??隨著能源需求的增加和對(duì)化石燃料的嚴(yán)重依賴，可再生能源越來越受到人們的關(guān)注。生物質(zhì)能作為一種清潔環(huán)保的燃料，目前占世界能源消耗的6%至8%，并日益成為一種受歡迎的選擇。投資生物質(zhì)能作為傳統(tǒng)煤炭、焦油或油氣的有效替代品的公司應(yīng)該意識(shí)到，由于燃料化學(xué)成分的不同，它們必須在耐火材料內(nèi)襯中加入變化。

歷史

在19世紀(jì)末煤炭出現(xiàn)之前，生物質(zhì)(主要是木材)一直是主要能源。在上世紀(jì)50年代，中東地區(qū)的大量石油資源以一種低成本的能源充斥世界之前，煤炭一直是世界能源之王，此后對(duì)石油的依賴一直在持續(xù)。

具有成本效益的能源對(duì)工業(yè)至關(guān)重要。對(duì)于低成本的石油，在許多情況下，生物質(zhì)并不具有成本效益，但如果生物質(zhì)來源是廢物副產(chǎn)品，它可以是非常經(jīng)濟(jì)的燃料來源?？傆懈鞣N各樣的生物質(zhì)副產(chǎn)品可供利用，其中許多尚未得到充分利用。隨著我們對(duì)不可再生能源的供應(yīng)在過去幾十年間的減少，生物質(zhì)能的使用對(duì)于確保我們滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求至關(guān)重要。

石油、煤炭和天然氣是穩(wěn)定的燃料，它們的已知雜質(zhì)已經(jīng)被研究和理解了幾十年。生物質(zhì)有多種選擇，每種燃料來源的雜質(zhì)在類型和水平上都是獨(dú)特的。對(duì)于使用生物質(zhì)作為燃料的鍋爐和加熱器，雜質(zhì)對(duì)耐火材料內(nèi)襯有負(fù)面影響。

腐蝕性化合物、爐渣的化學(xué)性質(zhì)

在使用過程中，生物質(zhì)燃燒會(huì)積累腐蝕性化合物，形成爐渣。爐渣是由燃燒的生物質(zhì)的灰渣產(chǎn)生的。生物質(zhì)灰分由二氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)等氧化物和堿液(鈉、鈣、鎂等)等熔融元素組成。這些堿性物質(zhì)的含量隨生物質(zhì)類型和來源的不同而有很大差異。在華氏1500度(815攝氏度)以上，這些堿性物質(zhì)與硅和氧化鋁發(fā)生反應(yīng)，形成粘性爐渣。當(dāng)溫度達(dá)到華氏1800至2000度以上時(shí)，這些煤渣的粘性減弱，因而反應(yīng)性增強(qiáng)。耐火材料襯里的孔隙率起著重要的作用，因?yàn)槊?xì)管從孔隙中吸入的水會(huì)把爐渣吸入耐火材料中。生物質(zhì)通常比煤或石油需要更高的燃燒溫度，因此爐渣由于毛細(xì)管作用，隨爐渣粘度的降低而增加。

為了幫助理解這一點(diǎn)，可以想象一個(gè)化學(xué)家將液體酸和堿的試管混合在一起，產(chǎn)生泡沫狀的滲出物，或者更糟——爆炸。耐火材料和爐渣的反應(yīng)不那么劇烈，但隨著時(shí)間的推移，它的破壞性會(huì)非常大。耐火材料和所有材料一樣，具有酸性或堿性的化學(xué)性質(zhì)。理想情況下，耐火骨料和爐渣的pH值應(yīng)相近，以盡量減少腐蝕。

大自然不喜歡酸堿，而更喜歡中性的表面。酸性爐渣，如高硅爐渣，在滲透到耐火材料襯里時(shí)，會(huì)試圖中和堿性氧化物耐火材料成分。

鍋爐中的許多耐火材料使用酸性/中性骨料(硅、鋁硅酸鹽和氧化鋁是典型的骨料成分)。這些骨料通常與鋁酸鈣水泥結(jié)合。

這些水泥由三個(gè)主要氧化物組成：Al2O3-SiO2-CaO，或兩個(gè)氧化物:Al2O3-CaO。Calcia (CaO)是這些骨水泥的活性成分，是堿性的。硅渣在耐火材料中與氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，形成玻璃的腐蝕層。在運(yùn)行良好的鍋爐中，渣的形成是很小的，但是如果生物質(zhì)來源和燃燒溫度有很大的變化，渣的腐蝕可能會(huì)加速。

最初的耐火澆注料，現(xiàn)在稱為常規(guī)類型，使用了大量的水泥(20%以上)，因此存在大量的堿性氧化鈣。在20世紀(jì)80年代，低水泥技術(shù)創(chuàng)造出的澆注料中氧化鈣的含量大大降低。這些材料還利用了減水劑、活性細(xì)氧化鋁和粉狀硅來制造更致密的填料。這種密度更大的填料創(chuàng)造了更低的孔隙率材料，減少了氧化鈣的滲透性，創(chuàng)造了一個(gè)更抗渣和堿的結(jié)構(gòu)。在超低水泥和無水泥可澆注材料方面的進(jìn)一步發(fā)展，創(chuàng)造了更低的水泥用量或替代性的非水泥粘合劑。

堿與耐火材料襯里接觸時(shí)，與水泥的反應(yīng)不是失效的唯一原因。氧化鋁存在于耐火材料中的標(biāo)準(zhǔn)相a-氧化鋁，在有強(qiáng)堿液體和氣體存在的情況下可以轉(zhuǎn)化為b-氧化鋁。這種轉(zhuǎn)化導(dǎo)致了明顯的體積膨脹，是生物質(zhì)鍋爐耐火磚耐堿失效的常見原因之一。用其他原料替代純氧化鋁可以延長(zhǎng)襯層的使用壽命。

堿杯測(cè)試

用實(shí)驗(yàn)室堿杯試驗(yàn)可以預(yù)測(cè)高堿渣應(yīng)用中的耐火性能。本試驗(yàn)采用2×2×2×2的耐火立方體樣品，鉆取中心巖心進(jìn)行。核心是充滿堿鹽或鹽的組合。在右上角所示的測(cè)試中，我們比較了許多標(biāo)準(zhǔn)耐火材料選項(xiàng)，以預(yù)測(cè)性能。

本例堿性測(cè)試是在用合成莫來石聚集體制成的一系列澆注料上進(jìn)行的。粘結(jié)劑的CaO含量從高含量(常規(guī)澆注料)到無CaO含量(無水泥澆注料)不等。隨著CaO的降低(從左到右)，堿反應(yīng)深度(灰色區(qū)域)減小，無水泥澆注料在立方體的外鑄表面反應(yīng)很小，沒有開裂(堿爆)。

盡量減少難以忍受的變化

生物質(zhì)鍋爐因其經(jīng)濟(jì)性和可再生能源地位而越來越受歡迎。在某些情況下，改變?nèi)剂蟻碓磿?huì)對(duì)耐火材料襯里產(chǎn)生負(fù)面影響。使用正確的耐火材料有助于保持耐火襯里的完整性。

生物質(zhì)鍋爐利用固體廢物作為燃料，可含有大量的、可變數(shù)量的雜質(zhì)，如爐灰。爐灰的化學(xué)成分通常包括二氧化硅和高濃度的堿。生物質(zhì)在比石油更高的溫度下燃燒，會(huì)導(dǎo)致富含堿的硅渣的形成。這些渣對(duì)標(biāo)準(zhǔn)耐火材料有腐蝕性。除了腐蝕問題外，與堿有關(guān)的失效還可能是由于與堿液和氣體接觸而發(fā)生相變?cè)斐傻?。在某些?yīng)用中，需要替代耐火材料。堿杯試驗(yàn)是一種很好的材料選擇方法。在各種粘結(jié)劑合成莫來石骨料堿試驗(yàn)中，水泥用量的減少改善了堿反應(yīng)和腐蝕。

經(jīng)驗(yàn)豐富的耐火專家可以幫助確定最好的耐火產(chǎn)品，以滿足您的特定生物質(zhì)鍋爐的要求。

作者：Justin Teiken

Plibrico公司采購和產(chǎn)品開發(fā)副總裁

jteiken@plibrico

（原文來自：生物質(zhì)雜志 中國(guó)新能源網(wǎng)綜合）