出来。内衬的多孔喷补结构以及化学相容性是结渣粘结的主要原因。
表２给出了燃木屑锅炉的结渣分析。炉渣是硅质，含碱、CaO、P2O5以及氧化铁。炉渣非常致密，气孔率为1.7％，熔点范围在1250-1300℃之间，如图7（ａ）-7（ｂ）所示。
表2:炉渣的化学及物理属性
图7:炉渣状况
炉渣透射光显微镜图像在图８中给出，包含在基质中分布的玻璃相以及钙长石。炉渣分析用于测试耐火材料性能以便选择能代替喷补料的适宜材料。用于炉渣测试的备选材料有：１）40％Al2O3耐火黏土浇注料；２）含15％SiC的耐火黏土浇注料；３）含SiC和锆英石的浇注料；４）含55％SiC的浇注料。
图8:炉渣的投射光显微镜图片
图９给出了新材料（浇注料）的炉渣测试。所有四种浇注料都具有耐腐蚀及防渗透性，在应用中证实为适宜的材料。然而，炉渣粘结（结垢以及结渣）不能在实验室中模拟。
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图9:不同组成浇注料的渣侵蚀试验
根据实验结果，现场试验已经开始用浇注料的局部内衬与喷补料进行比较。现场测试采用55％SiC浇注料，结果见图10。在六个月操作之后，当发现有10-20mm喷补料沉积物时，几乎没有含SiC浇注料的炉渣黏在内衬上。接下来的试验使用耐火黏土-15％SiC的浇注料，断面结果见图11。这个内衬目前还在进行生产操作。
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图10-11:耐火粘土-15%SiC浇注料的现场试验
4、结论
结渣粘连是燃木屑锅炉的一个重要问题，能够影响到锅炉的效率及耐火材料的使用寿命。生物质锅炉的整体内衬能够防止结渣粘连，同时具有足够的强度来承受炉渣清洁，用于渣－耐火材料界面结合处具有良好的耐火性及化学惰性。将50%-60%的氧化铝喷补料用于渣－耐火材料界面处，发现在清洁时会损坏耐火材料内衬。一系列试验表明，使用致密浇注料，在添加或不添加SiC及锆英石时都对炉渣粘连有非常好的效果。