生物質(zhì)成型燃料技術及其特性

萬根香

（江西江聯(lián)能源環(huán)保股份有限公司，南昌330001）

　　摘要：生物質(zhì)型煤和含添加劑生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性優(yōu)于純秸稈成型燃料，燃料燃燒性能越好，供風量越充足，排煙狀況越好，爐具的熱效率越高。從排放煙氣中測得NOx的濃度較低，HCl濃度也很低。充分利用好該燃料具有廣泛的前景。

　　引言

　　我國近年頒布的中國可再生能源法，其中規(guī)定：國家將可再生能源開發(fā)利用的科學技術研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展列為科技發(fā)展與高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)先領域。這充分體現(xiàn)了可再生能源的開發(fā)將成為我國基本能源國策。生物質(zhì)能源比其他幾種再生能源有更大的群眾參與性、多形式的可轉換性和相對較少的開發(fā)投入性，這是在多種形式的再生能源中生物質(zhì)能源被國家優(yōu)先給予考慮的原因[1]。

　　生物質(zhì)能與化石能源相比，具有可再生和低污染的優(yōu)勢，因此受到全世界普遍的重視，并已成新能源的發(fā)展方向之一。

　　1生物質(zhì)成型燃料的組成結構和性質(zhì)

　　生物質(zhì)的組成主要由3種聚合體（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素）以及少量的灰分和提取物組成，各成分含量見表1。

　　生物質(zhì)的元素組成通常僅僅指其有機質(zhì)的元素組成，例如，秸稈主要由C、H、O、N、S5種元素組成，它們的含量約為C40%～46%、H5%～7%、O47%～55%、N0.6%～1.0%、S0.1%～0.2%，還有一些少量的元素如Cl、P、K、Si等。幾種生物質(zhì)干燥無灰基的元素分析見表2。

　　C是生物質(zhì)的主要可燃成分，1kgC完全燃燒可以釋放出33858kJ的熱量。C元素的著火點很高，故生物質(zhì)中C元素含量越高就越不容易著火，但生物質(zhì)中的C并不是完全以單質(zhì)元素形式存在，一般與H、N、S等元素組成有機化合物。

　　H是生物質(zhì)中僅次于C的主要可燃成分，1kgH完全燃燒可以釋放出125400kJ的熱量。H在生物質(zhì)中有兩種存在形式，一種是可燃氫，燃燒時放出大量的熱能，另一種稱為化合氫，它與氧結合為水，不能燃燒和放熱。由于生物質(zhì)中的可燃氫含量遠遠低于C的含量，所以，H燃燒所起的作用明顯不如C。

　　O是不可燃成分，它與一部分H和C相結合處于化合物狀態(tài)，生物質(zhì)中的O含量目前還沒有直接測定的方法。

　　N在高溫下與O燃燒反應生成氮氧化合物NO2或NO，統(tǒng)稱NOX。NOX排入大氣，在光的作用下產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)。但N在較低的溫度（800℃）下與O燃燒反應生成氮氧化合物的能力顯著下降，甚至不與O燃燒反應而生成游離N2狀態(tài)，若燃燒時溫度不高，可近似認為生物質(zhì)中的N元素最后只以N2形式析出。生物質(zhì)燃燒過程中，800～1100℃時形成的NOX主要是由燃料本身的N轉化而來的，NOX的排放濃度和生物質(zhì)燃料中N含量成對數(shù)關系，實驗表明空氣供應，燃燒室結構和爐具類型是影響NOX形成的主要因素。為了減少NOX的形成，常保證一次空氣系數(shù)在0.6～0.8之間，同時，在保證完全燃燒的同時，盡可能地降低二次空氣的過剩氧氣數(shù)。

　　S是生物質(zhì)中可燃成分之一，但也是有害的成分。1kgS完全燃燒可以釋放出9033kJ的熱量。燃燒產(chǎn)物為SO3或SO2，統(tǒng)稱SOX。這些氣體與煙氣或大氣中的水蒸氣相遇化合成亞硫酸H2SO3或硫酸H2SO4，從而對環(huán)境造成污染。生物質(zhì)中S的存在形式可分為無機硫和有機硫2類。無機硫不在有機質(zhì)組成之內(nèi)，主要包括硫化物，元素硫和硫酸鹽等，絕大部分是以硫鐵礦FeS2形式存在。S在燃燒過程中大部分形成氣態(tài)產(chǎn)物，但煙氣急劇冷卻時，硫酸鹽便冷凝在飛灰顆?；驌Q熱管表面上，通過估算，生物質(zhì)燃料中40%～90%的S束縛在灰分中，其余部分以SO2以及少量SO3的形式隨煙氣排放。

　　另外，Si、Ca、Mg、K、Na對生物質(zhì)的燃燒也很重要。Ca和Mg通常會提高灰分的熔解性能，K則相反，Si和K結合在一起可在飛灰顆粒中形成低熔點的硅酸鹽。燃燒過程中，這些元素和Cl以堿性氯化物形式部分蒸發(fā)，并冷凝在換熱器表面，與煙氣反應形成硫酸鹽并釋放出氯化物。氯化物具有催化作用，是換熱器管材具有活躍的氧化能力，甚至在管壁溫度很低時（100～150℃）也會發(fā)生反應。此外，揮發(fā)性金屬的揮發(fā)以及隨后冷凝形成了飛灰顆粒，不易沉淀下來，在爐具管壁上形成沉積層，并危害生態(tài)和人們的健康。

　　2生物質(zhì)成型燃料的著火性能

　　生物質(zhì)成型燃料的點火過程是指生物質(zhì)成型燃料與氧分子接觸、混合后，從開始反應，到溫度升高至激烈的燃燒反應前的一段過程。實現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料的點火必須滿足：生物質(zhì)成型燃料表面析出一定濃度的揮發(fā)物，揮發(fā)物周圍要有適量的空氣，并且具有足夠高的溫度。生物質(zhì)成型燃料的點火過程是：

　　1）在熱源的作用下，水分被逐漸蒸發(fā)逸出生物質(zhì)成型燃料表面；

　　2）隨后生物質(zhì)成型燃料表面層燃料顆粒中有機質(zhì)開始分解，在其過程中有一部分揮發(fā)性可燃氣態(tài)物質(zhì)分解析出；

　　3）局部表面達到一定濃度的揮發(fā)物遇到適量的空氣并達到一定溫度，便開始局部著火燃燒；

　　4）隨后點火面漸漸擴大，同時也有其它局部表面不斷點火；

　　5）點火面迅速擴大為生物質(zhì)成型燃料的整體火焰出現(xiàn)；烈的燃燒反應前的一段過程。實現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料的點火必須滿足：生物質(zhì)成型燃料表面析出一定濃度的揮發(fā)物。

　　6）點火區(qū)域逐漸深入到生物質(zhì)成型燃料內(nèi)部一定深度，完成整個穩(wěn)定點火過程。點火過程示意圖見圖1。

　　影響生物質(zhì)成型燃料的點火因素有：點火溫度、生物質(zhì)種類、外界的空氣條件、生物質(zhì)成型密度、生物質(zhì)成型燃料含水率和生物質(zhì)成型燃料幾何尺寸等。

　　生物質(zhì)成型燃料一般是高揮發(fā)分的生物質(zhì)在一定溫度下擠壓而成。在高壓成型的生物質(zhì)燃料中，其組織結構限定了揮發(fā)分由內(nèi)向外的析出速度及熱量由外向內(nèi)的傳遞速度減慢，且點火所需的O2比原生物質(zhì)有所減少，因此生物質(zhì)成型燃料的點火性能比原生物質(zhì)有所降低，但遠遠高于型煤的點火性能。從總體趨勢分析，生物質(zhì)成型燃料的點火特性更趨于生物質(zhì)點火特性[2]。

　　3生物質(zhì)燃料的燃燒過程

　　生物質(zhì)燃料的燃燒過程是強烈的化學反應過程，又是燃料和空氣間的傳熱、傳質(zhì)過程。燃燒除去燃料存在外，必須有足夠溫度的熱量供給和適當?shù)目諝夤?。燃料燃燒過程的示意圖[3-4]見圖2。它可分為預熱、干燥（水分蒸發(fā)）、揮發(fā)分析出和焦炭（固定碳）燃燒等過程。

　　燃料送入燃燒室后，在高溫熱量（由前期燃燒形成）作用下，燃料被加熱和析出水分。隨后，燃料由于溫度的繼續(xù)增高，約250℃左右，熱分解開始，析出揮發(fā)分，并形成焦炭。氣態(tài)的揮發(fā)分和周圍高溫空氣摻混首先被引燃而燃燒。一般情況下，焦炭被揮發(fā)分包圍著，燃燒室中O2不易滲透到焦炭圖2生物質(zhì)燃料的燃燒過程表面，只有當揮發(fā)分的燃燒快要終了時，焦炭及其周圍溫度已很高，空氣中的O2也有可能接觸到焦炭表面，焦炭開始燃燒，并不斷產(chǎn)生灰燼。

　　生物質(zhì)的燃燒通?？煞譃?個階段，即預熱起燃階段，揮發(fā)分燃燒階段，木炭燃燒階段[4]。此處不一一累述。

　　4生物質(zhì)直接燃燒技術存在的問題

　　從國內(nèi)外生物質(zhì)直接燃燒技術的發(fā)展狀況來看，流化床鍋爐對生物質(zhì)燃料的適應性較好，負荷調(diào)節(jié)范圍較大。但流化床對入爐的燃料顆粒尺寸要求嚴格，因此需對生物質(zhì)進行篩選、干燥、粉碎等一系列預處理，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、結構松散、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，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，運行費用也相對較高[5-6]。

　　5小結

　　通過對生物質(zhì)成型燃料的成型技術了解，對生物質(zhì)成型燃料的結構性能分析，得知生物質(zhì)成型燃料的物理特性、化學特性及燃燒特性。了解了預要燃燒的生物質(zhì)成型燃料的著火性能、基本燃燒過程、燃燒機理及影響燃燒速度的因素等，為以后的設計和實驗工作做好理論基礎具有極其重大的意義。

　　參考文獻

　　[1]常耕,蘇曉華.生物質(zhì)能源概述[J].世界林業(yè)研,2005,18(6):32-38.

　　[2]劉圣勇,趙迎芳,張百良.生物質(zhì)成型燃料燃燒理論分析[J].能源研究與利用,2002(6):26-28.

　　[3]劉圣勇,劉小二,王森.不同形態(tài)生物質(zhì)燃燒技術現(xiàn)狀和展望[J].新能源產(chǎn)業(yè),2007(4):23-28.

　　[4]馬隆龍,吳創(chuàng)之,孫立.生物質(zhì)氣化技術及其應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003:25-47.

　　[5]劉圣勇.國內(nèi)外生物質(zhì)成型燃料及燃燒設備研究與開發(fā)現(xiàn)狀[J].可再生能源,2002(4):14-15.

　　[6]張百良,李保謙,夏祖璋,等.HPH-I型生物質(zhì)成型機的應用研究[J].太陽能學報,1999,20(3):234-238.