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基于光谱特性解析生物质燃烧结渣机制与防控策略研究

一、引言

1.1研究背景

在全球能源结构加速向可再生能源转型的大背景下，生物质能作为一种绿色、可再生的能源，正日益受到广泛关注。生物质能的利用不仅有助于缓解对化石能源的依赖，减少温室气体排放，还能促进农村经济发展，实现资源的循环利用，对环境保护和人类可持续发展具有重要意义。国际能源署（IEA）可再生能源中心主任保罗?佛兰克曾称“生物质能是可再生能源中被忽视的巨人”，如今，这个“巨人”已在国际能源转型中扮演着愈发关键的角色。在2050年净零碳排放目标情景中，生物质能预计将成为全球第二大燃料。我国作为人口和农业大国，农林废弃物、城乡垃圾等生物质资源极为丰富，是全球生物资源最丰富的国家之一，具备加快发展生物能源的有利条件。截至2023年底，全国生物质发电并网装机容量达4414万千瓦，较2013年增长4倍以上，年发电量达1980亿千瓦时，可满足2亿居民家庭生活用电，生物质能产业发展取得显著成果。

然而，在生物质燃烧利用过程中，结渣问题成为制约其高效、稳定应用的关键瓶颈。生物质中通常含有较高含量的碱金属、碱土金属以及氯等元素，这些元素在燃烧过程中会发生复杂的物理化学变化，极易导致炉膛受热面、对流管束、过热器等部位出现结渣现象。结渣不仅会影响锅炉的安全运行，增加设备故障风险，还会降低锅炉的热效率，导致燃料消耗增加，运营成本上升。相关研究显示，生物质锅炉在运行过程中，结渣现象的发生率相当高，严重时会对生产造成较大影响。如某生物质发电厂，因结渣问题导致锅炉受热面热阻大幅增加，热量传递效率降低，局部过热现象严重，最终引发锅炉停机事故，造成了巨大的经济损失。此外，结渣还会导致锅炉内部管道和设备堵塞，影响锅炉的正常运行，增加维护和检修的难度与成本。

因此，深入研究基于光谱特性的生物质燃烧结渣问题，对于揭示结渣机理、开发有效的结渣预测与控制技术，提升生物质能源利用效率和设备运行稳定性，推动生物质能产业的健康发展具有重要的现实意义。

1.2研究目的与意义

本研究旨在通过对生物质燃烧过程中光谱特性的深入分析，建立光谱特性与结渣之间的内在联系，为生物质燃烧结渣的预测和控制提供全新的理论依据与技术支持。具体而言，本研究将着重实现以下目标：一是深入探究生物质燃烧过程中碱金属、碱土金属等关键元素的释放规律，以及它们在不同燃烧条件下的化学形态转变过程，揭示其对结渣形成的作用机制；二是借助先进的光谱检测技术，如激光诱导击穿光谱（LIBS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等，获取生物质燃烧过程中的实时光谱信息，构建基于光谱特征参数的结渣预测模型，实现对结渣趋势的准确预判；三是基于光谱分析结果，开发有效的结渣控制技术，通过优化燃烧条件、添加合适的添加剂等手段，抑制结渣的产生，提高生物质燃烧设备的运行稳定性和效率。

生物质能作为一种可再生能源，其高效清洁利用对于缓解能源危机、减少环境污染具有重要意义。然而，结渣问题严重制约了生物质能的大规模应用。本研究通过对基于光谱特性的生物质燃烧结渣进行深入研究，将为生物质燃烧设备的设计、运行和维护提供科学指导，有助于提高生物质能的利用效率，降低运行成本，减少设备故障，推动生物质能产业的可持续发展。同时，本研究成果也将为其他可再生能源的燃烧利用提供有益的参考，丰富能源燃烧领域的研究内容，促进相关学科的交叉融合与发展。

1.3国内外研究现状

在国外，光谱技术在生物质燃烧结渣研究领域的应用起步较早。早在20世纪90年代，欧美一些发达国家就开始利用光谱分析手段对生物质燃烧过程中的元素迁移和结渣特性进行探索性研究。美国能源部资助的多个生物质能研究项目中，就运用了激光诱导击穿光谱（LIBS）技术对生物质燃烧过程中碱金属元素的释放进行实时监测。通过对不同生物质燃料在多种燃烧工况下的实验研究，发现生物质中钾、钠等碱金属元素在燃烧初期会迅速挥发，并在高温下与其他物质发生化学反应，形成低熔点的共熔物，从而增加了结渣的风险。相关研究成果为后续生物质燃烧结渣机理的深入研究奠定了基础。

随着研究的不断深入，傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术也逐渐被广泛应用于生物质燃烧结渣研究中。德国的科研团队利用FTIR技术对生物质燃烧过程中的气态产物进行分析，详细研究了生物质中氯元素与碱金属元素的相互作用对结渣的影响机制。研究发现，氯元素会与碱金属形成挥发性的氯化物，这些氯化物在炉膛内的高温环境下会进一步发生反应，生成具有较强腐蚀性和黏附性的物质，从而加剧结渣和腐蚀现象。此外，瑞典、丹麦等国家的研究人员还通过光谱分析结合热力学计算的方法，对生物质燃烧过程中的矿物质转化路径进行了系统研究，建立了较为完善的矿物质转化模型，为结渣预测提供了理论支持。

在国内，近年来随着