范文一:生物质燃烧技术
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范文二:生物质直接燃烧技术
一、引言
目前,生物质直接燃烧技术是最简便、最具潜力的生物质资源有效利用方式之一。但由于生物质燃料与化石燃料相比,在物理、化学性质等方面存在着较大的差异,因此对燃烧设备的设计要求和燃烧方式的选择也不同于化石燃料。
二、生物质燃烧的特性
了解生物质燃料的组成成分,有助于对其燃烧特性的研究,从而进一步科学、合理地开发利用生物质能。
由上表可以看出,生物质燃料组成成分的特点是:(1)生物质含水分多,含硫量低;(2)生物质含碳量少,固定碳含量更少,热值普遍偏低;(3)生物质含氧量高,挥发份明显较多;(4)生物质灰份少、密度小,尤其是农作物秸秆。因此,生物质燃料的燃烧过程是强烈的化学反应过程,又是燃料和空气间的传热、传质的过程,主要分为挥发份的析出、燃烧和残余焦炭的燃烧、燃尽两个独立的阶段。
三、生物质燃料直接燃烧技术
直接燃烧是目前最简便的生物质能源转化技术,即将生物质直接作为燃料燃烧,燃烧过程所产生的能量主要用于发电或集中供热。作为燃料的生物质包括各种农林业废弃物、城市生活垃圾等。
目前,生物质直接燃烧技术主要有以下几种:
3.1生物质直接燃烧流化床技术
采用流化床技术开发生物质能是考虑到流化燃烧效率高,有害气体排放少,热容量大等一系列优点,适合燃用水分大、热值低的生物质燃料。
生物质直接燃烧流化床技术是采用细砂等颗粒作为媒体床料,以保证形成稳定的密相区料层,为生物质燃料提供充分的预热和干燥热源;采用风力给料装置,使生物质燃料均匀散布在床层表面,有助于燃料的及时着火和稳定燃烧;采用稀相区强旋转切向二次风形成强烈旋转上升气流,可以使高温烟气、空气和生物质物料颗粒混合强烈,并延长物料颗粒在炉内的停留时间;采用稀相区后设置卧式旋风燃烬室,使可燃气体和固体颗粒进一步燃尽,同时可以将烟气中所携带的飞灰、床料分离下来,减轻尾部受热面和除尘设备的磨损。现在我国部分锅炉厂家与高等院校合作,已开发出甘蔗渣、稻壳、果穗、木屑等生物废料的流化床锅炉,并取得成功运行。
3.2生物质直接燃烧层燃技术
生物质直接燃烧层燃技术使用的燃料主要可分为农林业废弃物及城市生活垃圾,由于这两种生物质燃料的燃烧特点不同,因此,所设计的层燃锅炉结构也有所不同。
3.2.1农林业废弃物焚烧技术
一般农林业废弃物的挥发物含量高,析出速度快,着火迅速,而固定碳的燃烧则比较慢,因此对于此类锅炉的设计主要采用采用风力吹送的炉内悬浮燃烧加层燃的燃烧方式。农林业废弃物进入喷料装置,依靠高速喷料风喷射到炉膛内,调节喷料风量的大小和导向板的角度以改变草渣落入炉膛内部的分布状态,合理组织燃烧。为了使大量快速析出的挥发分能及时与空气充分混合,在喷料口的上部和炉膛后墙布置有三组二次风喷嘴,喷出的高速二次风具有很大的动能和刚性,使高温烟气与可燃物充分地搅拌混合,保证燃料的完全充分燃烧。比较难燃烧的固定碳则下落到炉膛底部的往复炉排上,继续燃烧。通过合理地组织二次风,形成合理的炉内空气动力场,可使生物质中的大颗粒物及固定碳下落到炉排较前端,使燃料在炉排上有较长的停留燃烧时间,保证固定碳的完全充分燃烧。
3.2.2城市生活垃圾焚烧技术
目前我国中小城市生活垃圾一般含水量较大,着火困难,直接燃烧具有一定难度,所以燃烧时可掺入一定比例的煤,或者对垃圾进行预处理。我公司生产的城市生活垃圾锅炉使用的是经过消解过的垃圾,燃烧时不须掺煤。消解垃圾经抓斗送到料斗内,垃圾经推料装置送至往复炉排上,往复炉排前部经热空气加热干燥后着火燃烧。为了使大量快速析出的挥发分能及时与空气充分混合,我们在后拱下部及前拱上部各布置有一组二次风喷嘴,喷出的高速二次风具有很大的动能和刚性,使可燃气体与高速二次风充分混合,保证了挥发份的充分燃烧。往复炉排分三级驱动,每级可分别调整炉排的往复运动速度,这样可使燃料在炉排上有较长的停留燃烧时间,保证固定碳的完全充分燃烧。
推入的燃料量通过调节给料机的推料速度来控制。燃料在往复炉排上的燃烧时间通过调节往复炉排的移动速度来控制。为了使燃料层在炉排上有自翻身拨火作用,往复炉排采用倾斜16°的布置方式以及炉排三级之间设置了合理的落差,使燃料从前向后推动前进的同时有一个下落翻动过程,在上级炉排落至下级时有一个较大的翻滚,起到自拨火作用,有利于完全燃烧。为了保证燃料的及时着火和燃烬,设计有较高的前拱和低而长的后拱,高前拱区为垃圾的燃烧提供了足够的空间,低而长的后拱有利于燃料的燃烬。
往复炉的配风与燃煤锅炉也有较大不同。干燥阶段风量仅占一次风量的15%左右,主燃区风量占75%以上,而燃烬区风量仅占10%左右。为了保证挥发分大量集中析出时的完全及时充分燃烧,必须有占总风量15-20%以上的风量作为二次风,本设计的二次风可帮助燃料析出的挥发分在炉膛空间的燃烧,在每组二次风喷嘴的风道上装有调节阀门,实际运行时可根据现场燃料的燃烧情况及时调节各段风量及每组的二次风量。
烟气处理系统则采用半干式脱酸塔及布袋除尘器,能够有效去除尾气中有害气体。
四、总结
综上所述,燃生物质锅炉的合理设计有利于提高生物质燃烧的利用效率。因此,在设计燃烧设备时,要考虑到燃料的种类,燃烧设备与其它相关设备的匹配,以及燃尽后污染物的排放等一系列影响因素。就燃料本身而言,需要考虑燃料的物理化学性质和燃烧特性。由于生物质的种类繁杂,不同种类生物质之间外貌、组分、物性和燃烧性能千差万别,不可能找到一种统一的燃烧方式,以实现其资源化利用。因此,需根据不同种类的生物质燃烧特性开发不同类型的燃烧技术,并研制相应的燃烧设备。在实际运行中,要提高生物质燃烧设备的效率,必须对燃生物质锅炉的炉内空气动力场进行深入地分析研究,掌握炉内空气动力场的流动分布规律才能得以实现。
范文三:生物质能直接燃烧技术
生物质直接燃烧技术的发展研究
摘要:随着能源危机和环境问题的日益严重,人们不断致力于开发研究低污染、可再生的新能源。在众多的可再生能源中,生物质能是一种储量丰富、清洁方便的绿色可再生能源,具有极大的开发潜力。为了大力开发利用生物质资源,分析比较了国内外生物质直接燃烧技术发展现状,提出应根据生物质燃料的燃烧特性,开发相应的燃烧技术和燃烧设备,以实现生物质资源的大规模集中高效利用。 关键词:生物质; 燃烧; 锅炉
众所周知,人类的生存和发展离不开能源。随着世界能源需求量的迅猛增长,以煤、石油、天然气为代表的常规能源将最终被开采殆尽,同时大量使用这些化石燃料会导致一系列严重的环境污染问题。因此,大力提高能源的利用效率,以高新技术开发低污染、可再生的新能源,逐步取代石油、煤、天然气等不可再生能源,是解决能源危机和环境问题的重要途径。在众多的可再生能源中,生物质能以其资源储量丰富、清洁方便和可再生的特点,具有极大的开发潜力。
生物质能是指绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量,其主要来源是:农林废弃物、工业废水和废渣、城市生活垃圾以及人畜粪便等。目前,生物质的开发利用技术主要包括生物质的固化、气化、液化,以及生物质直接燃烧。国外许多国家都相继制定了各自的生物质能源研究开发计划,如美国的能源农场、日本的阳光计划、巴西的酒精能源计划以及印度的绿色能源工程等。就我国的基本国情和生物质利用开发水平而言,生物质直接燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。
1生物质燃料的燃烧特性
研究生物质燃料的组成成分,掌握其燃烧特性,有利于进一步科学、合理地开发利用生物质能。从对生物质燃料特性的研究中可以发现,生物质燃料与化石燃料相比存在明显的差异,如表1所示。由于生物质燃料特性与化石燃料不同,从而导致了生物质燃料在燃烧过程中的燃烧机理、反应速度以及燃烧产物的成分与化石燃料相比也都存在较大差别,表现出不同于化石燃料的燃烧特性。生物质
燃料的燃烧过程主要分为挥发份的析出、燃烧和残余焦炭的燃烧、燃尽两个独立阶段,其燃烧过程的特点是:
(1) 生物质水分含量较多,燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间,产生的烟气体积较大,排烟热损失较高;
(2) 生物质燃料的密度小,结构比较松散,迎风面积大,容易被吹起,悬浮燃烧的比例较大;
(3) 由于生物质发热量低,炉内温度场偏低,组织稳定的燃烧比较困难;
(4) 由于生物质挥发份含量高,燃料着火温度较低,一般在250℃~350℃温度下挥发份就大量析出并开始剧烈燃烧,此时若空气供应量不足,将会增大燃料的化学不完全燃烧损失;
(5) 挥发份析出燃尽后,受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响,焦炭颗粒燃烧速度缓慢、燃尽困难,如不采取适当的必要措施,将会导致灰烬中残留较多的余碳,增大机械不完全燃烧损失。
由此可见,生物质燃烧设备的设计和运行方式的选择应从不同种类生物质的燃烧特性出发,才能保证生物质燃烧设备运行的经济性和可靠性,提高生物质开发利用的效率。
表1 生物质燃料与煤的燃料特性
2 生物质直接燃烧技术的发展现状
2.1 生物质直接燃烧技术的特点
生物质直接燃烧是将生物质直接作为燃料燃烧,燃烧产生的能量主要用于发
电或集中供热。作为最早采用的一种生物质开发利用方式,生物质直接燃烧具有如下特点:
(1)生物质燃烧所释放出的CO2大体相当于其生长时通过光合作用所吸收的
CO2,因此可以认为是CO2的零排放,有助于缓解温室效应;
(2)生物质的燃烧产物用途广泛,灰渣可加以综合利用;
(3)生物质燃料可与矿物质燃料混合燃烧,既可以减少运行成本,提高燃烧效率,又可以降低SOx、NOx等有害气体的排放浓度;
(4)采用生物质燃烧设备可以最快速度地实现各种生物质资源的大规模减量化、无害化、资源化利用,而且成本较低,因而生物质直接燃烧技术具有良好的经济性和开发潜力。
2.2 生物质直接燃烧技术
生物质直接燃烧主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。炉灶燃烧操作简便、投资较省,但燃烧效率普遍偏低,从而造成生物质资源的严重浪费;而锅炉燃烧采用先进的燃烧技术,把生物质作为锅炉的燃料燃烧,以提高生物质的利用效率,适用于相对集中、大规模地利用生物质资源。
生物质燃料锅炉的种类很多,按照锅炉燃用生物质品种的不同可分为:木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等;按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉、层燃炉等。
2.2.1 生物质直接燃烧流化床技术
目前,国外采用流化床技术开发生物质能已具有相当的规模和一定的运行经验。美国爱达荷能源产品公司已经开发生产出燃生物质媒体流化床锅炉,蒸汽锅炉出力为4.5 t?h-1~50 t?h-1,供热锅炉出力为36.67MW;美国CE公司利用鲁奇技术研制的大型燃废木循环流化床发电锅炉出力为 100 t?h-1,蒸汽压力为8.7 MPa;美国B&W公司制造的燃木柴流化床锅炉也于20世纪80年代末至90年代初投入运行。此外,瑞典以树枝、树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以利用,锅炉热效率可达到80%;丹麦采用高倍率循环流化床锅炉,将干草与煤按照 6:4 的比例送入炉内进行燃烧,锅炉出力为100 t?h-1,热功率达80MW。我国自20世纪80年代末开始,对燃生物质流化床锅炉进行了深入细致地研究。为
了提高锅炉燃烧效率,研究人员采用细砂等颗粒作为媒体床料,以保证形成稳定的密相区料层,为生物质燃料提供充分的预热和干燥热源;采用稀相区强旋转切向二次风形成强烈旋转上升气流,加强高温烟气、空气与生物质物料颗粒的混合,促进可燃气体和固体颗粒进一步充分燃烧。根据以上研究成果,哈尔滨工业大学分别与国内四家锅炉厂合作开发了一系列燃用甘蔗渣、稻壳、果穗、木屑等生物废料的流化床锅炉,投入生产后运行效果良好,深受用户的好评。 根据稻壳的物理、化学性质和燃烧特性,设计出以流化床燃烧方式为主,辅之以悬浮燃烧和固定床燃烧的组合燃烧式流化床锅炉,并且为配合三段组合燃烧采取了四段送风的方式。采用这种独特的燃烧方式和配风方式,其优点在于:流化床中燃料颗粒的流化速度较低,有利于减少稻壳随烟气飞出流化床的份额,延长了稻壳在床层的停留时间;提供了足够的悬浮燃烧空间,有利于挥发份中的可燃物在悬浮段进一步充分燃烧。通过试验研究证明,该锅炉具有流化性能良好、燃烧稳定、不易结焦等优点,已经获得国家专利。在试验研究的基础上,与无锡锅炉厂合作设计开发了35t?h-1燃稻壳流化床锅炉。该锅炉设计的主要特点是:采用气力输送装置输送稻壳,不但输送量大,而且输送安全,避免了因给料机堵塞引起的给料中断现象;采用厚壁管的防磨环用以防止床层埋管的磨损,尾部加吹灰器吹风防止受热面积灰;通过调整一、二次风风量大小与烟气再循环实现炉内风速的改变,扩大了锅炉的燃料适用范围。
2.2.2 生物质直接燃烧层燃技术
1)农林废弃物开发利用技术
生物质层燃技术被广泛应用在农林业废弃物的开发利用方面。Benson型锅炉采用两段式加热,由四个并行的供料器供给物料,秸秆、木屑可以在炉栅上充分燃烧,并且炉膛和管道内还设置有纤维过滤器以减轻烟气中有害物质对设备的磨损和腐蚀。经实践运行证明,改造后的生物质锅炉运行稳定,并取得了良好的社会和经济效益。
通过对秸秆本身特性的分析研究,在秸秆直燃热水锅炉燃烧室的设计中,采用双燃烧室结构。第一燃烧室为主燃区,设置于炉膛前部;第二燃烧室为辅助燃烧区,设置于炉膛后部,两者间由挡火拱分隔。该布置方式加强了秸秆与高温烟气、空气地相互混合,同时延长了物料在炉内燃烧的停留时间,确保了秸秆燃烧
的充分完全,取得了良好的运行效果。
根据甘蔗渣的燃烧机理,研制出了一种采用闭式炉膛结构的甘蔗渣锅炉。该锅炉将燃烧室与辐射受热面分开布置,甘蔗渣在炉内进行半层燃半悬浮燃烧,既有助于甘蔗的着火和燃尽,又可以布置足够的受热面,满足了燃烧和传热两方面的要求;炉膛内布置人字型前后拱,通过前后拱的相互配合加强了高温烟气对甘蔗渣的辐射,有利于甘蔗渣的及时着火和稳定燃烧。甘蔗渣作为生物质燃料有一定的代表性,因此该炉型对稻壳、树皮等生物质燃料具有一定的通用性。
燃木屑、木粉、树皮等废料的层燃锅炉结构设计新颖,前墙及炉膛布置少量水冷壁管,保证炉膛具有较高的温度,以便木屑、木粉的燃烬;炉膛内布置有防爆门,防止木粉爆燃;锅炉为负压燃烧,保证木粉在燃烧时不向炉外喷火。锅炉投入运行后,经测试达到了预期的设计要求,为燃木屑、木粉等林业废弃物锅炉的开发设计提供了宝贵的经验。
2)城市生活垃圾焚烧技术
进入21世纪以后,随着我国城市建设的发展和社会的进步,城市生活垃圾的产量逐年递增,其构成也逐步向“灰分少、高热值”的方向发展。因此,以焚烧技术为代表的新型垃圾处理技术正飞速发展,成为新兴的环保产业。该技术与传统的垃圾填埋方式相比,在环境保护和资源利用方面都具有明显的优势。
20世纪80年代末,深圳市从日本引进了两台“三菱——马丁”型垃圾焚烧炉,单台日处理垃圾 150t,在我国率先采用焚烧技术处理生活垃圾。1996 年深圳市又扩建了第一台国产化垃圾焚烧炉,该炉采用单锅筒自然循环,烟道四周布满膜式水冷壁,烟气处理系统采用静电除尘器处理装置。作为首台国产垃圾焚烧锅炉建成投产后,各项主要技术性能指标均达到设计要求,为我国城市生活垃圾处理找到了一条行之有效的既经济、又清洁的途径。上海浦东新区御桥生活垃圾焚烧厂设置了三条垃圾焚烧生产线,每条生产线主要由焚烧炉、余热锅炉、烟气处理反映塔和除尘器组成。除上海浦东御桥以外,北京市、广州市、厦门市也都在进行千吨级垃圾焚烧厂的建设。垃圾焚烧具有减少环境污染,节省大量土地资源等显著优点。
因此垃圾焚烧技术将成为我国大城市生活垃圾处理的主流技术,但在尾气处理避免二次污染和提高焚烧炉燃烧效率等方面,还需进一步结合基本国情不断改
进和完善我国的垃圾焚烧技术。
3 生物质直接燃烧技术存在的问题
从国内外生物质直接燃烧技术的发展状况来看,流化床锅炉对生物质燃料的适应性较好,负荷调节范围较大。床内工质颗粒扰动剧烈,传热和传质工况十分优越,有利于高温烟气、空气与燃料地混合充分,为高水分、低热值的生物质燃料提供极佳的着火条件,同时由于燃料在床内停留的时间较长,可以确保生物质燃料地完全燃烧,从而提高了燃生物质锅炉的效率。另外,流化床锅炉能够较好地维持生物质在 850℃左右的稳定燃烧,所以燃料燃尽后不易结渣,并且减少了 NOx、SOx等有害气体的生成,具有显著的经济效益和环保效益。
但是,流化床对入炉的燃料颗粒尺寸要求严格,因此需对生物质进行筛选、干燥、粉碎等一系列预处理,使其尺寸、状况均一化,以保证生物质燃料的正常流化。对于类似稻壳、木屑等比重较小、结构松散、蓄热能力比较差的生物质,就必须不断地添加石英砂等以维持正常燃烧所需的蓄热床料,燃烧后产生的生物质飞灰较硬,容易磨损锅炉受热面,并且灰渣混入了石英砂等床料很难加以综合利用。此外,为了维持一定的流化床床温,锅炉的耗电量较大,运行费用也相对较高。
采用层燃技术开发生物质能,锅炉结构简单、操作方便、投资与运行费用都相对较低。由于锅炉的炉排面积较大,炉排速度可以调整,并且炉膛容积有足够的悬浮空间,能延长生物质在炉内燃烧的停留时间,有利于生物质燃料的充分完全燃烧。但生物质燃料的挥发分析出速度很快,燃烧时需要补充大量的空气,如不及时将燃料与空气充分混合,会造成空气供给量不足,难以保证生物质燃料地充分燃烧,从而影响锅炉的燃烧效率。
在垃圾焚烧技术方面,城市生活垃圾的水分较多、热值偏低,其组成成分和热值高低随地区、季节的变化而变化,导致垃圾焚烧时不易着火、燃烧和燃烬困难。此外,由于受到经济发展、生活水平以及城市管理等因素的影响,我国城市生活垃圾的成分和热值与发达国家相比存在着较大的差异,直接采用国外的焚烧设备处理我国的城市生活垃圾,无法取得较好的运行效果。因此,在借鉴国外先进技术和运行经验的基础上,应大力加强我国城市生活垃圾焚烧技术的研究,开
发研制出符合我国国情的垃圾焚烧设备。
鉴于生物质层燃技术在某些生物质燃烧中存在的问题,根据酒糟的燃烧特性,设计研制出燃酒糟锅炉。该锅炉采用了层燃与室燃相结合的燃烧方式,酒糟在炉内下落过程中逐步加热干燥,挥发分逐步析出,在炉膛空间悬浮燃烧,较难燃尽的固定碳落在炉排上继续燃烧,燃烧后灰渣还可作为橡胶工业的添加剂原料。因此,该项技术同时实现了节能、环保以及灰渣的综合利用,还适用于其它生物质废弃物的回收利用,收到了良好的社会和经济效益。
4 结论
通过分析比较生物质直接燃烧技术的发展现状,可以得出以下结论:
(1) 生物质的种类繁杂,不同种类生物质之间外貌、组分、物性和燃烧性能千差万别,不可能找到一种统一的燃烧方式,以实现其资源化利用;
(2) 应根据不同种类生物质燃料的燃烧特性,开发不同类型的燃烧技术,并研制相应的燃烧设备,有利于提高生物质燃料的燃烧效率;
(3) 目前,关于生物质燃烧设备空气动力场的研究较少。因此,需要加强生物质燃烧设备空气动力场的理论分析和试验研究,为生物质燃烧设备的优化设计与高效运行提供科学的参考依据。
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范文四:生物质燃烧技术综述
第 41卷第 1期 2007年 1月
生 物 质 化 学 工 程 B i omass Chem ical Engineering
Vol . 41No . 1Jan . 2007
综 述
生 物 质 燃 烧 技 术 综 述
收稿日期 :2006-08-03
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50428605) 作者简介 :马文超 (1982-) , 女 , 黑龙江鹤岗人 , 硕士 , 从事生物质 (包括城市生活垃圾 ) 转化利用方面的研究工作 3通讯作者 :陈冠益 , 教授 , 博士生导师 , 从事清洁能源的开发利用工作 ; 联系电话 :022-87401929; E 2ma il:chen@tju . edu . cn 。
马文超 , 陈冠益 3
, 颜蓓蓓 , 胡艳军
(天津大学 环境科学与工程学院 , 天津 300072)
摘 要 :利用清洁 、 可再生生物质能源燃烧发电技术日益受关注 。 本文介绍了生物质燃料特性 、 利用情况 、 当今主流燃烧 技术及生物质燃烧发电概况及遇到的问题 , 同时还对生物质与煤混烧技术及城市生活垃圾焚烧发电作了简单介绍 。 关键词 :生物质 ; 生活垃圾 ; 燃烧技术 ; 流化床 ; 发电
中图分类号 :T Q91; T Q517 文献标识码 :A 文章编号 :1673-5854(2007) 01-0043-06
Revie w on Bi o mass Co on MA W en 2chao, CHE N 2HU (Faculty of Envir and Tianjin 300072, China )
Abstract:of on r fr om clean and rene wable bi omass res ource is being given more and more attenti on . bi fuels, utilizati on, the current mainstrea m combusti on technol ogy, power generati on by bi omass combusti and s ome technical p r oble m s were intr oduced . The co 2combusti on technol ogy of bi omass with coal and urban domestic garbage combusti on f or power generati on were als o intr oduced si m p ly .
Key words:bi omass; domestic garbage; combusti on technol ogy; fluidized bed; power generati on
生物质是一种分布广 、 资源量丰富的清洁可 再生资源 , 其能源化利用过程可导致 CO 2零排 放 , 因此生物质能的研究与开发日益受到各国政 府 、 专家 、 工业界的关注 。 目前生物质能的主要开 发利用技术包括生物质的固化 、 气化 、 液化以及燃 烧技术 , 其能源产品包括成型固体燃料 、 炊事燃 气 、 液体燃料 (生物油 、 柴油 、 汽油等 ) 、 电 、 热 (或 暖气 ) 。 生物质因具有挥发分高 、 炭活性高 , N 、 S 含量低 (含 N 量 0. 5%~3%、 含 S 量 一 般 仅 0. 1%~0. 5%) , 灰分低 , 生命周期内燃烧过程 CO 2零排放等特点 , 特别适合燃烧转化利用 , 是一
种优质燃料
[1]
。 在我国 , 发展生物质燃烧技术既
能缓解温室效应 , 又能充分利用废弃生物质资源 , 改善或提高农民的生活条件 , 而且对现有的燃烧 设备不需作较大改动 , 因此具有明显的社会意义 与经济意义 , 符合我国现阶段国情和生物质开发 利用水平 。
1 生物质资源量及国内外利用情况
生物质 (bi omass ) 是指有机物中除化石燃料 外的所有来源于动 、 植物能再生的物质 。生物质 能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作 用 , 把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物
体内的能量 。生物质包括林木废弃物 (木块 、 木 片 、 木屑 、 树枝等 ) 、 农业废弃物 、 水生植物 、 油料 植物 、 有机物加工废料 、 人畜粪便及城市生活垃圾 等 。 生物质资源量巨大 , 年产量约 1460亿吨 。 我国每年仅农作物秸秆 (稻秆 、 麦秆 、 玉米秆等 ) 产量可达 7. 5亿吨 , 人畜粪便 3. 8亿吨 , 薪柴年产
量 (包括木材砍伐的废弃物 ) 约为 1. 7亿吨 [2]
, 农 业加工残余物 (稻壳 、 蔗渣等 ) 约为 0. 84亿吨 , 城 市生活垃圾污水中的有机物约为 0. 56亿吨 , 还有 工业排放的大量有机废料 、 废渣 , 每年生物质资源 总量折合成标准煤约 2~4亿吨
[3]
。如果包括生
44 生 物 质 化 学 工 程 第 41卷
活垃圾 , 则资源量更大 。
自 1992年世界环境与发展大会后 , 欧美国家 开始大力发展生物质能。 欧盟规划 2010年可再生 能源比例达 12%, 每年可替代 2000万吨石油 , 其 中成本较低的生物质能约占 80%。 美国 1999年 明确提出规划到 2010年生物制品及生物质能的产 量将为当时水平的 3倍 , 生物质能比达 10%。 由 此可见 , 生物质能在一些发达国家应用较为广泛。 相对而言 , 我国在生物质能现代化利用方面的成功 例子很少 , 相应的开发研究急需加强。 在众多的转
化利用技术中 , 生物质燃烧技术无疑是最简便可行 的高效利用生物质资源的方式之一。
2 生物质燃料的基本特性
2. 1 生物质基本成分
生物质燃料中易燃部分主要是纤维素 、 半纤 维素 、 木质素 。 燃烧时纤维素 、 半纤维素和木质素 首先放出挥发分物质 , 最后转变成炭 。几种典型
的生物质组成成分见表 1[4]
。
表 1 典型生物质的组成成分
Table 1 The compositi on of s ome typ ical omass
生物质
bi omass
工业分析 industurial analysis/%固定炭
fixed carbon 挥发分
volatile
灰分
ash 水分
ment 碳
O S /(kJ ? kg -1)
high heat value
麦秆 wheat stalk
16. 65
1. 855. 720. 280. 08
15834
废木 waste wood
00合欢花 albizzia 207. 40. 887. 2544. 780. 02稻壳 rice husk
51. 926. 0035. 345. 4335. 361. 770. 09
13380向日葵壳 sun 28869. 131. 889. 1145. 624. 4238. 210. 5717368棉花秆 cott on 16. 8973. 003. 186. 9344. 907. 5035. 471. 2018400咖啡壳 coffee shell 22. 7462. 874. 409. 9940. 623. 7439. 151. 520. 1417140橄榄叶 olive leaf
11. 96
46.
30
5.
34
36.
40
30.
02
3. 82
23.
34
0. 89
0. 19
12200
2. 2 燃烧特性
试验研究发现生物质挥发物的燃烧效率比炭
化物质快 。 燃料着火前为吸热反应 ; 到着火温度
以后 , 生成气相燃烧火焰和固相表面燃烧的光辉 火焰 , 为放热反应 。具体的燃烧性能见表 2[5]
。
部分生物质燃烧特性曲线如图 1~图 2所示 。
表 2 生物质燃料燃烧性能
Table 2 Combusti on characteristics of bi omass
生物质
bi omass
升温速度 /(℃ ? m in -1)
te mperature raising
rate
初始燃烧温度 /℃
beginning te mperature
燃烧峰温度 /℃
peak te mperature
燃烧末温度 /℃
end te mperature
燃烧峰速率 /(mg ? m in -
1? mg -1)
peak vel ocity 红松 p inus koraiensis 15414488507
0. 0463
烟秆 t obacco stem s 153674100. 1142稻壳 rice husk 153864470. 0587蔗渣 bagasse 15398478515玉米芯 corn cob
153844475080. 0737糠醛渣 furfural residue
15
399
449
506
0. 0556
图 1 树枝的燃烧特性曲线 [6]
Fig . 1 Combusti on curves of branch (TG 2DT A )
图 2 稻壳的燃烧特性曲线
Fig . 2 Combusti on curves of rice husk (TG 2DT A )
第 1期 马文超 , 等 :生物质燃烧技术简述 45
3 生物质燃烧技术及发电
3. 1 工业锅炉燃烧技术
目前开发适用于各种工业锅炉生物质燃烧技 术 , 是生物质能有效利用的重要途径 。下面主要 介绍几种传统的锅炉燃烧技术和新兴的流化床燃 烧技术 。
3. 1. 1 传统的锅炉技术 传统的层燃技术是指 生物质燃料铺在炉排上形成层状 , 与一次配风相 混合 , 逐步地进行干燥 、 热解 、 燃烧及还原过程 , 可 燃气体与二次配风在炉排上方的空间充分混合燃 烧 , 可分为炉排式和下饲式 。
炉排式 :炉排形式种类较多 , 包括固定床 、 移 动炉排 、 旋转炉排和振动炉排等 , 可适于含水率较 高 ,
质燃料 ,
率小于 ,
,
排 。 由于秸秆的灰熔点较低 , 通过水冷炉墙或烟 气循环的方式来控制燃烧室的温度 , 使其不超过 900℃ [7]。 国内生活垃圾发电厂几乎都采用这种 炉型燃烧 。
下饲式 :作为一种简单廉价的技术 , 广泛的应 用于中 、 小型系统 , 燃料通过螺旋给料器从下部送 至燃烧室 , 简单 、 易于操作控制 , 适用于含灰量较 低和颗粒尺寸较小的生物质燃料 。
3. 1. 2 流化床燃烧技术 20世纪 80年代初兴 起的循环流化床燃烧技术 , 具有燃烧效率高 、 有害 气体排放易控制 、 热容量大等一系列优点 。流化 床锅炉适合燃用各种水分大 、 热值低的生物质 , 具 有较广的燃料适应性 ; 燃烧生物质流化床锅炉是 大规模高效利用生物废料最有前途的技术之一 。 根据生物质原料的不同特点 , 分为鼓泡流化床技 术 (BF B ) 和循环流化床技术 (CF B ) 。
鉴于流化床锅炉的上述优点 , 西方发达国家 早已采用流化床燃烧技术利用生物质能 。美国 、 瑞典 、 德国 、 丹麦等工业化国家生物质能利用技术 已居世界领先地位 。国内哈尔滨工业大学早在 1991年就进行了生物质燃料的流化床燃烧技术 研究 ; 浙江大学提出了用于不同规模 、 各种炉型的 生物质燃烧系统的生物质利用转化方案 。另外 , 为了提高生物质在小型燃烧装置上的利用效率 , 浙江大学还致力于成型燃烧技术和流化床混烧技 术的研究 。
浙江大学陈冠益等 [8]设计了一台 35t/h 稻壳 流化床锅炉 , 并给出了稻壳在流化床燃烧时流化 、 混合和着火特性的研究结果 , 具体如图 3~图 4所示 。 阎常峰等 [9]设计了变截面管式布风流化 床用以研究不同颗粒粒度 、 不同床层高度 、 不同截 面流速 、 布风的均匀性以及非平衡布风时颗粒的 流化特性 , 为测试燃烧所需物料的流化特性对焚 烧的着火 、 气化 、 稳定燃烧及污染物生成特性提供 基础数据 。 A r mest oa 等 [10]分析比较了循环流化 。
主要
图 3 稻壳 、 石英砂和煤混合的流化特性曲线
Fig . 3 The fluidized curves of rice husk, sand and coal
blends
图 4 稻壳 、 石英砂和煤混合后的稻壳质量分布 Fig . 4 R ice husk mass distributi on in blends of rice husk, sands and coal
结论有 :1) CF B 技术较 BF B 技术有相对较高的 燃烧效率 ; 2) CF B 技术 CO
2
、 CO 排放较 BF B 技术 降低 5%~10%; 3) 提高生物质的份额有助于提 高燃烧份额和减少环境污染 ; 此外 , 也研究了温 度 、 流化速度对生物质燃烧效率的影响以及 CO 的排放情况 , 并收集了焚烧炉 、 旋风分离器以及布 袋除尘器的底灰 , 对其物理成分进行了分析 。加
46 生 物 质 化 学 工 程 第 41卷
拿大 McCann 在对生物质鼓泡流化床焚烧炉设计 回顾时 , 评述了法国和北美制造的典型生物质鼓 泡流化床锅炉典型设计参数 , 水分和灰分的影响 , 污染气体的排放 , 并分析比较了鼓泡流化床和传 统炉排炉的优缺点 。 3. 2 生物质与煤混烧技术 将生物质如木材或农林废弃物与煤混合燃 烧 , 既可将废物高效利用 , 又能降低 NO X 的排放 。 因为生物质的含氮量比煤少 , 而且水分使燃烧过
程冷却 , 减少了 NO X 的热形成 。 同时由于生物质 的活性强 , 和煤混烧显示出良好的协同性 。目前 生物质与煤混燃技术在欧洲和美国利用较多 , 是 研究的热点之一 。
中国矿业大学的闵凡飞 、 张明旭等 [11]
对生物 质和煤混合燃烧过程进行了仔细的研究 。 根据燃 烧过程 , 得出了生物质和煤的混合燃烧特性曲线 如图 5所示
。
5 生物质和煤混合燃料燃烧曲线特征参数示意图
Fig . 5 Combusti on curves of bi omass and coal blends
美国得克萨斯大学的 Sa m i [12]
综述了生物质
与煤混烧的特性 , 混烧时 NO X 、 S O X 排放量较低 , 并有效地降低了 CO 2的排放量 。此外 , 混烧还能 降低燃料消耗 、 减少化学组分对水和土壤的污染 。 同时也提出了有待解决的问题 :1) 含碱的生物质 灰处理须引起高度注意 ; 2) 在焚烧炉内燃烧的生 物质最大粒径尺寸需要进一步研究 ; 3) 现有的给 料器系统需要重新组装 , 因为生物质燃料相对于
煤的热值较低 , 为达到同热量供给 , 需提高给料器 的传递速率 。
黑龙江新兴选煤厂的张云利等 [13]
作了生物 质与煤混烧不同比例对燃烧速度的影响试验 。 选 用 15%~40%锯末无烟型煤 , 在 850℃的马弗 炉中 , 全开门燃烧时 , 测出在不同燃烧阶段的平均 燃烧速率 , 试验数据见表 3。
表 3 生物质含量对燃烧速率的影响 1
)
Table 3 The influence of bi omass content in blends on the combusti on vel ocity
燃烧时间 /min
burning ti m e 燃烧温度 /℃
burning
temperature
15%的锯末 sa wdust
dm rdm vdm 20%的锯末 sa wdust
dm rdm vdm 30%的锯末 sawdust dm rdm vdm 40%的锯末 sa wdust
dm rdm vdm 0~256352. 1123. 280. 0863. 6138. 200. 1443. 7337. 960. 1494. 0039. 810. 16033~437390. 495. 130. 0490. 535. 610. 0530. 555. 590. 0550. 545. 370. 05452~628210. 394. 660. 0430. 505. 290. 0500. 505. 090. 0500. 494. 880. 04972~828830. 384. 220. 0390. 424. 440. 0420. 414. 170. 0410. 414. 080. 04192~1029180. 29
4. 110. 0380. 404. 230. 0400. 383. 870. 0380. 363. 580. 036112~122
878
3. 14
0. 029
0. 30
3. 17
0. 030
0. 28
2. 85
0. 028
0. 29
2. 89
0. 029
1) dm:锯末型煤燃烧量 , 在某段时间内型煤燃烧和挥发质量 , g, burned content of m ixture of bi omass and coal . Combustible and volatile weight of m ixture in the certain ti m e, g; rdm:可燃物相对燃烧速率 , 在某段时间内型煤燃烧和挥发物质量相对于可燃物和挥发物的质量百分 数 , %; relative burning rate of m ixture, relative percent of combustible and volatile weight in the m ixture compared with the t otal combustible and volatile weight in the certain ti m e, %; vdm:平均燃烧速率 , 在某段时间内单位时间内型煤燃烧和挥发的物质量 , 单位为 g/min; burning rate of m ixture, combustible and volatile weight of m ixture per unit ti m e, g/min .
3. 3 生物质燃烧发电
生物质直燃发电技术由于其成本低 , 利用量 大 , 一直被各国重视 。 在我国 , 直燃生物质发电技
术主要在有稳定生物质原料来源的制糖厂和林木
加工企业使用较多 。英国 Fibr owatt 电站的 3台 额定负荷为 12. 7、 13. 5和 38. 5MW 的锅炉 , 每年
第 1期 马文超 , 等 :生物质燃烧技术简述 47
直 接 使 用 750000t 的 家 禽 粪 , 发 电 量 足 够 100000个家庭使用 ; 并且禽粪经燃烧后重量减轻 90%, 便于运输 , 作为一种肥料在全英 、 中东及远 东地区销售 [14]。
由于生物质中含有大量的水分 (有时高达 60%~70%) , 在燃烧过程中大量的热量以汽化 潜热的形式被烟气带走排入大气 , 燃烧效率低 , 浪 费了大量的能量 。 为了克服单燃生物质发电的缺 点 , 当今使用较多的是利用大型电厂的设备 , 将生 物质与煤混燃发电 。 大型电厂混燃发电能够克服 生物质原料供应波动的影响 , 在原料供应充足时 进行混燃 , 在原料供应不足时单燃煤 。利用大型 电厂混燃发电 , 无需或只需对设备进行很小的改 造 , 能够利用大型电厂的规模经济 , 热效率高 。
技术 (CHP ) ,
术 。 CHP 40但是 它有 80%
, 使生物质在提供高品 位电能的同时 , 满足供热的需求 。丹麦政府已明 令电力行业必须每年焚烧 140万吨生物质 , 一般 是在流化床炉上混烧或在炉排炉上全烧稻杆 。 美国的生物质燃烧发电工作比较先进 , 相关 的生物质发电站有 350多座 , 发电装机总容量达 700MW , 提供了大约 6. 6万个工作岗位 , 据有关 科学 家 估 计 , 到 2010年 生 物 质 发 电 将 达 到 13000MW 装机容量 , 可安排 17万多就业人员 。 2002年日本提出计划 2010年生物质能发电达 330MW 。 我国 “ 十五 ” 国家科技攻关计划提出要 推广建成 MW 级电站 10座以上 , 发电成本在 0. 25元 /k W h 左右 [15]。
3. 4 城市生活垃圾焚烧发电
上述所探讨的主要是以木质素及农林废弃物 为主的生物质 , 城市生活垃圾作为生物质的一种 , 因其组成的复杂性和特殊性 , 在此单独考虑解决 方法 。
全球每年新增生活垃圾 100多亿吨 , 我国垃 圾产量已达 1. 4亿吨 /年 , 并以每年 8%~10%的速度递增 , 因此解决垃圾问题刻不容缓 。燃烧 技术能达到很好的减容 、 减量目的 , 并可将其产生 的能量用于发电 , 因此成为处理城市生活垃圾的 主要方法之一 。
中科院广州能源所的赵松等 [16]对垃圾衍生 燃料 (RDF ) 在流 化床 中不同 工况 下的污 染物 NO X 生成进 行了 实验 研究 , 结果表 明 :污 染 物 NO X 的产生与 RDF 本身的成分组成 、 燃烧温度 、 过量空气系数 、 二次风有密切联系 ; 二次风的通入 和过量空气系数保持在 1. 1都能降低 NO
X
的产 生 。
浙大的金余其等 [17]在电加热流化床炉中研 究了典型垃圾可着火组分挥发分析出及焦炭燃烧 特性 , 并考察了水分 、 床温等因素对燃烧的影响 , 同时还研究了垃圾中高水分组分的焚烧特点 。 研 究表明聚合物类废弃物挥发分析出质量速率要比 生物质类废弃物快 ,
;
, 但可 ;
; 高水分组分焚烧时 不产生明显火焰 , 近似一个水球蒸发 , 焚烧时间与 等效表面积 、 体积直径成正比 。
4 生物质燃烧过程中的问题
在生物质燃烧过程中 , 因生物质含有较多的 水分和碱性金属物质 (尤其是农作物秸秆 ) , 燃烧 时易引起积灰结渣损坏燃烧床 , 还可能发生烧结 现象 。 烧结与温度 、 流化风速和气氛有关 , 但是温 度是影响烧结的最主要因素 。 稻草的烧结温度在 680℃ , 玉米秆的烧结温度在 740℃ , 高粱秆的烧 结温度在 680℃ 。随着温度的升高 , 烧结块尺寸 增大 , 数量增多 , 硬度增强 [18]。此外 , 生物质在燃 烧开始时期 , 挥发分释出迅速 , 可能造成燃烧的揣 动和间断 。
加拿大的 Ergudenler 等 [19]对麦秆气化的烧 结现象进行了试验研究 , 得出除温度外 , 风量也对 烧结有影响 。 美国加利福尼亚大学的 Sal our [20]对 稻草烧结现象进行了研究 , 着重分析了灰含量对 烧结产生的影响 。 哈尔滨工业大学的杨励丹研究 了稻草 、 玉米秆 、 高粱秆在燃烧时 , 床料温度 、 灰含 量 、 停留时间对烧结的影响 。停留时间的影响主 要表现在结块的硬度和尺寸上 。 Sugita 等 [21]研究 了稻壳灰活性与其煅烧温度之间的关系以及工程 上的可行性 , 并提出了一种制备高活性稻壳灰的 新方法 — — — 两段煅烧法 , 以避免烧结 。
为防止积灰结渣 、 烧结腐蚀问题发生 , 可以考 虑如下措施 [22]:可将生物质原料与煤炭或泥炭混
48
生 物 质 化 学 工 程 第 41卷
合燃烧 , 后者比例不小于 30%; 管道材料要使用 具有抗腐蚀功能的富铬钢材或者镀铬 ; 尽可能使 用较低的蒸汽温度 ; 如有可能 , 使用淋溶过的生物 质原料 , 如农作物收割后置于田间 , 经过雨淋和风 干后再使用 。
目前 , 主要的燃烧床床料有 A l
2
O 3、 Fe 2O 3, 尤
其是 Fe
2
O 3比 Si O 2、 A l 2O 3更易与碱金属氧化物 、 盐反 应 。南 斯 拉 夫 的 Boristav 等 [23]比 较 了 Fe 2O 3、 Si O 2、 A l 2O 3三 种 物 质 作 床 料 的 效 果 。 Bapat 等也着重报道了如何降低和克服床料凝结 、 床壁间 、 过热器管结渣以及受热面结垢的方法 。 提出的尝试方法有 :1) 采用其他替代物质如白云 石 、 长石 、 菱镁土及石灰石等作床料 ; 2) 采用添加 剂 ; 3) 混入煤或褐煤等其他燃料 。
5
近
, 无论技术层 面还是应用层面仍有很大差距 。 为进一步促进我 国生物质能产业的发展 , 建议政府的有关部门制 定优惠政策 , 研究经济高效的燃烧技术 , 促进建立 生物质燃料收集 、 预处理和配送体系 , 鼓励建设和 使用生物质发电系统 , 即与煤混合燃烧发电系统 , 这将对我国社会经济和环境持续协调发展起到重 大深远的影响 。我们相信由于生物质的可再生 性 、 环境友好性及对全球气候异常的抑制作用 , 大 力发展生物质能利用及燃烧发电技术前景良好且 意义重大 。
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范文五:生物质燃烧技术综述
生物质燃烧技术综述
摘要:利用清洁、可再生生物质能源燃烧发电技术日益受关注。本文介绍了生物质燃料特性、利用情况、当今主流燃烧技术及生物质燃烧发电概况及遇到的问题,同时还对生物质与煤混烧技术及城市生活垃圾焚烧发电作了简单介绍。
生物质是一种分布广、资源
量丰富的清洁可再生资源,其能源化利用过程可导致CO2
零排放,因此生物质能的研究与开发日益受到各国政府、专家、工业界的关注。目前生物质能的主要开发利用技术包括生物质的固化、气化、液化以及燃烧技术,其能源产品包括成型固体燃料、炊事燃气、液体燃料(生物油、柴油、汽油等)、电、热(或暖气)。生物质因具有挥发分高、炭活性高,N、S含量低(含N量0.5%~3%、含S量一般仅0.1%~0.5%),灰分低,生命周期内燃烧过程CO2
零排放等特点,特别适合燃烧转化利用,是一种优质燃料。在我国,发展生物质燃烧技术既能缓解温室效应,又能充分利用废弃生物质资源,改善或提高农民的生活条件,而且对现有的燃烧设备不需作较大改动,因此具有明显的社会意义与经济意义,符合我国现阶段国情和生物质开发利用水平。
1生物质资源量及国内外利用情况
生物质(biomass)是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物能再生的物质。生物质能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。生物质包括林木废弃物(木块、木片、木屑、树枝等)、农业废弃物、水生植物、油料植物、有机物加工废料、人畜粪便及城市生活垃圾等。生物质资源量巨大,年产量约1460亿吨。我国每年仅农作物秸秆(稻秆、麦秆、玉米秆等)产量可达7.5亿吨,人畜粪便3.8亿吨,薪柴年产量(包括木材砍伐的废弃物)约为1.7亿吨,农业加工残余物(稻壳、蔗渣等)约为0.84亿吨,城市生活垃圾污水中的有机物约为0.56亿吨,还有工业排放的大量有机废料、废渣,每年生物质资源总量折合成标准煤约2~4亿吨。如果包括生活垃圾,则资源量更大。
自1992年世界环境与发展大会后,欧美国家开始大力发展生物质能。欧盟规划2010年可再生能源比例达12%,每年可替代2000万吨石油,其中成本较低的生物质能约占80%。美国1999年明确提出规划到2010年生物制品及生物质能的产量将为当时水平的3倍,生物质能比达10%。由此可见,生物质能在一些发达国家应用较为广泛。相对而言,我国在生物质能现代化利用方面的成功例子很少,相应的开发研究急需加强。在众多的转化利用技术中,生物质燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。
2生物质燃料的基本特性
2.1生物质基本成分
生物质燃料中易燃部分主要是纤维素、半纤维素、木质素。燃烧时纤维素、半纤维素和木质素首先放出挥发分物质
,最后转变成炭。几种典型的生物质组成成分见表1。
2.2燃烧特性 试验研究发现生物质挥发物的燃烧效率比炭化物质快。
燃料着火前为吸热反应;到着火温度以后,生成气相燃烧火焰和固相表面燃烧的光辉火焰,为放热反应。具体的燃
烧性能见表2。部分生物质燃烧特性曲线如图1~图2所示。
3生物质燃烧技术及发电
3.1工业锅炉燃烧技术
目前开发适用于各种工业锅炉生物质燃烧技术,是生物质能有效利用的重要途径。下面主要介绍几种传统的锅炉燃烧技术和新兴的流化床燃烧技术。
3.1.1传统的锅炉技术
传统的层燃技术是指生物质燃料铺在炉排上形成层状,与一次配风相混合,逐步地进行干燥、热解、燃烧及还原过程,可燃气体与二次配风在炉排上方的空间充分混合燃烧,可分为炉排式和下饲式。
炉排式:炉排形式种类较多,包括固定床、移动炉排、旋转炉排和振动炉排等,可适于含水率较高,颗粒尺寸变化较大以及水分含量较高的生物质燃料,具有较低的投资和操作成本,一般额定功率小于20MW。在丹麦,开发了一种专门燃烧已经打捆秸秆的燃烧炉,采用液压式活塞将一大捆的秸秆通过输送通道连续地输送至水冷的移动炉排。由于秸秆的灰熔点较低,通过水冷炉墙或烟气循环的方式来控制燃烧室的温度,使其不超过900℃。国内生活垃圾发电厂几乎都采用这种炉型燃烧。
下饲式:作为一种简单廉价的技术,广泛的应用于中、小型系统,燃料通过螺旋给料器从下部送至燃烧室,简单、易于操作控制,适用于含灰量较低和颗粒尺寸较小的生物质燃料。
3.1.2流化床燃烧技术
20世纪80年代初兴起的循环流化床燃烧技术,具有燃烧效率高、有害气体排放易控制、热容量大等一系列优点。流化床锅炉适合燃用各种水分大、热值低的生物质,具有较广的燃料适应性;燃烧生物质流化床锅炉是大规模高效利用生物废料最有前途的技术之一。根据生物质原料的不同特点,分为鼓泡流化床技术(BFB)和循环流化床技术(CFB)。
鉴于流化床锅炉的上述优点,西方发达国家早已采用流化床燃烧技术利用生物质能。美国、瑞典、德国、丹麦等工业化国家生物质能利用技术已居世界领先地位。国内哈尔滨工业大学早在1991年就进行了生物质燃料的流化床燃烧技术研究;浙江大学提出了用于不同规模、各种炉型的生物质燃烧系统的生物质利用转化方案。另外,为了提高生物质在小型燃烧装置上的利用效率,浙江大学还致力于成型燃烧技术和流化床混烧技术的研究。
浙江大学陈冠益等设计了一台35t/h稻壳流化床锅炉,并给出了稻壳在流化床燃烧时流化、混合和着火特性的研究结果,具体如图3~图4所示。阎常峰等设计了变截面管式布风流化床用以研究不同颗粒粒度、不同床层高度、不同截面流速、布风的均匀性以及非平衡布风时颗粒的流化特性,为测试燃烧所需物料的流化特性对焚烧的着火、气化、稳
定燃烧及污染物生成特性提供基础数据。Armestoa等分析比较了循环流化床和鼓泡流化床技术的特点及其适用场合。 主要结论有:1)CFB技术较BFB技术有
相对较高的燃烧效率;2)CFB技术CO2
、CO排放较BFB技术降低5%~10%;3)提高生物质的份额有助于提高燃烧份额和减少环境污染;此外,也研究了温度、流化速度对生物质燃烧效率的影响以及CO的排放情况,并收集了焚烧炉、旋风分离器以及布袋除尘器的底灰,对其物理成分进行了分析。加拿大McCann在对生物质鼓泡流化床焚烧炉设计回顾时,评述了法国和北美制造的典型生
物质鼓泡流化床锅炉典型设计参数,水分和灰分的影响,污染气体的排放,并分析比较了鼓泡流化床和传统炉排炉的优缺点。
3.2生物质与煤混烧技术
将生物质如木材或农林废弃物
与煤混合燃烧,既可将废物高效利用,又能降低NOX
的排放。因为生物质的含氮量比煤少,
而且水分使燃烧过程冷却,减少了NOX
的热形成。同时由于生物质的活性强,和煤混烧显示出良好的协同性。目前生物质与煤混燃技术在欧洲和美国利用较多,是研究的热点之一。
中国矿业大学的闵凡飞、张明旭等对生物质和煤混合燃烧过程进行了仔细的研究。根据燃烧过程,得出了生物质和
煤的混合燃烧特性曲线如图5所示。
美国得克萨斯大学的Sami综述了生物质与煤
混烧的特性,混烧时NOX 、SOX 排放量较低,并有效地降低了CO2
的排放量。此外,混烧还能降低燃料消耗、减少化学组分对水和土壤的污染。同时也提出了有待解决的问题:1)含碱的生物质灰处理须引起高度注意;2)在焚烧炉内燃烧的生物质最大粒径尺寸需要进一步研究;3)现有的给料器系统需要重新组装,因为生物质燃料相对于煤的热值较低,为达到同热量供给,需提高给料器的传递速率。
黑龙江新兴选煤厂的张云利等作了生物质与煤混烧不同比例对燃烧速度的影响试验。选用15%~40%锯末无烟型煤
,在850℃的马弗炉中,全开门燃烧时,测出在不同燃烧阶段的平均燃烧速率,试验数据见表3。 3.3生物质燃烧发电
生物质直燃发电技术由于其成本低,利用量大,一直被各国重视。在我国,直燃生物质发电技术主要在有稳定生物质原料来源的制糖厂和林木加工企业使用较多。英国Fibrowatt电站的3台额定负荷为12.7、13.5和38.5MW的锅炉,每年直接使用750000t的家禽粪,发电量足够100000个家庭使用;并且禽粪经燃烧后重量减轻90%,便于运输,作为一种肥料在全英、中东及远东地区销售。由于生物质中含有大量的水分(有时高达60%~70%),在燃烧过程中大量的热量以汽化潜热的形式被烟气带走排入大气,燃烧效率低,浪费了大量的能量。为了克服单燃生物质发电的缺点,当今使用较多的是利用大型电厂的设备,将生物质与煤混燃发电。大型电厂混燃发电能够克服生物质原料供应波动的影响,在原料供应充足时进行混燃,在原料供应不足时单燃煤。利用大型电厂混燃发电,无需或只需对设备进行很小的改造,能够利用大型电厂的规模经济,热效率高。
现在欧美一些国家都基本使用热电联合生产技术(CHP),锅炉设计基本全部采用流化床技术。CHP工艺中发电效率在30%~40%,但是它有80%的潜力可控。瑞典和丹麦实行利用生物质进行热电联产的计划,使生物质在提供高品位电能的同时,满足供热的需求。丹麦政府已明令电力行业必须每年焚烧140万吨生物质,一般是在流化床炉上混烧或在炉排炉上全烧稻杆。
美国的生物质燃烧发电工作比较先进,相关的生物质发电站有350多座,发电装机总容量达700MW,提供了大约6.6万个工作岗位,据有关科学家估计,到2010年生物质发电将达到13000MW装机容量,可安排17万多就业人员。2002年日本提出计划2010年生物质能发电达330MW。我国“十五”国家科技攻关计划提出要推广建成MW级电站10座以上,发电成本在0.25元/kWh左右。
3.4城市生活垃圾焚烧发电
上述所探讨的主要是以木质素及农林废弃物为主的生物质,城市生活垃圾作为生物质的一种,因其组成的复杂性和特殊性,在此单独考虑解决方法。
全球每年新增生活垃圾100多亿吨,我国垃圾产量已达1.4亿吨/年,并以每年8%~10%的速度递增,因此解决垃圾问题刻不容缓。燃烧技术能达到很好的减容、减量目的,并可将其产生的能量用于发电,因此成为处理城市生活垃圾的主要方法之一。
中科院广州能源所的赵松
等对垃圾衍生燃料(RDF)在流化床中不同工况下的污染物
NO X 生成进行了实验研究,结果表明:污染物NOX
的产生与RDF本身的成分组成、燃烧温度、过量空气系数、二次风有密切联系;二次风的通入和过量空气系数保持在
1.1都能降低NOX 的产生。
浙大的金余其等在电加热流化床炉中研究了典型垃圾可着火组分挥发分析出及焦炭燃烧特性,并考察了水分、床温等因素对燃烧的影响,同时还研究了垃圾中高水分组分的焚烧特点。研究表明聚合物类废弃物挥发分析出质量速率要比生物质类废弃物快,废弃物的挥发分析出速率要比煤快得多;挥发分析出时间随床温的升高而近指数降低,水分的增加会延迟挥发分的析出,但可加速焦炭的燃烧;生物质类废弃物焦炭的表观燃烧速率随直径的增大而减小;高水分组分焚烧时不产生明显火焰,近似一个水球蒸发,焚烧时间与等效表面积、体积直径成正比。
4生物质燃烧过程中的问题
在生物质燃烧过程中,因生物质含有较多的水分和碱性金属物质(尤其是农作物秸秆),燃烧时易引起积灰结渣损坏燃烧床,还可能发生烧结现象。烧结与温度、流化风速和气氛有关,但是温度是影响烧结的最主要因素。稻草的烧结温度在680℃,玉米秆的烧结温度在740℃,高粱秆的烧结温度在680℃。随着温度的升高,烧结块尺寸增大,数量增多,硬度增强。此外,生物质在燃烧开始时期,挥发分释出迅速,可能造成燃烧的揣动和间断。
加拿大的Ergudenler等对麦秆气化的烧结现象进行了试验研究,得出除温度外,风量也对烧结有影响。美国加利福尼亚大学的Salour对稻草烧结现象进行了研究,着重分析了灰含量对烧结产生的影响。哈尔滨工业大学的杨励丹研究了稻草、玉米秆、高粱秆在燃烧时,床料温度、灰含量、停留时间对烧结的影响。停留时间的影响主要表现在结块的硬度和尺寸上。Sugita等研究了稻壳灰活性与其煅烧温度之间的关系以及工程上的可行性,并提出了一种制备高活性稻壳灰的新方法———两段煅烧法,以避免烧结。
为防止积灰结渣、烧结腐蚀问题发生,可以考虑如下措施:可将生物质原料与煤炭或泥炭混合燃烧,后者比例不小于30%;管道材料要使用具有抗腐蚀功能的富铬钢材或者镀铬;尽可能使用较低的蒸汽温度;如有可能,使用淋溶过
的生物质原料,如农作物收割后置于田间,经过雨淋和风干后再使用。
目前,主要的燃烧床床料有Al2O 3、Fe2O 3,尤其是Fe2O 3比SiO2、Al2O 3
更易与碱金属氧化物、盐反应。南斯拉夫的Boristav等
比较了Fe2O 3、SiO2、Al2O 3
三种物质作床料的效果。Bapat等也着重报道了如何降低和克服床料凝结、床壁间、过热器管结渣以及受热面结垢的方法。提出的尝试方法有:1)采用其他替代物质如白云石、长石、菱镁土及石灰石等作床料;2)采用添加剂;3)混入煤或褐煤等其他燃料。
5生物质燃烧技术的发展趋势与展望
近20年来,我国在生物质能燃烧利用方面取得了长足的进步;但与发达国家相比,无论技术层面还是应用层面仍有很大差距。为进一步促进我国生物质能产业的发展,建议政府的有关部门制定优惠政策,研究经济高效的燃烧技术,促进建立生物质燃料收集、预处理和配送体系,鼓励建设和使用生物质发电系统,即与煤混合燃烧发电系统,这将对我国社会经济和环境持续协调发展起到重大深远的影响。我们相信由于生物质的可再生性、环境友好性及对全球气候异常的抑制作用,大力发展生物质能利用及燃烧发电技术前景良好且意义重大。(马文超,陈冠益3,颜蓓蓓,胡艳军天津大学环境科学与工程学院,天津300072)
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