生物質(zhì)燃燒技術(shù)綜述

摘要：利用清潔、可再生生物質(zhì)能源燃燒發(fā)電技術(shù)日益受關(guān)注。本文介紹了生物質(zhì)燃料特性、利用情況、當(dāng)今主流燃燒技術(shù)及生物質(zhì)燃燒發(fā)電概況及遇到的問(wèn)題，同時(shí)還對(duì)生物質(zhì)與煤混燒技術(shù)及城市生活垃圾焚燒發(fā)電作了簡(jiǎn)單介紹。 　　生物質(zhì)是一種分布廣、資源量豐富的清潔可再生資源，其能源化利用過(guò)程可導(dǎo)致CO2零排放，因此生物質(zhì)能的研究與開(kāi)發(fā)日益受到各國(guó)政府、專家、工業(yè)界的關(guān)注。目前生物質(zhì)能的主要開(kāi)發(fā)利用技術(shù)包括生物質(zhì)的固化、氣化、液化以及燃燒技術(shù)，其能源產(chǎn)品包括成型固體燃料、炊事燃?xì)?、液體燃料(生物油、柴油、汽油等)、電、熱(或暖氣)。生物質(zhì)因具有揮發(fā)分高、炭活性高，N、S含量低(含N量0.5%～3%、含S量一般僅0.1%～0.5%)，灰分低，生命周期內(nèi)燃燒過(guò)程CO2零排放等特點(diǎn)，特別適合燃燒轉(zhuǎn)化利用，是一種優(yōu)質(zhì)燃料。在我國(guó)，發(fā)展生物質(zhì)燃燒技術(shù)既能緩解溫室效應(yīng)，又能充分利用廢棄生物質(zhì)資源，改善或提高農(nóng)民的生活條件，而且對(duì)現(xiàn)有的燃燒設(shè)備不需作較大改動(dòng)，因此具有明顯的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)意義，符合我國(guó)現(xiàn)階段國(guó)情和生物質(zhì)開(kāi)發(fā)利用水平。 　　1生物質(zhì)資源量及國(guó)內(nèi)外利用情況 　　生物質(zhì)(biomass)是指有機(jī)物中除化石燃料外的所有來(lái)源于動(dòng)、植物能再生的物質(zhì)。生物質(zhì)能則是指直接或間接地通過(guò)綠色植物的光合作用，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和貯藏在生物體內(nèi)的能量。生物質(zhì)包括林木廢棄物(木塊、木片、木屑、樹(shù)枝等)、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物、有機(jī)物加工廢料、人畜糞便及城市生活垃圾等。生物質(zhì)資源量巨大，年產(chǎn)量約1460億噸。我國(guó)每年僅農(nóng)作物秸稈(稻稈、麥稈、玉米稈等)產(chǎn)量可達(dá)7.5億噸，人畜糞便3.8億噸，薪柴年產(chǎn)量(包括木材砍伐的廢棄物)約為1.7億噸，農(nóng)業(yè)加工殘余物(稻殼、蔗渣等)約為0.84億噸，城市生活垃圾污水中的有機(jī)物約為0.56億噸，還有工業(yè)排放的大量有機(jī)廢料、廢渣，每年生物質(zhì)資源總量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約2～4億噸。如果包括生活垃圾，則資源量更大。 　　自1992年世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)后，歐美國(guó)家開(kāi)始大力發(fā)展生物質(zhì)能。歐盟規(guī)劃2010年可再生能源比例達(dá)12%，每年可替代2000萬(wàn)噸石油，其中成本較低的生物質(zhì)能約占80%。美國(guó)1999年明確提出規(guī)劃到2010年生物制品及生物質(zhì)能的產(chǎn)量將為當(dāng)時(shí)水平的3倍，生物質(zhì)能比達(dá)10%。由此可見(jiàn)，生物質(zhì)能在一些發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較為廣泛。相對(duì)而言，我國(guó)在生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用方面的成功例子很少，相應(yīng)的開(kāi)發(fā)研究急需加強(qiáng)。在眾多的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)中，生物質(zhì)燃燒技術(shù)無(wú)疑是最簡(jiǎn)便可行的高效利用生物質(zhì)資源的方式之一。 　　2生物質(zhì)燃料的基本特性 　　2.1生物質(zhì)基本成分 　　生物質(zhì)燃料中易燃部分主要是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素。燃燒時(shí)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素首先放出揮發(fā)分物質(zhì)，最后轉(zhuǎn)變成炭。幾種典型的生物質(zhì)組成成分見(jiàn)表1。 　　2.2燃燒特性 　　試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)揮發(fā)物的燃燒效率比炭化物質(zhì)快。 　　燃料著火前為吸熱反應(yīng)；到著火溫度以后，生成氣相燃燒火焰和固相表面燃燒的光輝火焰，為放熱反應(yīng)。具體的燃燒性能見(jiàn)表2。部分生物質(zhì)燃燒特性曲線如圖1～圖2所示。 　　3生物質(zhì)燃燒技術(shù)及發(fā)電 　　3.1工業(yè)鍋爐燃燒技術(shù) 　　目前開(kāi)發(fā)適用于各種工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒技術(shù)，是生物質(zhì)能有效利用的重要途徑。下面主要介紹幾種傳統(tǒng)的鍋爐燃燒技術(shù)和新興的流化床燃燒技術(shù)。 　　3.1.1傳統(tǒng)的鍋爐技術(shù) 　　傳統(tǒng)的層燃技術(shù)是指生物質(zhì)燃料鋪在爐排上形成層狀，與一次配風(fēng)相混合，逐步地進(jìn)行干燥、熱解、燃燒及還原過(guò)程，可燃?xì)怏w與二次配風(fēng)在爐排上方的空間充分混合燃燒，可分為爐排式和下飼式。 　　爐排式：爐排形式種類較多，包括固定床、移動(dòng)爐排、旋轉(zhuǎn)爐排和振動(dòng)爐排等，可適于含水率較高，顆粒尺寸變化較大以及水分含量較高的生物質(zhì)燃料，具有較低的投資和操作成本，一般額定功率小于20MW。在丹麥，開(kāi)發(fā)了一種專門燃燒已經(jīng)打捆秸稈的燃燒爐，采用液壓式活塞將一大捆的秸稈通過(guò)輸送通道連續(xù)地輸送至水冷的移動(dòng)爐排。由于秸稈的灰熔點(diǎn)較低，通過(guò)水冷爐墻或煙氣循環(huán)的方式來(lái)控制燃燒室的溫度，使其不超過(guò)900℃。國(guó)內(nèi)生活垃圾發(fā)電廠幾乎都采用這種爐型燃燒。 　　下飼式：作為一種簡(jiǎn)單廉價(jià)的技術(shù)，廣泛的應(yīng)用于中、小型系統(tǒng)，燃料通過(guò)螺旋給料器從下部送至燃燒室，簡(jiǎn)單、易于操作控制，適用于含灰量較低和顆粒尺寸較小的生物質(zhì)燃料。 　　3.1.2流化床燃燒技術(shù) 　　20世紀(jì)80年代初興起的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，具有燃燒效率高、有害氣體排放易控制、熱容量大等一系列優(yōu)點(diǎn)。流化床鍋爐適合燃用各種水分大、熱值低的生物質(zhì)，具有較廣的燃料適應(yīng)性；燃燒生物質(zhì)流化床鍋爐是大規(guī)模高效利用生物廢料最有前途的技術(shù)之一。根據(jù)生物質(zhì)原料的不同特點(diǎn)，分為鼓泡流化床技術(shù)(BFB)和循環(huán)流化床技術(shù)(CFB)。 　　鑒于流化床鍋爐的上述優(yōu)點(diǎn)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家早已采用流化床燃燒技術(shù)利用生物質(zhì)能。美國(guó)、瑞典、德國(guó)、丹麥等工業(yè)化國(guó)家生物質(zhì)能利用技術(shù)已居世界領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)早在1991年就進(jìn)行了生物質(zhì)燃料的流化床燃燒技術(shù)研究；浙江大學(xué)提出了用于不同規(guī)模、各種爐型的生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)的生物質(zhì)利用轉(zhuǎn)化方案。另外，為了提高生物質(zhì)在小型燃燒裝置上的利用效率，浙江大學(xué)還致力于成型燃燒技術(shù)和流化床混燒技術(shù)的研究。 　　浙江大學(xué)陳冠益等設(shè)計(jì)了一臺(tái)35t/h稻殼流化床鍋爐，并給出了稻殼在流化床燃燒時(shí)流化、混合和著火特性的研究結(jié)果，具體如圖3～圖4所示。閻常峰等設(shè)計(jì)了變截面管式布風(fēng)流化床用以研究不同顆粒粒度、不同床層高度、不同截面流速、布風(fēng)的均勻性以及非平衡布風(fēng)時(shí)顆粒的流化特性，為測(cè)試燃燒所需物料的流化特性對(duì)焚燒的著火、氣化、穩(wěn)定燃燒及污染物生成特性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Armestoa等分析比較了循環(huán)流化床和鼓泡流化床技術(shù)的特點(diǎn)及其適用場(chǎng)合。 　　主要結(jié)論有：1)CFB技術(shù)較BFB技術(shù)有相對(duì)較高的燃燒效率；2)CFB技術(shù)CO2、CO排放較BFB技術(shù)降低5%～10%；3)提高生物質(zhì)的份額有助于提高燃燒份額和減少環(huán)境污染；此外，也研究了溫度、流化速度對(duì)生物質(zhì)燃燒效率的影響以及CO的排放情況，并收集了焚燒爐、旋風(fēng)分離器以及布袋除塵器的底灰，對(duì)其物理成分進(jìn)行了分析。加拿大McCann在對(duì)生物質(zhì)鼓泡流化床焚燒爐設(shè)計(jì)回顧時(shí)，評(píng)述了法國(guó)和北美制造的典型生物質(zhì)鼓泡流化床鍋爐典型設(shè)計(jì)參數(shù)，水分和灰分的影響，污染氣體的排放，并分析比較了鼓泡流化床和傳統(tǒng)爐排爐的優(yōu)缺點(diǎn)。 　　3.2生物質(zhì)與煤混燒技術(shù) 　　將生物質(zhì)如木材或農(nóng)林廢棄物與煤混合燃燒，既可將廢物高效利用，又能降低NOX的排放。因?yàn)樯镔|(zhì)的含氮量比煤少，而且水分使燃燒過(guò)程冷卻，減少了NOX的熱形成。同時(shí)由于生物質(zhì)的活性強(qiáng)，和煤混燒顯示出良好的協(xié)同性。目前生物質(zhì)與煤混燃技術(shù)在歐洲和美國(guó)利用較多，是研究的熱點(diǎn)之一。 　　中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的閔凡飛、張明旭等對(duì)生物質(zhì)和煤混合燃燒過(guò)程進(jìn)行了仔細(xì)的研究。根據(jù)燃燒過(guò)程，得出了生物質(zhì)和煤的混合燃燒特性曲線如圖5所示。 　　美國(guó)得克薩斯大學(xué)的Sami綜述了生物質(zhì)與煤混燒的特性，混燒時(shí)NOX、SOX排放量較低，并有效地降低了CO2的排放量。此外，混燒還能降低燃料消耗、減少化學(xué)組分對(duì)水和土壤的污染。同時(shí)也提出了有待解決的問(wèn)題：1)含堿的生物質(zhì)灰處理須引起高度注意；2)在焚燒爐內(nèi)燃燒的生物質(zhì)最大粒徑尺寸需要進(jìn)一步研究；3)現(xiàn)有的給料器系統(tǒng)需要重新組裝，因?yàn)樯镔|(zhì)燃料相對(duì)于煤的熱值較低，為達(dá)到同熱量供給，需提高給料器的傳遞速率。 　　黑龍江新興選煤廠的張?jiān)评茸髁松镔|(zhì)與煤混燒不同比例對(duì)燃燒速度的影響試驗(yàn)。選用15%～40%鋸末無(wú)煙型煤，在850℃的馬弗爐中，全開(kāi)門燃燒時(shí)，測(cè)出在不同燃燒階段的平均燃燒速率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。 　　3.3生物質(zhì)燃燒發(fā)電 　　生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)由于其成本低，利用量大，一直被各國(guó)重視。在我國(guó)，直燃生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要在有穩(wěn)定生物質(zhì)原料來(lái)源的制糖廠和林木加工企業(yè)使用較多。英國(guó)Fibrowatt電站的3臺(tái)額定負(fù)荷為12.7、13.5和38.5MW的鍋爐，每年直接使用750000t的家禽糞，發(fā)電量足夠100000個(gè)家庭使用；并且禽糞經(jīng)燃燒后重量減輕90%，便于運(yùn)輸，作為一種肥料在全英、中東及遠(yuǎn)東地區(qū)銷售。由于生物質(zhì)中含有大量的水分(有時(shí)高達(dá)60%～70%)，在燃燒過(guò)程中大量的熱量以汽化潛熱的形式被煙氣帶走排入大氣，燃燒效率低，浪費(fèi)了大量的能量。為了克服單燃生物質(zhì)發(fā)電的缺點(diǎn)，當(dāng)今使用較多的是利用大型電廠的設(shè)備，將生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電。大型電廠混燃發(fā)電能夠克服生物質(zhì)原料供應(yīng)波動(dòng)的影響，在原料供應(yīng)充足時(shí)進(jìn)行混燃，在原料供應(yīng)不足時(shí)單燃煤。利用大型電廠混燃發(fā)電，無(wú)需或只需對(duì)設(shè)備進(jìn)行很小的改造，能夠利用大型電廠的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，熱效率高。 　　現(xiàn)在歐美一些國(guó)家都基本使用熱電聯(lián)合生產(chǎn)技術(shù)(CHP)，鍋爐設(shè)計(jì)基本全部采用流化床技術(shù)。CHP工藝中發(fā)電效率在30%～40%，但是它有80%的潛力可控。瑞典和丹麥實(shí)行利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計(jì)劃，使生物質(zhì)在提供高品位電能的同時(shí)，滿足供熱的需求。丹麥政府已明令電力行業(yè)必須每年焚燒140萬(wàn)噸生物質(zhì)，一般是在流化床爐上混燒或在爐排爐上全燒稻桿。 　　美國(guó)的生物質(zhì)燃燒發(fā)電工作比較先進(jìn)，相關(guān)的生物質(zhì)發(fā)電站有350多座，發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)700MW，提供了大約6.6萬(wàn)個(gè)工作崗位，據(jù)有關(guān)科學(xué)家估計(jì)，到2010年生物質(zhì)發(fā)電將達(dá)到13000MW裝機(jī)容量，可安排17萬(wàn)多就業(yè)人員。2002年日本提出計(jì)劃2010年生物質(zhì)能發(fā)電達(dá)330MW。我國(guó)“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃提出要推廣建成MW級(jí)電站10座以上，發(fā)電成本在0.25元/kWh左右。 　　3.4城市生活垃圾焚燒發(fā)電 　　上述所探討的主要是以木質(zhì)素及農(nóng)林廢棄物為主的生物質(zhì)，城市生活垃圾作為生物質(zhì)的一種，因其組成的復(fù)雜性和特殊性，在此單獨(dú)考慮解決方法。 　　全球每年新增生活垃圾100多億噸，我國(guó)垃圾產(chǎn)量已達(dá)1.4億噸/年，并以每年8%～10%的速度遞增，因此解決垃圾問(wèn)題刻不容緩。燃燒技術(shù)能達(dá)到很好的減容、減量目的，并可將其產(chǎn)生的能量用于發(fā)電，因此成為處理城市生活垃圾的主要方法之一。 　　中科院廣州能源所的趙松等對(duì)垃圾衍生燃料(RDF)在流化床中不同工況下的污染物NOX生成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：污染物NOX的產(chǎn)生與RDF本身的成分組成、燃燒溫度、過(guò)量空氣系數(shù)、二次風(fēng)有密切聯(lián)系；二次風(fēng)的通入和過(guò)量空氣系數(shù)保持在1.1都能降低NOX的產(chǎn)生。 　　浙大的金余其等在電加熱流化床爐中研究了典型垃圾可著火組分揮發(fā)分析出及焦炭燃燒特性，并考察了水分、床溫等因素對(duì)燃燒的影響，同時(shí)還研究了垃圾中高水分組分的焚燒特點(diǎn)。研究表明聚合物類廢棄物揮發(fā)分析出質(zhì)量速率要比生物質(zhì)類廢棄物快，廢棄物的揮發(fā)分析出速率要比煤快得多；揮發(fā)分析出時(shí)間隨床溫的升高而近指數(shù)降低，水分的增加會(huì)延遲揮發(fā)分的析出，但可加速焦炭的燃燒；生物質(zhì)類廢棄物焦炭的表觀燃燒速率隨直徑的增大而減小；高水分組分焚燒時(shí)不產(chǎn)生明顯火焰，近似一個(gè)水球蒸發(fā)，焚燒時(shí)間與等效表面積、體積直徑成正比。 　　4生物質(zhì)燃燒過(guò)程中的問(wèn)題 　　在生物質(zhì)燃燒過(guò)程中，因生物質(zhì)含有較多的水分和堿性金屬物質(zhì)(尤其是農(nóng)作物秸稈)，燃燒時(shí)易引起積灰結(jié)渣損壞燃燒床，還可能發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象。燒結(jié)與溫度、流化風(fēng)速和氣氛有關(guān)，但是溫度是影響燒結(jié)的最主要因素。稻草的燒結(jié)溫度在680℃，玉米稈的燒結(jié)溫度在740℃，高粱稈的燒結(jié)溫度在680℃。隨著溫度的升高，燒結(jié)塊尺寸增大，數(shù)量增多，硬度增強(qiáng)。此外，生物質(zhì)在燃燒開(kāi)始時(shí)期，揮發(fā)分釋出迅速，可能造成燃燒的揣動(dòng)和間斷。 　　加拿大的Ergudenler等對(duì)麥稈氣化的燒結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出除溫度外，風(fēng)量也對(duì)燒結(jié)有影響。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Salour對(duì)稻草燒結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，著重分析了灰含量對(duì)燒結(jié)產(chǎn)生的影響。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊勵(lì)丹研究了稻草、玉米稈、高粱稈在燃燒時(shí)，床料溫度、灰含量、停留時(shí)間對(duì)燒結(jié)的影響。停留時(shí)間的影響主要表現(xiàn)在結(jié)塊的硬度和尺寸上。Sugita等研究了稻殼灰活性與其煅燒溫度之間的關(guān)系以及工程上的可行性，并提出了一種制備高活性稻殼灰的新方法———兩段煅燒法，以避免燒結(jié)。 　　為防止積灰結(jié)渣、燒結(jié)腐蝕問(wèn)題發(fā)生，可以考慮如下措施：可將生物質(zhì)原料與煤炭或泥炭混合燃燒，后者比例不小于30%；管道材料要使用具有抗腐蝕功能的富鉻鋼材或者鍍鉻；盡可能使用較低的蒸汽溫度；如有可能，使用淋溶過(guò)的生物質(zhì)原料，如農(nóng)作物收割后置于田間，經(jīng)過(guò)雨淋和風(fēng)干后再使用。 　　目前，主要的燃燒床床料有Al2O3、Fe2O3，尤其是Fe2O3比SiO2、Al2O3更易與堿金屬氧化物、鹽反應(yīng)。南斯拉夫的Boristav等比較了Fe2O3、SiO2、Al2O3三種物質(zhì)作床料的效果。Bapat等也著重報(bào)道了如何降低和克服床料凝結(jié)、床壁間、過(guò)熱器管結(jié)渣以及受熱面結(jié)垢的方法。提出的嘗試方法有：1)采用其他替代物質(zhì)如白云石、長(zhǎng)石、菱鎂土及石灰石等作床料；2)采用添加劑；3)混入煤或褐煤等其他燃料。 　　5生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與展望 　　近20年來(lái)，我國(guó)在生物質(zhì)能燃燒利用方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步；但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，無(wú)論技術(shù)層面還是應(yīng)用層面仍有很大差距。為進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建議政府的有關(guān)部門制定優(yōu)惠政策，研究經(jīng)濟(jì)高效的燃燒技術(shù)，促進(jìn)建立生物質(zhì)燃料收集、預(yù)處理和配送體系，鼓勵(lì)建設(shè)和使用生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)，即與煤混合燃燒發(fā)電系統(tǒng)，這將對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展起到重大深遠(yuǎn)的影響。我們相信由于生物質(zhì)的可再生性、環(huán)境友好性及對(duì)全球氣候異常的抑制作用，大力發(fā)展生物質(zhì)能利用及燃燒發(fā)電技術(shù)前景良好且意義重大。(馬文超，陳冠益3，顏蓓蓓，胡艷軍　天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)