1、元素分析
燃料的元素成分是熱化學(xué)轉(zhuǎn)換的物質(zhì)基礎(chǔ)。生物質(zhì)
顆粒燃料中大部分是由碳、氫、氧、氮、硫、磷等基本元素組成的可燃質(zhì)，只有少量的無機(jī)物和一定量的水分。
（1）基本元素
A、碳
碳在自然界中是一種很常見的元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。碳的一系列化合物—有機(jī)物是生命的根本，碳是占生物體干重比例最多的一種元素。植物通過光合作用吸收二氧化碳，然后通過呼吸作用、植株腐爛分解及燃燒等方式釋放二：氧化碳完成碳循環(huán)。
在生物質(zhì)燃料中，碳的含量大小決定著燃料發(fā)熱量的大小，其完全燃燒的熱化學(xué)反應(yīng)方程式為
C（s）+O
2（g）=CO
2（g） △H=-393.5KJ/mol
燃燒熱值為393.5 KJ/mol。
在秸稈燃料中，碳的含量一般在45%左右，煤炭中含碳量為80%-90%。一般來說，含碳越高，燃點(diǎn)越高，因此秸稈比煤炭易點(diǎn)燃。
B、氫
氫是所知道的元素中最輕的，在正常情況下，氫是無色、無臭、極易燃燒的雙原子氣體，在地球上和地球大氣中只存在極稀少的游離狀態(tài)氫。氫在生物質(zhì)中的含量約為6%，主要來源于水，是僅次于碳的主要可礁物質(zhì)，氫燃燒可放出142 256 kj/kg的熱量，在生物質(zhì)中常以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖冢紵龝r(shí)以揮發(fā)分氣體析出。由于氫容易著火燃燒，所以含氫越高，燃點(diǎn)越低。氫燃燒后主要生成水。
C、氮
在自然界，氮元素以分子態(tài)（氮?dú)猓o機(jī)結(jié)合氮和有機(jī)結(jié)合氮三種形式存在。大氣中含有大量的分子態(tài)氮。但是絕大多數(shù)生物都不能夠利用分子態(tài)的氮，植物只能從土壤中吸收無機(jī)態(tài)的銨態(tài)氮（銨鹽）和硝態(tài)氨（硝酸鹽），用來合成氨基酸，再進(jìn)一步合成各種蛋白質(zhì)，通過動(dòng)物身體的利用和代謝及植物體自身的分解和燃燒轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，完成氮循環(huán)。在生物質(zhì)中，氮不能燃燒，但會(huì)降低燃料的發(fā)熱量。
D、氧
氧是地殼中最豐富、分布最廣的元素，氧通過呼吸作用進(jìn)入生物體，再以水或者C0
2的形式回到大氣，水可以光合作用變成0
2，完成氧循環(huán)。氧可以助燃，它的存在使反應(yīng)物質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)一個(gè)均勻分布的體熱豫。生物質(zhì)中氧含量為35%～40%，遠(yuǎn)高于煤炭等化石燃料，因此在燃燒時(shí)的空氣需求量小于煤。
E、硫
硫是植物生長必需的礦物質(zhì)營養(yǎng)元素之一，是構(gòu)成蛋白質(zhì)和酶所不可缺少的元素。植物從土壤中吸收硫是逆濃度梯度進(jìn)行的，主要以SO
42-的形式進(jìn)入植物體內(nèi)。植物體內(nèi)的硫可分為無機(jī)硫酸鹽和有機(jī)硫化合物兩種形態(tài)，大部分為有機(jī)態(tài)硫。無機(jī)態(tài)硫多以硫酸根的形式在細(xì)胞中積累，其含量隨著硫元素供應(yīng)水平的變化存在很大差異，既可以通過代謝合成有機(jī)硫，又可以轉(zhuǎn)移到其他部位被再次利用。
硫在植物體中的含量一般為0.1%～0.5%，其變動(dòng)幅度受植物種類、品種、器官和生育期的影響。通常，十字花科植物需硫最多，禾本科植物最少。硫在植物開花前集中分布于葉片中，成熟時(shí)葉片中的硫逐漸減少并向其他器官轉(zhuǎn)移。例如，成熟的玉米葉片中含硫量為全株硫量的10%，莖、種子、根分別為33%、26%和11%。
在生物質(zhì)燃料中，硫也是可燃物質(zhì)，硫燃燒放出的熱量為9210 kl/kg。其燃燒產(chǎn)物是二氧化硫和三氧化硫，然后在高溫下與水蒸氣反應(yīng)生成亞硫酸和硫酸。這些物質(zhì)對(duì)金屬有強(qiáng)烈的腐蝕作用，污染人氣。在燃燒過程中，硫元素從燃料顆粒中揮發(fā)出來，與氣相的堿金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成堿金屬硫酸鹽，在900℃的爐膛溫度下，這些化合物很不穩(wěn)定。在秸稈燃燒過程中，氣態(tài)的堿金屬、硫、氯及它們的化合物將會(huì)凝結(jié)在灰顆粒或水冷壁的沉積物上。如果沉積物不受較大的飛灰顆粒或吹灰過程的擾動(dòng)時(shí)，它們就會(huì)形成白色的薄層。這一薄層能夠與飛灰混合，促進(jìn)沉積物的聚集和黏結(jié)。在沉積物表面上，含堿金屬元素的凝結(jié)物還會(huì)繼續(xù)與氣相含硫物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的硫酸鹽，而且在沉積物表而溫度下，多數(shù)硫酸鹽呈熔融狀態(tài)，這樣會(huì)增加沉積層表面的黏性，加劇了沉積腐蝕的程度。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐表明，單獨(dú)燃燒鈣、鉀含量高，含硫量少的木柴時(shí)，沉積腐蝕的程度低；而當(dāng)將木材與含硫較多的稻草共燃時(shí)，則沉積腐蝕的就很嚴(yán)重，而且沉積物中富含K
2 S0
4和CaS0
4。同時(shí)，在燃燒過程中，硫元素還可以被鈣元素捕捉。在運(yùn)行的固定床和流化床燃燒設(shè)備中可以觀察到，當(dāng)循環(huán)流化床中加入石灰石后，會(huì)導(dǎo)致回料管和對(duì)流煙道中含鈣、硫物質(zhì)的聚集。值得注意的是，硫酸鈣被認(rèn)為是在過熱器管表面灰顆粒的黏合劑，能夠加重沉積腐蝕的程度。
不同生物質(zhì)的元素含量是不相同的，這主要是由生物質(zhì)種類、生長時(shí)期和生長條件等因素決定。扣除灰分變化的影響后，碳、氫、氧這三種主要的元素分析只有細(xì)微的差別。下表給出了部分生物質(zhì)原料的主要元素干燥基分析結(jié)果。
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部分生物質(zhì)原料的主要元素分析 |
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原料 |
灰分/% |
碳/% |
氫/% |
氧/% |
氮/% |
硫/% |
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麥秸 |
7.2 |
45.8 |
5.96 |
40 |
0.45 |
0.16 |
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玉米秸 |
5.1 |
46.8 |
5.74 |
41.4 |
0.66 |
0.11 |
|
稻草 |
19.1 |
38.9 |
4.74 |
35.3 |
1.37 |
0.11 |
|
稻殼 |
15.8 |
38.9 |
5.1 |
37.9 |
2.17 |
0.12 |
|
棉柴 |
17.2 |
39.5 |
5.07 |
38.1 |
1.25 |
0.02 |
|
樹屑 |
0.9 |
49.2 |
5.7 |
41.3 |
2.5 |
0 |
|
樹皮 |
4 |
50.3 |
5.83 |
39.6 |
0.11 |
0.07 |
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白樺 |
0.4 |
48.3 |
6.4 |
44.5 |
0.08 |
0 |
圖2. 29是以這三種元素的總量為1作出的相對(duì)含量曲線，兩條曲線的變化是平緩的。一般認(rèn)為以CH
1.4O
0.6。作為生物質(zhì)的假想分子式已有相當(dāng)?shù)木取＿@提示了生物質(zhì)的利用工藝具有廣泛的原料適用性。
