生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展研究

（張 明，袁益超，劉聿拯(上海理工大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093;)  　　摘要:隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，人們不斷致力于開發(fā)研究低污染、可再生的新能源。在眾多的可再生能源中，生物質(zhì)能是一種儲(chǔ)量豐富、清潔方便的綠色可再生能源，具有極大的開發(fā)潛力。為了大力開發(fā)利用生物質(zhì)資源，分析比較了國內(nèi)外生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出應(yīng)根據(jù)生物質(zhì)燃料的燃燒特性，開發(fā)相應(yīng)的燃燒技術(shù)和燃燒設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的大規(guī)模集中高效利用。 　　眾所周知，人類的生存和發(fā)展離不開能源。隨著世界能源需求量的迅猛增長，以煤、石油、天然氣為代表的常規(guī)能源將最終被開采殆盡，同時(shí)大量使用這些化石燃料會(huì)導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。因此，大力提高能源的利用效率，以高新技術(shù)開發(fā)低污染、可再生的新能源，逐步取代石油、煤、天然氣等不可再生能源，是解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的重要途徑。在眾多的可再生能源中，生物質(zhì)能以其資源儲(chǔ)量豐富、清潔方便和可再生的特點(diǎn)，具有極大的開發(fā)潛力。  　　生物質(zhì)能是指綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲(chǔ)存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量，其主要來源是：農(nóng)林廢棄物、工業(yè)廢水和廢渣、城市生活垃圾以及人畜糞便等。目前，生物質(zhì)的開發(fā)利用技術(shù)主要包括生物質(zhì)的固化、氣化、液化，以及生物質(zhì)直接燃燒。國外許多國家都相繼制定了各自的生物質(zhì)能源研究開發(fā)計(jì)劃[1~3]，如美國的能源農(nóng)場、日本的陽光計(jì)劃、巴西的酒精能源計(jì)劃以及印度的綠色能源工程等。就我國的基本國情和生物質(zhì)利用開發(fā)水平而言，生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)無疑是最簡便可行的高效利用生物質(zhì)資源的方式之一。 　　1生物質(zhì)燃料的燃燒特性 　　研究生物質(zhì)燃料的組成成分，掌握其燃燒特性，有利于進(jìn)一步科學(xué)、合理地開發(fā)利用生物質(zhì)能。從劉建禹、翟國勛等[4]對生物質(zhì)燃料特性的研究可以發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)燃料與化石燃料相比存在明顯的差異，如表1所示。由于生物質(zhì)燃料特性與化石燃料不同，從而導(dǎo)致了生物質(zhì)燃料在燃燒過程中的燃燒機(jī)理、反應(yīng)速度以及燃燒產(chǎn)物的成分與化石燃料相比也都存在較大差別，表現(xiàn)出不同于化石燃料的燃燒特性。生物質(zhì)燃料的燃燒過程主要分為揮發(fā)份的析出、燃燒和殘余焦炭的燃燒、燃盡兩個(gè)獨(dú)立階段，其燃燒過程的特點(diǎn)是： 　　(1)生物質(zhì)水分含量較多，燃燒需要較高的干燥溫度和較長的干燥時(shí)間，產(chǎn)生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高； 　　(2)生物質(zhì)燃料的密度小，結(jié)構(gòu)比較松散，迎風(fēng)面積大，容易被吹起，懸浮燃燒的比例較大； 　　(3)由于生物質(zhì)發(fā)熱量低，爐內(nèi)溫度場偏低，組織穩(wěn)定的燃燒比較困難； 　　(4)由于生物質(zhì)揮發(fā)份含量高，燃料著火溫度較低，一般在250℃~350℃溫度下?lián)]發(fā)份就大量析出并開始劇烈燃燒，此時(shí)若空氣供應(yīng)量不足，將會(huì)增大燃料的化學(xué)不完全燃燒損失； 　　(5)揮發(fā)份析出燃盡后，受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，焦炭顆粒燃燒速度緩慢、燃盡困難，如不采取適當(dāng)?shù)谋匾胧瑢?huì)導(dǎo)致灰燼中殘留較多的余碳，增大機(jī)械不完全燃燒損失。 　　由此可見，生物質(zhì)燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式的選擇應(yīng)從不同種類生物質(zhì)的燃燒特性出發(fā)，才能保證生物質(zhì)燃燒設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，提高生物質(zhì)開發(fā)利用的效率。 　　2生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 　　2.1生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的特點(diǎn)  　　生物質(zhì)直接燃燒是將生物質(zhì)直接作為燃料燃燒，燃燒產(chǎn)生的能量主要用于發(fā)電或集中供 熱。作為最早采用的一種生物質(zhì)開發(fā)利用方式，生物質(zhì)直接燃燒具有如下特點(diǎn)： 　　(1)生物質(zhì)燃燒所釋放出的CO2大體相當(dāng)于其生長時(shí)通過光合作用所吸收的CO2，因此可以認(rèn)為是CO2的零排放，有助于緩解溫室效應(yīng)； 　　(2)生物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物用途廣泛，灰渣可加以綜合利用； 　　(3)生物質(zhì)燃料可與礦物質(zhì)燃料混合燃燒，既可以減少運(yùn)行成本，提高燃燒效率，又可以降低SOx、NOx等有害氣體的排放濃度； 　　(4)采用生物質(zhì)燃燒設(shè)備可以最快速度地實(shí)現(xiàn)各種生物質(zhì)資源的大規(guī)模減量化、無害化、資源化利用，而且成本較低，因而生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和開發(fā)潛力。 　　2.2生物質(zhì)直接燃燒技術(shù) 　　生物質(zhì)直接燃燒主要分為爐灶燃燒和鍋爐燃燒。爐灶燃燒操作簡便、投資較省，但燃燒效率普遍偏低，從而造成生物質(zhì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)；而鍋爐燃燒采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)，把生物質(zhì)作為鍋爐的燃料燃燒，以提高生物質(zhì)的利用效率，適用于相對集中、大規(guī)模地利用生物質(zhì)資源。生物質(zhì)燃料鍋爐的種類很多，按照鍋爐燃用生物質(zhì)品種的不同可分為：木材爐、薪柴爐、秸稈爐、垃圾焚燒爐等；按照鍋爐燃燒方式的不同又可分為流化床鍋爐、層燃爐等。  　　2.2.1生物質(zhì)直接燃燒流化床技術(shù) 　　目前，國外采用流化床技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。美國愛達(dá) 荷能源產(chǎn)品公司已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)出燃生物質(zhì)媒體流化床鍋爐，蒸汽鍋爐出力為4.5 t·h-1~50 t·h-1， 供熱鍋爐出力為36.67MW；美國CE公司利用魯奇技術(shù)研制的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐出力為100 t·h-1，蒸汽壓力為8.7MPa；美國B&W公司制造的燃木柴流化床鍋爐也于20世紀(jì)80年代末至90年代初投入運(yùn)行[5]。此外，瑞典以樹枝、樹葉等林業(yè)廢棄物作為大型流化床鍋爐的燃料加以利用，鍋爐熱效率可達(dá)到80%；丹麥采用高倍率循環(huán)流化床鍋爐，將干草與煤按照6:4的比例送入爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，鍋爐出力為100 t·h-1，熱功率達(dá)80MW[5]。 　　我國自20世紀(jì)80年代末開始，別如山、鮑亦令等[5,6]對燃生物質(zhì)流化床鍋爐進(jìn)行了深入細(xì)致地研究。為了提高鍋爐燃燒效率，研究人員采用細(xì)砂等顆粒作為媒體床料，以保證形成穩(wěn)定的密相區(qū)料層，為生物質(zhì)燃料提供充分的預(yù)熱和干燥熱源；采用稀相區(qū)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)切向二次風(fēng)形成強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)上升氣流，加強(qiáng)高溫?zé)煔狻⒖諝馀c生物質(zhì)物料顆粒的混合，促進(jìn)可燃?xì)怏w和固體顆粒進(jìn)一步充分燃燒。根據(jù)以上研究成果，哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別與國內(nèi)四家鍋爐廠合作開發(fā)了一系列燃用甘蔗渣、稻殼、果穗、木屑等生物廢料的流化床鍋爐，投入生產(chǎn)后運(yùn)行效果良好，深受用戶的好評。 　　劉皓、黃琳等[7~8]根據(jù)稻殼的物理、化學(xué)性質(zhì)和燃燒特性，設(shè)計(jì)出以流化床燃燒方式為主，輔之以懸浮燃燒和固定床燃燒的組合燃燒式流化床鍋爐，并且為配合三段組合燃燒采取了四段送風(fēng)的方式。采用這種獨(dú)特的燃燒方式和配風(fēng)方式，其優(yōu)點(diǎn)在于：流化床中燃料顆粒的流化速度較低，有利于減少稻殼隨煙氣飛出流化床的份額，延長了稻殼在床層的停留時(shí)間；提供了足夠的懸浮燃燒空間，有利于揮發(fā)份中的可燃物在懸浮段進(jìn)一步充分燃燒。通過試驗(yàn)研究證明，該鍋爐具有流化性能良好、燃燒穩(wěn)定、不易結(jié)焦等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)獲得國家專利。  　　陳冠益、方夢祥等[9]在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上， 與無錫鍋爐廠合作設(shè)計(jì)開發(fā)了35 t·h-1燃稻殼流化床鍋爐。該鍋爐設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是：采用氣力輸送裝置輸送稻殼，不但輸送量大，而且輸送安全，避免了因給料機(jī)堵塞引起的給料中斷現(xiàn)象；采用厚壁管的防磨環(huán)用以防止床層埋管的磨損，尾部加吹灰器吹風(fēng)防止受熱面積灰；通過調(diào)整一、二次風(fēng)風(fēng)量大小與煙氣再循環(huán)實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)風(fēng)速的改變，擴(kuò)大了鍋爐的燃料適用范圍。 　　2.2.2生物質(zhì)直接燃燒層燃技術(shù) 　　(1) 農(nóng)林廢棄物開發(fā)利用技術(shù) 　　生物質(zhì)層燃技術(shù)被廣泛應(yīng)用在農(nóng)林業(yè)廢棄物的開發(fā)利用方面。丹麥ELSAM公司[10]出資改造的Benson型鍋爐采用兩段式加熱，由四個(gè)并行的供料器供給物料，秸稈、木屑可以在爐柵上充分燃燒，并且爐膛和管道內(nèi)還設(shè)置有纖維過濾器以減輕煙氣中有害物質(zhì)對設(shè)備的磨損和腐蝕。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行證明，改造后的生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，并取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 　　在我國，田宜水、張鑒銘等[11]通過對秸稈本身特性的分析研究，在秸稈直燃熱水鍋爐燃燒室的設(shè)計(jì)中，采用雙燃燒室結(jié)構(gòu)。第一燃燒室為主燃區(qū)，設(shè)置于爐膛前部；第二燃燒室為輔助燃燒區(qū)，設(shè)置于爐膛后部，兩者間由擋火拱分隔。該布置方式加強(qiáng)了秸稈與高溫?zé)煔狻⒖諝獾叵嗷セ旌?，同時(shí)延長了物料在爐內(nèi)燃燒的停留時(shí)間，確保了秸稈燃燒的充分完全，取得了良好的運(yùn)行效果。 　　翟學(xué)民[12]根據(jù)甘蔗渣的燃燒機(jī)理，研制出了一種采用閉式爐膛結(jié)構(gòu)的甘蔗渣鍋爐。該鍋爐將燃燒室與輻射受熱面分開布置，甘蔗渣在爐內(nèi)進(jìn)行半層燃半懸浮燃燒，既有助于甘蔗渣的著火和燃盡，又可以布置足夠的受熱面，滿足了燃燒和傳熱兩方面的要求；爐膛內(nèi)布置人字型前后拱，通過前后拱的相互配合加強(qiáng)了高溫?zé)煔鈱Ω收嵩妮椛?，有利于甘蔗渣的及時(shí)著火和穩(wěn)定燃燒。甘蔗渣作為生物質(zhì)燃料有一定的代表性，因此該爐型對稻殼、樹皮等生物質(zhì)燃料具有一定的通用性。 　　何育恒[13]開發(fā)設(shè)計(jì)了燃木屑、木粉、樹皮等廢料的層燃鍋爐。該鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，前墻及爐膛布置少量水冷壁管，保證爐膛具有較高的溫度，以便木屑、木粉的燃燼；爐膛內(nèi)布置有防爆門，防止木粉爆燃；鍋爐為負(fù)壓燃燒，保證木粉在燃燒時(shí)不向爐外噴火。鍋爐投入運(yùn)行后，經(jīng)測試達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，為燃木屑、木粉等林業(yè)廢棄物鍋爐的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 　　(2) 城市生活垃圾焚燒技術(shù) 　　進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，城市生活垃圾的產(chǎn)量逐年遞增，其構(gòu)成也逐步向“灰分少、高熱值”的方向發(fā)展。因此，以焚燒技術(shù)為代表的新型垃圾處理技術(shù)正飛速發(fā)展，成為新興的環(huán)保產(chǎn)業(yè)。該技術(shù)與傳統(tǒng)的垃圾填埋方式相比，在環(huán)境保護(hù)和資源利用方面都具有明顯的優(yōu)勢。 　　20世紀(jì)80年代末，深圳市從日本引進(jìn)了兩臺(tái)“三菱——馬丁”型垃圾焚燒爐，單臺(tái)日處理垃圾150t，在我國率先采用焚燒技術(shù)處理生活垃圾[14]。1996年深圳市又?jǐn)U建了第一臺(tái)國產(chǎn)化垃圾焚燒爐，該爐采用單鍋筒自然循環(huán)，煙道四周布滿膜式水冷壁，煙氣處理系統(tǒng)采用靜電除塵器處理裝置[15]。作為首臺(tái)國產(chǎn)垃圾焚燒鍋爐建成投產(chǎn)后，各項(xiàng)主要技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為我國城市生活垃圾處理找到了一條行之有效的既經(jīng)濟(jì)、又清潔的途徑。上海浦東新區(qū)御橋生活垃圾焚燒廠設(shè)置了三條垃圾焚燒生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線主要由焚燒爐、余熱鍋爐、煙氣處理反映塔和除塵器組成[16]。除上海浦東御橋以外，北京市、廣州市、廈門市也都在進(jìn)行千噸級(jí)垃圾焚燒廠的建設(shè)[17]。垃圾焚燒具有減少環(huán)境污染，節(jié)省大量土地資源等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此垃圾焚燒技術(shù)將成為我國大城市生活垃圾處理的主流技術(shù)，但在尾氣處理避免二次污染和提高焚燒爐燃燒效率等方面，還需進(jìn)一步結(jié)合基本國情不斷改進(jìn)和完善我國的垃圾焚燒技術(shù)。  　　3生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)存在的問題 　　從國內(nèi)外生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，流化床鍋爐對生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性較好，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較大。床內(nèi)工質(zhì)顆粒擾動(dòng)劇烈，傳熱和傳質(zhì)工況十分優(yōu)越，有利于高溫?zé)煔?、空氣與燃料地混合充分，為高水分、低熱值的生物質(zhì)燃料提供極佳的著火條件，同時(shí)由于燃料在床內(nèi)停留的時(shí)間較長，可以確保生物質(zhì)燃料地完全燃燒，從而提高了燃生物質(zhì)鍋爐的效率。另外，流化床鍋爐能夠較好地維持生物質(zhì)在850℃左右的穩(wěn)定燃燒，所以燃料燃盡后不易結(jié)渣，并且減少了NOx、SOx等有害氣體的生成，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。 　　但是，流化床對入爐的燃料顆粒尺寸要求嚴(yán)格，因此需對生物質(zhì)進(jìn)行篩選、干燥、粉碎等一系列預(yù)處理，使其尺寸、狀況均一化，以保證生物質(zhì)燃料的正常流化。對于類似稻殼、木屑等比重較小、結(jié)構(gòu)松散、蓄熱能力比較差的生物質(zhì)，就必須不斷地添加石英砂等以維持正常燃燒所需的蓄熱床料[9,18]，燃燒后產(chǎn)生的生物質(zhì)飛灰較硬，容易磨損鍋爐受熱面，并且灰渣混入了石英砂等床料很難加以綜合利用。此外，為了維持一定的流化床床溫，鍋爐的耗電量較大，運(yùn)行費(fèi)用也相對較高。 　　采用層燃技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能，鍋爐結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、投資與運(yùn)行費(fèi)用都相對較低。由于鍋爐的爐排面積較大，爐排速度可以調(diào)整，并且爐膛容積有足夠的懸浮空間，能延長生物質(zhì)在爐內(nèi)燃燒的停留時(shí)間，有利于生物質(zhì)燃料的充分完全燃燒。但生物質(zhì)燃料的揮發(fā)分析出速度很快，燃燒時(shí)需要補(bǔ)充大量的空氣，如不及時(shí)將燃料與空氣充分混合，會(huì)造成空氣供給量不足，難以保證生物質(zhì)燃料地充分燃燒，從而影響鍋爐的燃燒效率。 　　在垃圾焚燒技術(shù)方面，城市生活垃圾的水分較多、熱值偏低，其組成成分和熱值高低隨地區(qū)、季節(jié)的變化而變化，導(dǎo)致垃圾焚燒時(shí)不易著火、燃燒和燃燼困難。此外，由于受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活水平以及城市管理等因素的影響，我國城市生活垃圾的成分和熱值與發(fā)達(dá)國家相比存在著較大的差異，直接采用國外的焚燒設(shè)備處理我國的城市生活垃圾，無法取得較好的運(yùn)行效果。因此，在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)大力加強(qiáng)我國城市生活垃圾焚燒技術(shù)的研究，開發(fā)研制出符合我國國情的垃圾焚燒設(shè)備。 　　鑒于生物質(zhì)層燃技術(shù)在某些生物質(zhì)燃燒中存在的問題，上海理工大學(xué)[19]根據(jù)五糧液酒廠酒糟的燃燒特性，設(shè)計(jì)研制出燃酒糟鍋爐。該鍋爐采用了層燃與室燃相結(jié)合的燃燒方式，酒糟在爐內(nèi)下落過程中逐步加熱干燥，揮發(fā)分逐步析出，在爐膛空間懸浮燃燒，較難燃盡的固定碳落在爐排上繼續(xù)燃燒，燃燒后灰渣還可作為橡膠工業(yè)的添加劑原料。因此，該項(xiàng)技術(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保以及灰渣的綜合利用，還適用于其它生物質(zhì)廢棄物的回收利用，收到了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 　　4結(jié)論 　　通過分析比較生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，可以得出以下結(jié)論： 　　(1)生物質(zhì)的種類繁雜，不同種類生物質(zhì)之間外貌、組分、物性和燃燒性能千差萬別，不可能找到一種統(tǒng)一的燃燒方式，以實(shí)現(xiàn)其資源化利用； 　　(2)應(yīng)根據(jù)不同種類生物質(zhì)燃料的燃燒特性，開發(fā)不同類型的燃燒技術(shù)，并研制相應(yīng)的燃燒設(shè)備，有利于提高生物質(zhì)燃料的燃燒效率； 　　(3)目前，關(guān)于生物質(zhì)燃燒設(shè)備空氣動(dòng)力場的研究較少。因此，需要加強(qiáng)生物質(zhì)燃燒設(shè)備空氣動(dòng)力場的理論分析和試驗(yàn)研究，為生物質(zhì)燃燒設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)與高效運(yùn)行提供科學(xué)的參考依據(jù)。 　　參考文獻(xiàn): 　　[1] 蔣劍春.生物質(zhì)能源應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2002，(2)：75-80. 　　[2] KAYGUSUZ K，TUKER M F.Biomass energy potential in Turkey[J].Renewable Energy，2002，(26):661-678. 　　[3] AKINBAMI J F K，IIORI M O，et al.Biogas energy use in Nigeria：current status，future prospects and policyimplications[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2001，(5)：97-112. 　　[4] 劉建禹，翟國勛，陳榮耀.生物質(zhì)燃料直接燃燒過程特性的分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，32(3)：290-294. 　　[5] 別如山，李炳熙，陸慧林，等.燃生物質(zhì)廢料流化床鍋爐[J].熱能動(dòng)力工程，2000，15(4)：344-347. 　　[6] 別如山，鮑亦令，楊勵(lì)丹，等.燃生物質(zhì)流化床鍋爐[J].節(jié)能技術(shù)，1997，(2)：5-7. 　　[7] 劉 皓，黃琳，林志杰，等.稻谷殼的高效低污染綜合利用前景[J].能源研究與利用，1995，(4)：15-17. 　　[8] 林志杰，劉 皓，黃 琳，等.稻谷殼流化床的燃燒特性[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，22(3)：21-24. 　　[9] 陳冠益，方夢祥，駱仲泱，等.燃用稻殼流化床鍋爐的試驗(yàn)研究及35 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