热带生物质循环流化床燃烧中碱金属诱导的团聚与结渣特性研究

本研究针对富含钾(K)的热带生物质(油棕空果串EFB和棕榈仁壳PKS)在循环流化床(CFB)燃烧中引发的床料团聚和过热器结渣问题，通过100 kWth CFB反应器实验，首次揭示了低熔点钾硅酸盐的形成机制，建立了钾累积临界值与失流时间的关联，并开发热阻模型优化吹灰策略，为东南亚地区生物质能源高效利用提供关键技术支撑。

　　

在全球能源转型背景下，生物质共燃作为碳中和技术备受关注，但热带地区特有的油棕空果串(EFB)和棕榈仁壳(PKS)等高钾(K)生物质却面临严峻挑战——其燃烧时释放的碱金属和碱土金属(AAEMs)会引发床料团聚和换热面结渣，导致流化床失流和热效率骤降。东南亚作为全球90%棕榈油产地，这些副产物年产量巨大却难以高效利用。传统研究多聚焦欧洲常见的麦秆、树皮等生物质，对EFB(含钾量高达2 wt.%，是麦秆两倍)这类"高钾炸弹"在循环流化床(CFB)中的行为机制仍属空白。

为此，泰国研究团队在100 kW_th CFB装置中开展系统性实验，通过SEM/EDX(扫描电镜/能谱联用)分析床料形貌，建立热阻模型量化结渣影响。研究创新性地同步考察了三种关联现象：床料团聚的化学机制、钾累积临界阈值，以及随时间演变的结渣热阻规律。

关键技术包括：(1)采用石英砂床料(0.4-0.6 mm)进行9组不同钾负荷(5.68-6.93 g-K/kg-sand·h)的失流实验；(2)双沉积探针模拟过热器工况，监测表面温度变化；(3)基于能量平衡原理建立动态热阻模型R'_f(t)=[T_g(t)-T_surf(t)]/Q(t)×A_o；(4)通过SEM/EDX解析床料涂层的元素分布。

3.1 床料团聚检测
实时压降监测揭示：钾负荷>5.9 g-K/kg-sand·h(800-850°C)或>6.3 g-K/kg-sand·h(850-900°C)时，初始失流时间(IDT)呈指数级缩短。高温(873°C)下钾负荷6.93 g-K/kg-sand·h时，IDT仅60分钟，比低温工况缩短83%。

3.3 团聚机制解析
SEM显示床料表面存在双层结构：

• 内层(5-45 μm)：K₂O-SiO₂体系(含10-15 wt.% K)，通过KOH(g)/K₂CO₃与石英反应形成，呈现"涂层诱导"的化学反应机制
• 外层(25-150 μm)：熔融态Ca-K硅酸盐，通过碰撞粘附的"熔渣诱导"物理机制主导，最终在颗粒间形成"颈缩"结构

3.5 沉积热阻演变
沉积探针数据显示：

• 前探针沉积通量15-70 g/m²·h，热阻0.001-0.003 m²·K/W
• 后探针因涡流作用沉积更显著(40-200 g/m²·h)，热阻达0.005 m²·K/W
• 烟气温度>750°C(KCl熔点)时，热交换效率在8小时内下降30-40%

这项研究首次阐明了EFB/PKS共燃时"化学反应-物理粘附"的协同团聚机制，提出钾负荷<6 g-K/kg-sand·h的操作窗口。建立的动态热阻模型为优化吹灰频率(建议R'_f>0.003 m²·K/W时触发)提供了量化工具，对保障东南亚地区生物质电站稳定运行具有重要工程价值。研究结果发表于《Results in Engineering》，为热带生物质资源化利用扫清了关键技术障碍。