稻壳与稻秆灼烧灰颗粒的微观形态特征及其能谱分析

近年来，国内外众多学者关于生物质灰的研究大多 集中在灰的熔融特性[11-12]、矿物分布特征[13-14]、灰中碱金 属的迁移规律[15-16]、积灰结渣或腐蚀[17-18]等方面，而关于 稻壳灰和稻秆灰等生物质灰的微观形态特征及其颗粒表 面、内部结构、元素组成等方面的研究报道却极少。与 国内外普遍采用的 X 荧光谱仪（X-ray fluorescence，XRF） 相比，将扫描电子显微镜（scanning electron microscopy， SEM ） 和 X 射 线 能 谱 分 析 （ energy disperse X-ray microanalysis，EDX）结合起来，可以在对微小颗粒形态 观察的同时进行组成元素测定分析。因此，该研究应用 扫描电镜（SEM）和能谱（EDX）联用技术对稻壳和稻 秆在不同灰化温度下灼烧产生的灰渣的微观形态特征及 其元素组成进行了全面的研究，并考察了不同灰化温度 对其粒度分布、微观形态、颗粒表面、内部结构及元素 组成等产生的影响，分析其团聚结渣和腐蚀倾向等，这
中图分类号：TK6
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2015)-19-0208-08
姚锡文，许开立. 稻壳与稻秆灼烧灰颗粒的微观形态特征及其能谱分析[J]. 农业工程学报，2015，31(19)：208－215. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.19.029 Yao Xiwen, Xu Kaili. Microstructure characteristic and X-ray energy dispersive microanalysis of combustion ash of rice husk and rice straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(19): 208－ 215. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.19.029
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度也都明显小于 600℃的稻壳灰，而且 815℃稻壳灰的比表 面积为 3 868.23 cm2/g，明显大于 600℃稻壳灰的比表面积
为水稻加工过程中产生的主要副产物，稻壳和稻秆是储量 丰富的清洁可再生资源，然而稻壳和稻秆也是一种灰分含 量较高的生物质燃料，在稻壳和稻秆的热化学转化过程 中，会产生大量的生物质灰。稻壳灰或稻秆灰中含量较高 的碱金属（如 K、Na）会与相关化合物之间发生熔融反应 或相互作用[9-10]，而且部分碱金属和氯化物会以气相形式 析出，而高温时这些熔点较低的碱金属盐处于熔融粘结状 态，冷却后则易凝结在灰渣表面或在炉膛内造成结渣、腐 蚀等，这不仅降低了热化学转化系统的产能效率和使用寿 命，还对生产设备的安全运行产生严重威胁。
中国是水稻生产大国，稻谷年产量达 2 亿 t 以上，作
收稿日期：2015-05-06 修订日期：2015-09-09 基金项目：农业部农村能源综合建设项目（2014-28）；辽宁省自然科学基 金资助项目（2013020137）。 作者简介：姚锡文，男（汉族），山东五莲人，博士生，主要从事生物质热 解及燃气净化等研究。沈阳 东北大学资源与土木工程学院，110819。 Email：yxw_20061005@ ※通信作者：许开立，男（汉族），山东郓城人，教授，博士生导师，主要 从事生物质气化事故机理、系统安全分析等研究。沈阳 东北大学资源与土 木工程学院，110819。Email：kaili_xu@
灰化温度对生物质灰的粒度分布、微观形态、颗粒表面、内部结构及元素组成等方面产生的影响。结果表明：灰化温度
升高，灰粒的粒度减小，且分布较均匀，稻壳灰中多为团状颗粒，而稻秆灰以棒状颗粒居多；对于 600℃稻壳灰，部分
灰粒仍保留着稻壳的原始纤维结构，且灰中存在许多松散状的密实小颗粒，但并未出现粘结团聚，而 600℃稻秆灰表面
第 31 卷 第 19 期 208 2015 年 10 月
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.31 No.19 Oct. 2015
稻壳与稻秆灼烧灰颗粒的微观形态特征及其能谱分析
姚锡文，许开立※
第 19 期
姚锡文等：稻壳与稻秆灼烧灰颗粒的微观形态特征及其能谱分析
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对生物质热化学转化利用过程中优化高效的除灰降尘技 术、防治设备受热面结渣与腐蚀等具有重要意义，也可 为生物质灰的资源化利用与污染控制、实现生物质能的 清洁可循环利用提供有价值的参考。
1 试验部分
1.1 试验材料及灰的制备 试验所用材料均取自沈阳市周边农村的农业废弃物
c. 600℃ 稻秆灰
d. 815℃ 稻秆灰
c. 600℃ rice straw ash
d. 815℃ rice straw ash
图 2 不同生物质灰颗粒原始图像
Fig.2 Original images of different biomass ash particles
由表 2 可知，815℃稻壳灰和稻秆灰的中位径（D50）分 别为 9.8 和 14.9 μm，小于 600℃稻壳灰和稻秆灰的中位径， 分别为 16.0 和 23.8 μm。不仅如此，对于其他的颗粒累计分 布（D10、D25、D50、D75、D90 和 D100），815℃稻壳灰的粒
元素；灰化温度升高，稻壳灰的 K 含量明显下降，而稻秆灰中 K、Na、Ca 的含量变化较小，但是 Cl、Fe、Al 的含量均
明显下降；稻秆灰的 K、Na、Ca 和 Cl 含量都远高于稻壳灰，稻秆灰比稻壳灰更易造成设备腐蚀、结渣等危害。
关键词：秸秆；碱金属；扫描电子显微镜；生物质灰；能谱分析；稻壳
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.19.029
粒图像分析仪测定其粒度分布，所测得的不同生物质灰 颗粒的原始图像如图 2 所示，粒度分析结果见表 2。
a. 600℃ 稻壳灰 a. 600℃ rice husk ash
b. 815℃ 稻壳灰 b. 815℃ rice husk ash
a. 扫描电子显微镜 a. Scanning electron
microscopy
Vad
Mad
FCad
Aad
稻壳 62.45 7.30 12.53 17.72 38.37 6.59 34.22 0.51 0.21 0.04 0.087 17.08 1.37 0.11 0.26 0.39 0.027 0.41
Rice husk
稻秆 64.63 8.56 13.39 13.42 36.01 4.50 32.90 0.63 0.14 0.17 0.46 14.72 5.95 0.27 0.45 0.23 0.038 0.36
Fig.1
b. 激光粒度分析仪 b. Laser particle size
analyzer
图 1 试验仪器
c. 马弗炉 c. Muffle furnace
Experimental equipments
1.3 灰的粒度分析 首先将不同灰化温度下制得的生物质灰经 200 目筛
子（粒径≤0.074 mm）过筛，然后利用 Winner 99 显微颗
灰化温度不同，生物质灰特性存在较大差异，因此， 该研究为了确定不同灰化温度对稻壳灰和稻秆灰微观形 态特征及其元素组成的影响，参照国家煤灰分量分析标 准（GB/T212-2008）和和美国 ASTM 制定的生物质制灰 标准（E1755-01）中规定的温度，确定灰化温度分别为 600 和 815℃。将试样颗粒置于灰皿，并放于马弗炉中进 行灼烧试验，分别在 600 和 815℃下灼烧 2 h，以制取生 物质灰，灼烧完毕后，待炉温降至 200℃以下取出灰皿， 并放入干燥皿中冷却至常温，最后将制得的灰样放入密 封样品袋中以备试验所用。
稻壳和稻秆，在制备生物质灰之前，先将试样在自然条 件下风干，然后将风干后的样品进行粉碎，通过 100 目 筛子筛取所需的生物质试样（粒径≤0.154 mm）。采用 去离子水洗涤稻壳和稻秆样品，以去除试样中的外源性 尘土，从而消除外源性尘土中的碱/碱土金属元素所带来 的影响，具体过程为：称取 20 g 样品放入 2L 的烧杯中， 缓慢加入 500 mL 去离子水，利用电动搅拌机在室温条件 下持续搅拌 2 h，然后将溶液过滤并采用去离子水反复冲 洗样品，直至用 pH 值试纸检测溶液呈中性为止，最后将
（东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110819）
摘 要：应用扫描电镜（scanning electron microscopy，SEM）和能谱（energy disperse X-ray microanalysis，EDX）结合联
用技术对稻壳和稻秆在 600 和 815℃下灼烧产生的灰渣的微观形态特征及其元素组成进行了全面地研究，并考察了不同
0引言
随着煤炭、石油、天然气等化石燃料供应的日趋紧 张和能源多元化的发展趋势，生物质能作为一种储量巨 大的低硫、低氮以及 CO2“零排放”的可再生绿色能源， 其开发与利用越来越得到世界的关注[1-2]。
生物质能的热化学转化利用技术主要有热解、燃烧、 气化、液化等[3-5]，而转化利用过程会产生大量的生物质 灰，其成分十分复杂，这些成分共同决定了生物质灰的 特性。不同生物质灰的特性不同，即使对于同种生物质， 不同生长部位或不同灰化温度下形成的生物质灰的特性 也存在较大差异[6-7]，不同灰化温度下，生物质中的钾、 钠、钙、磷等以不同形式存在的无机元素的挥发性不同[8]， 这些无机成分是生物质灰分的主要物质来源，因此，灰 化温度必然会较大地影响生物质灰分的性质。