生物質(zhì)高溫?zé)o焰燃燒技術(shù)的研究與探討

馬培勇1，唐志國1，2，林其釗1

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系，安徽合肥 230026；2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

　　摘要：闡述了生物質(zhì)(秸稈)利用技術(shù)現(xiàn)狀，分析了生物質(zhì)氣化技術(shù)、液化技術(shù)、直接燃燒技術(shù)存在的問題和不足?；诔嗜紵枷胩岢?a href="http://www.msthinker.com/news/list/7/" target="_blank">生物質(zhì)能利用新技術(shù)——無焰燃燒，采用了液態(tài)排渣技術(shù)、分級(jí)燃燒技術(shù)和煙氣再循環(huán)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)(秸稈)的高效、低污染、經(jīng)濟(jì)、安全、大規(guī)模的高品位開發(fā)利用。

　　0引言

　　隨著全球工業(yè)化的快速發(fā)展，一次性能源(如石油、煤炭、天然氣等)的消耗量不斷增加，根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，地球上石油、天然氣、煤炭3種能源可供人類開采的年限分別只有40年、50年和240年[1]。因此，人類為了自身的生存和發(fā)展，世界各國都在積極進(jìn)行可再生能源的開發(fā)和利用，以減少或替代一次性能源的消耗。生物質(zhì)能是僅次于煤、石油、天然氣的第4大能源，在世界能源消耗中占有一定的比例。由于生物質(zhì)燃燒實(shí)現(xiàn)了CO2零排放，消除了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的根源，有關(guān)專家認(rèn)為生物質(zhì)能源將成為未來可再生能源的重要組成部分。到2050年，生物質(zhì)能用量將占全球燃料直接用量的38%，生物質(zhì)發(fā)電量占全球總發(fā)電量的17%[2]。因此，對(duì)生物質(zhì)能源進(jìn)行研究開發(fā)利用具有重要的經(jīng)濟(jì)意義、生態(tài)環(huán)境意義和社會(huì)意義。

　　1生物質(zhì)能源利用技術(shù)現(xiàn)狀

　　與化石燃料能源相比，生物質(zhì)能具有可再生性、低污染性、廣泛分布性以及總量豐富等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物質(zhì)能源的利用進(jìn)行了廣泛深入的研究，主要有生物質(zhì)氣化燃燒技術(shù)、生物質(zhì)液化燃燒技術(shù)和生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)，并取得了可喜的成績(jī)[3～6]。但由于生物質(zhì)能的研究還處于起步階段，技術(shù)手段還不夠成熟，在其利用過程中還存在著缺陷和不足，仍需作進(jìn)一步研究。

　　1.1生物質(zhì)氣化技術(shù)

　　氣化技術(shù)是將秸稈在缺氧狀態(tài)下燃燒，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成高品位、易輸送、利用效率高的氣體。目前，我國使用的秸稈氣化技術(shù)，主要以固定床為主。固定床工藝一般采用空氣為氣化劑，這類工藝(不論是上吸式、下吸式或是平吸式的氣流方式)，都具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于操作、可實(shí)現(xiàn)多種生物質(zhì)原料的熱解氣化等特點(diǎn)。但是，得到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档停话阒挥?000kJ/m3左右，且生物質(zhì)氣中焦油含量高，燃料利用率低，生產(chǎn)、輸送、配給的成本較高。分析其原因，主要有2個(gè)方面：一是由于工藝路線局限，多采用空氣為氣化劑，使得到的燃?xì)庵械獨(dú)夂扛撸ǔＴ?0%左右，影響了燃?xì)獾臒嶂担欢怯捎诮斩捲嫌行┎焕跉饣囊蛩?，使得燃料得不到完全氣化，僅能利用燃料中的揮發(fā)成分，固定碳得不到充分利用。因此，用生物質(zhì)燃?xì)庾鲀?nèi)燃機(jī)發(fā)電燃料將會(huì)存在如下問題[7]。

　　(1)由于生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂档?，它的燃燒溫度、發(fā)電效率與天然氣相比明顯偏低，而且由于生物質(zhì)燃?xì)怏w積較大，壓縮困難，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的發(fā)電效率。為了保證相同的出力，必須對(duì)內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、壓縮比等做較大改動(dòng)。

　　(2)由于H2的著火速度比其他燃?xì)饪?，在H2含量過高時(shí)，容易造成點(diǎn)火不穩(wěn)定而引起爆燃。據(jù)研究資料表明，生物質(zhì)燃?xì)獾臍錃夂坎顒e很大，流化床一般在10%左右，而固定床有時(shí)高達(dá)15%。

　　(3)焦油、灰分雜質(zhì)的影響。雖然生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)過了嚴(yán)格的凈化，但仍含有一定量的焦油和灰分。焦油會(huì)引起點(diǎn)火系統(tǒng)失靈，燃燒后積炭會(huì)增加磨損，而含灰量太高也會(huì)增加設(shè)備磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起拉缸。所以，一般生物質(zhì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)機(jī)組的配件損耗率和潤(rùn)滑油消耗量與其他燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)相比都會(huì)成倍增加。

　　(4)排煙溫度過高及效率過低問題。由于低熱值燃?xì)馊紵俣缺绕渌剂下?，低熱值燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的排煙溫度比其他內(nèi)燃機(jī)明顯偏高。這就造成設(shè)備材料容易老化且系統(tǒng)效率明顯降低。

　　1.2生物質(zhì)液化燃燒技術(shù)

　　生物質(zhì)熱解液化是將難處理的固體生物質(zhì)及其他廢棄物比較容易地轉(zhuǎn)化為液體生物質(zhì)油，以便于運(yùn)輸、貯存、燃燒和改性。這樣，能更好地利用生物質(zhì)及其他廢棄物，并減少直接燃燒引起的環(huán)境污染。

　　生物質(zhì)原油可直接用作各種工業(yè)燃油鍋爐透平的燃料，也可通過對(duì)現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)供油系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝，直接作為內(nèi)燃機(jī)引擎的燃料，并且生物質(zhì)油不含硫，不會(huì)造成酸雨，其他排放物也均在可接受的范圍內(nèi)。對(duì)生物質(zhì)原油進(jìn)行催化和品位升級(jí)處理，可獲得高品質(zhì)的汽油或柴油。生物質(zhì)液化可能是最有前途的方法之一，但其存在的問題是：

　　(1)生物質(zhì)液化之后，液體燃料的成分非常復(fù)雜，其中許多組分仍然是未知的，還需要對(duì)其分解加工技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行研究。

　　(2)生物質(zhì)油成本通常比礦物油高10%～100%，且生物質(zhì)油與傳統(tǒng)燃料不相容，需要專用的燃料處理設(shè)備[8]。

　　(3)廣大用戶不熟悉這種產(chǎn)品，且不同生物質(zhì)油品質(zhì)相差很大，生物質(zhì)油的使用和銷售也缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，阻礙了其廣泛應(yīng)用。

　　目前，將生物質(zhì)油代替石油作為各種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，仍需要一定的時(shí)間。

　　1.3生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)

　　生物質(zhì)的直接燃燒技術(shù)是將生物質(zhì)(如木材)直接送入燃燒室內(nèi)燃燒，燃燒過程中放出的熱量用以加熱工質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽或利用蒸汽發(fā)電。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(jiǎn)便、投資較少，但燃燒效率普遍偏低(如農(nóng)用柴灶爐熱效率一般為10%～20%，先進(jìn)的省柴灶爐熱效率也僅在30%左右)，從而造成生物質(zhì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)；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，用于生物質(zhì)燃燒的鍋爐主要有層燃鍋爐和流化床鍋爐。層燃鍋爐屬層狀燃燒，燃燒效率較低，爐排易燒損。其產(chǎn)生的原因是：

　　(1)生物質(zhì)燃料密度低，在其通過給料斗送到爐排上時(shí)容易在爐排上形成厚薄不均分布。大量空氣從厚度薄、阻力小的地方進(jìn)入爐膛而將薄層吹空，以致空氣短路進(jìn)入爐膛，不能用來充分燃燒；而料層厚的地方，需要大量空氣維持燃燒，由于空氣進(jìn)入阻力較大，因而空氣量較燃燒所需的空氣量少，這種布風(fēng)不均將不利于燃燒和燃盡。生物質(zhì)的特點(diǎn)是揮發(fā)分很高，在燃燒的開始階段，揮發(fā)分大量析出，需要大量空氣用于燃燒，如果這時(shí)空氣不足，可燃?xì)怏w與空氣混合不好將會(huì)造成燃?xì)獠煌耆紵龑?dǎo)致?lián)p失急劇增加。同時(shí)，由于生物質(zhì)比較輕，容易被空氣吹離床層而帶出爐膛，這樣造成固體不完全燃燒，損失很大，因而燃燒效率很低。

　　(2)當(dāng)生物質(zhì)燃料含水率很高時(shí)，水分蒸發(fā)需要大量熱量，干燥及預(yù)熱過程需時(shí)較長(zhǎng)，所以，生物質(zhì)燃料在床層表面很難著火，或著火推遲，不能及時(shí)燃盡，造成固體不完全燃燒損失很高，導(dǎo)致鍋爐燃燒效率、熱效率很低。一旦燃盡后，由于灰分很少，不能保護(hù)后部的爐排不被過熱而導(dǎo)致爐排燒壞[9]。

　　流化床鍋爐對(duì)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?、空氣與燃料的充分混合，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(zhǎng)，可以確保生物質(zhì)燃料的完全燃燒，從而提高了生物質(zhì)燃燒鍋爐的效率。但是，流化床鍋爐存在如下缺點(diǎn)：

　　(1)對(duì)入爐的燃料顆粒尺寸要求較為嚴(yán)格，必須對(duì)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。該過程增加了設(shè)備投資和能力消耗。

　　(2)對(duì)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)，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致使難以綜合利用[9]。

　　(3)為了維持一定的流化床溫度，鍋爐的耗電量較大，其運(yùn)行費(fèi)用也相對(duì)較高。

　　2生物質(zhì)高溫燃燒的新設(shè)想

　　目前，針對(duì)生物質(zhì)燃燒發(fā)電的高品位開發(fā)技術(shù)主要有氣化發(fā)電和直燃發(fā)電。氣化發(fā)電技術(shù)是將生物質(zhì)經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換和凈化之后再進(jìn)行燃燒，中間環(huán)節(jié)不但提高了投資運(yùn)行成本，也降低了生物質(zhì)能的總利用效率。氣化燃?xì)鉄嶂档?，在穩(wěn)定運(yùn)行、焦油清除、氣體凈化等技術(shù)方面還需提高；而直燃發(fā)電技術(shù)效率較高，且沒有焦油帶來的二次污染問題，相對(duì)而言，直燃發(fā)電的優(yōu)勢(shì)是明顯的。目前的直燃方式由于其燃燒溫度低、低熔點(diǎn)飛灰造成的積灰和結(jié)渣以及燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體健康有害的顆粒排放物等一系列的問題，限制了這種粗放的應(yīng)用方式。另外，由于生物質(zhì)含水率大，燃燒產(chǎn)生的熱量很多浪費(fèi)在水分的蒸發(fā)上，使得生物質(zhì)在固定床和流化床的燃燒熱量利用率較低，所以，研究開發(fā)高效燃燒富含水分的生物質(zhì)技術(shù)是直燃技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)。

　　2.1無焰燃燒技術(shù)

　　針對(duì)生物質(zhì)能利用的一系列問題，中國科技大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系燃燒研究室將高溫低氧無焰燃燒技術(shù)應(yīng)用于生物質(zhì)的直接燃燒，并采用液態(tài)排渣技術(shù)、分級(jí)燃燒技術(shù)和煙氣再循環(huán)等技術(shù)，提高生物質(zhì)(秸稈)的燃燒效率，使?fàn)t內(nèi)溫度場(chǎng)均勻，提高容積熱負(fù)荷，降低鍋爐制造成本，提高鍋爐熱效率，解決飛灰引起的積灰與結(jié)渣問題，減少污染物的排放，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)(秸稈)的高效、低污染、經(jīng)濟(jì)、安全以及大規(guī)模高品位開發(fā)利用。目前，已成功研制出天燃?xì)庠诔乜諝膺M(jìn)氣條件下實(shí)現(xiàn)無焰燃燒的技術(shù)方案，并對(duì)蒸汽鍋爐進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，燃燒室溫度在1300～1400℃，熱效率達(dá)到92%以上，比目前國內(nèi)外最好的同噸位(2t/h)的燃?xì)忮仩t的熱效率還高3%以上；煙氣中NOx的體積分?jǐn)?shù)小于1×10-4，CO的體積分?jǐn)?shù)小于0.1×10-4，無可見火焰(如圖1試驗(yàn)照片所示)。以上指標(biāo)都是由安徽省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站和蘇州熱工研究院現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量所得，并出據(jù)了測(cè)試報(bào)告。該技術(shù)簡(jiǎn)化了無焰燃燒的實(shí)現(xiàn)條件，減少了設(shè)備的改造費(fèi)用，避免了燃燒過程的脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定燃燒，同時(shí)保留了高溫空氣燃燒的能耗低、容積熱負(fù)荷高、污染排放低等優(yōu)點(diǎn)[11，12]。

　　2.2超焓燃燒技術(shù)

　　對(duì)生物質(zhì)(秸稈)實(shí)現(xiàn)無焰燃燒、液態(tài)排渣是基于Weinberg于1971年提出了超焓燃燒的思想。超焓燃燒是一種將燃燒所產(chǎn)生的熱能(或排放的高溫廢熱)，通過熱交換器或其他方式將部分的熱能回收再利用，用以預(yù)熱反應(yīng)物、對(duì)水加熱利用或作其他用途的燃燒方式，如圖2所示。

　　因質(zhì)量一定混合物的最終絕熱火焰溫度Tf可由下式給出

　　根據(jù)上式，反應(yīng)物與產(chǎn)物換熱Qa可以提高火焰溫度，而溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速度的重要因素之一，如圖3所示。曲線1表示常壓下反應(yīng)速度隨溫度的變化。曲線2與曲線1一樣，但是考慮了反應(yīng)物的消耗和稀釋，溫度升高是由于化學(xué)反應(yīng)和/或與熱燃燒產(chǎn)物混合。圖2的傳熱方式反應(yīng)物和生成物只傳熱而不傳質(zhì)，反應(yīng)速度與溫度之間的關(guān)系符合圖3中曲線1的規(guī)律。因此此類燃燒方式可以提高反應(yīng)速度，拓寬穩(wěn)定燃燒范圍，增加燃燒的穩(wěn)定性，對(duì)于低熱值或低濃度燃料燃燒，具有一定的適用性。試驗(yàn)表明，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)僅為1%的甲烷-空氣混合氣被預(yù)熱不到1000℃時(shí)，就可以產(chǎn)生一個(gè)自維持的火焰，盡管它自己的放熱對(duì)燃燒溫度產(chǎn)出僅有250℃左右。焓的再循環(huán)相當(dāng)于“在熱流中建立了一個(gè)堤壩”，使反應(yīng)物在最高點(diǎn)釋放化學(xué)能的額外潛能，利用該燃燒方式，可以實(shí)現(xiàn)高溫燃燒。因此，將超焓燃燒技術(shù)應(yīng)用于低熱值的生物質(zhì)(秸稈)高溫燃燒發(fā)電技術(shù)，可提高系統(tǒng)熱效率，目前該項(xiàng)目正在研究過程中。

　　2.3高溫?zé)o焰燃燒技術(shù)特點(diǎn)

　　(1)改變以往秸稈利用方式，直接進(jìn)行高溫燃燒熱利用，從而大大提高燃料利用過程的系統(tǒng)熱效率。

　　(2)燃燒過程的高溫及無焰燃燒方式，可以使焦油有效裂解、氧化，實(shí)現(xiàn)高的燃燒效率和低的未燃可燃物排放。

　　(3)高溫燃燒，可以提高燃燒溫度(也就是提高了能量品位，增加系統(tǒng)可用能)。

　　(4)實(shí)現(xiàn)具有空間放熱特征的無焰燃燒方式，爐膛容積熱負(fù)荷高，溫度分布均勻，可以實(shí)現(xiàn)非常低的NOx排放。

　　(5)為生物質(zhì)熱利用提供了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝技術(shù)。生物質(zhì)利用應(yīng)該朝著低成本、大規(guī)模的趨勢(shì)發(fā)展，因此，該項(xiàng)目具有良好的應(yīng)用前景。

　　3結(jié)論

　　我國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源極其豐富。對(duì)生物質(zhì)能利用技術(shù)的深入研究、開發(fā)和應(yīng)用，不但可以充分利用我國現(xiàn)有的生物質(zhì)資源，而且可以優(yōu)化農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減少溫室氣體排放，維持農(nóng)村地區(qū)生態(tài)平衡，為我國經(jīng)濟(jì)快速可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。我們深信通過對(duì)該項(xiàng)目的進(jìn)一步深入研究，生物質(zhì)能將會(huì)得到更合理有效的利用，這對(duì)解決能源短缺和環(huán)境污染等問題具有重要意義。

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