生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)研究探討

馬洪儒，蘇宜虎

（安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械系，河南 安陽(yáng)455000）

　　摘要：我國(guó)是一個(gè)生物質(zhì)能源消耗大國(guó)。在我國(guó)的廣大農(nóng)村地區(qū)，大部分生物質(zhì)燃料為直接燃燒，這種農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變，這是由我國(guó)的國(guó)情所決定的。所以，對(duì)生物質(zhì)作為能源的直接燃燒技術(shù)和裝置的研究是十分必要的。生物質(zhì)在燃燒過程中二氧化碳凈排放量近似于零，可有效地減少溫室效應(yīng)。為此，通過對(duì)生物質(zhì)直接燃燒、生物質(zhì)-煤混合燃燒技術(shù)的分析，指出了生物質(zhì)是我國(guó)今后能 源有效利用的發(fā)展方向。

　　0引言

　　生物質(zhì)能源一直是人們賴以生存的重要能源。目前，生物質(zhì)能源僅次于煤炭、石油和天然氣而居世界能源消費(fèi)總量的第4位，在整個(gè)能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)能源的利用占世界總能耗的14%，相當(dāng)于12.57億t的石油。在發(fā)展中國(guó)家，生物質(zhì)能占能耗的35%。但目前，全世界生物質(zhì)利用 總量還不到其產(chǎn)量的1%，生物質(zhì)能開發(fā)利用前景十分廣闊[1]。為此，筆者對(duì)生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)進(jìn)行了探討。

　　1生物質(zhì)燃料和礦物燃料(煤)的主要差別

　　典型生物質(zhì)燃料和典型的煙煤、無(wú)煙煤的元素組成與工業(yè)分析成分組成如表1所示，生物質(zhì)燃料和煤炭在結(jié)構(gòu)特性上的主要差別如表2所示。

　　從表1和表2可以看出，生物質(zhì)燃料和煤炭相比主要差別為：

　　1)含碳量較少，含固定碳少。生物質(zhì)燃料中含碳量最高的也僅50%左右，相當(dāng)于生成年代較少的褐煤的含碳量。特別是固定碳的含量，明顯地比煤炭少。因此，生物質(zhì)燃料熱值較低。

　　2)含氫量稍多，揮發(fā)分明顯較多。生物質(zhì)燃料中的碳多數(shù)和氫結(jié)合成低分子的碳?xì)浠衔?，遇一定的溫度后熱分解而析出揮發(fā)分。所以，生物質(zhì)燃料易被引燃，燃燒初期，析出量較大，在空氣和溫度不足的情況下易產(chǎn)生鑲黑邊的火焰。

　　3)含氧量多。從表2可知，生物質(zhì)燃料含氧量明顯地多于煤炭，使得生物質(zhì)燃料熱值低，但易于引燃。在燃燒時(shí)，可相對(duì)地減少供給空氣量。

　　4)密度小。生物質(zhì)燃料的密度明顯地較煤炭低，質(zhì)地比較疏松，特別是農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便。這樣使得這類燃料易于燃燒和燃盡，灰燼中殘留的碳量較燃用煤炭者少。

　　5)含硫量低。大部分生物質(zhì)燃料含硫量少于0.02%， 燃燒時(shí)不必設(shè)置氣體脫硫裝置，降低了成本，有利于環(huán)境保護(hù)。

　　2生物質(zhì)燃料的燃燒特性

　　根據(jù)劉建禹和翟國(guó)勛[3]等對(duì)生物質(zhì)燃料的特性的研究可以發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)燃料與化石燃料相比存在明顯的差異。由于生物質(zhì)燃料的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)分析出、燃燒和殘余焦炭的燃燒以及燃盡兩個(gè)獨(dú)立階段。

　　其燃燒過程的特點(diǎn)：一是生物質(zhì)水分含量較多，燃燒需要較高的干燥溫度和較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，產(chǎn)生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高；二是生物質(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；三是由于生物質(zhì)發(fā)熱量低，爐內(nèi)溫度場(chǎng)偏低，組織穩(wěn)定的燃燒比較困難；四是由于生物質(zhì)揮發(fā)分含量高，燃料著火溫度較低，一般在250℃~350℃溫度下?lián)]發(fā)分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)增加燃料的化學(xué)不完全燃燒損失；五是揮發(fā)分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，若不采取適當(dāng)?shù)谋匾胧?，將?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)用方式的選擇只有從不同種類生物質(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。

　　3生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)

　　生物質(zhì)直接燃燒是將生物質(zhì)直接作為燃料燃燒，主要分為爐灶燃燒和鍋爐燃燒。直接燃燒是最簡(jiǎn)單也是最早被采用的生物質(zhì)能利用方式，但在過去的傳統(tǒng)燃燒方式中，生物質(zhì)燃燒效率極低，能源和資源的浪費(fèi)很大。因此，若能開發(fā)一種方便和高效的生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)，必將具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[4]。

　　3.1爐灶燃燒技術(shù)

　　爐灶在中國(guó)農(nóng)村生活中已沿用了幾千年，且占有相當(dāng)大的比例。舊式柴灶不但熱效率低（只有10%左右）、浪費(fèi)燃料，而且嚴(yán)重污染了環(huán)境[5]。自20世紀(jì)80年代開始，我國(guó)政府在農(nóng)村大力推廣節(jié)柴灶，至1996年底推廣節(jié)柴灶1.7億戶，每年減少了數(shù)千萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能源消耗[6]。節(jié)柴灶具有以下特點(diǎn)：一是熱能在灶內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，可以得到充分利用，故熱效率高(可達(dá)20%~25%)；二是沒有熏煙，污染少；三是質(zhì)量小，可拆裝；四是多功能。節(jié)柴灶的灶橋可以調(diào)整，隨著灶橋的調(diào)整可燒柴、燒鋸灰和燒煤。

　　目前，節(jié)柴灶的推廣仍然是一些農(nóng)村地區(qū)特別是偏遠(yuǎn)山區(qū)生物質(zhì)能利用的一個(gè)重要方面。采用先進(jìn)技術(shù)，提高全國(guó)數(shù)億臺(tái)小型爐具的燃燒和熱利用效率，降低污染物的排放，開發(fā)燃用農(nóng)作物的生物質(zhì)爐具，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村爐具的商品化和規(guī)?；?，以達(dá)到更廣泛的應(yīng)用，對(duì)于改變我國(guó)農(nóng)村生物質(zhì)利用狀況具有重大意義。

　　3.2鍋爐燃燒

　　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，以提高生物質(zhì)的利用效率，適應(yīng)于相對(duì)集中、大規(guī)模利用生物質(zhì)資源。生物質(zhì)燃料的種類很多，按照鍋爐燃燒方式的不同又可分為流化床鍋爐和層燃爐等。本文重點(diǎn)討論生物質(zhì)直接燃燒流化床技術(shù)。

　　3.2.1國(guó)外發(fā)展利用狀況

　　國(guó)外采用流化床技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能已有相當(dāng)規(guī)模和一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)愛達(dá)荷能源產(chǎn)品公司已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)出燃燒生物質(zhì)媒體流化床鍋爐，蒸汽鍋爐出力為4.5~50t/h，供熱鍋爐出力為36.67MW；美國(guó)CE公司利用魯奇技術(shù)研制的大型燃燒廢木循環(huán)流化床鍋爐出力為100t/h，蒸汽壓力為8.7MPa；此外，瑞典以樹枝和樹葉等林業(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100t/h，熱功率達(dá)到80MW[7]。

　　英國(guó)Fibrowatt電站的3臺(tái)額定負(fù)荷為12.7MW，13.5MW和38.5MW的鍋爐，每年直接燃用75萬(wàn)t的家禽糞便，發(fā)電量足夠10萬(wàn)個(gè)家庭使用；禽糞經(jīng)燃燒后質(zhì)量減輕90%，便于運(yùn)輸，并作為肥料在全英和中東及遠(yuǎn)東銷售[8]。歐盟成員國(guó)在大力發(fā)展本國(guó)生物質(zhì)能利用技術(shù)的同時(shí)，在1991年與東盟合作啟動(dòng)了“COGEN計(jì)劃”，其宗旨就是幫助東南亞各國(guó)有效利用本國(guó)的生物質(zhì)資源，從而加速該地區(qū)的發(fā)展[9]。

　　3.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展利用狀況

　　我國(guó)對(duì)采用流化床技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)直接燃燒方面的研究起步較晚。哈爾濱703研究所設(shè)計(jì)的一臺(tái)用石英砂作床料的媒體流化床燃木屑鍋爐于1986年10月9日通過省級(jí)鑒定，燃爐燃燒效率達(dá)到99.4%，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白[10]。

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)在20世紀(jì)80年代末進(jìn)行了生物質(zhì)燃料的流化床燃燒技術(shù)研究，研制成功12.5t/h燃甘蔗渣流化床鍋爐[11]。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?、空氣與生物質(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。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，并先后與無(wú)錫鍋爐廠和杭州鍋爐廠合作開發(fā)了10t/h燃用咖啡渣流化床發(fā)電鍋爐、35t/h燃用稻殼流化床鍋爐以及10t/h燃用稻殼的鏈條爐[12]。

　　華中理工大學(xué)等對(duì)稻殼進(jìn)行了氣力輸送試驗(yàn)，并在固定床及半工業(yè)性流化床試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)研究，得出了燃燒速率表達(dá)式[13]，并設(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3段組合燃燒采取了4段送風(fēng)的方式。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(zhǎng)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)分中的可燃物在懸浮段進(jìn)一步充分燃燒。

　　從國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，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)燃料完全燃燒，從而提高了生物質(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和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。

　　3.3生物質(zhì)和礦物燃料的混合燃燒技術(shù)

　　由于大部分生物質(zhì)燃料的含水量較高，且組分復(fù)雜，因此很難使燃用生物質(zhì)的鍋爐以較低的成本達(dá)到與常規(guī)鍋爐相比的效率。然而，實(shí)踐表明，采用生物質(zhì)與礦物燃料的混合燃燒技術(shù)，既可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)上的合理性，又可以降低鍋爐排放物的濃度。這是因?yàn)樯镔|(zhì)的含氮量比煤少，且生物質(zhì)燃料中的水分使燃燒過程冷卻，減少了NOX的熱形成?；旌先紵龝?huì)對(duì)燃燒穩(wěn)定性、給料及制粉系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可通過調(diào)整燃燒器和組料系統(tǒng)滿足要求。

　　目前，國(guó)內(nèi)已有多家鍋爐廠家生產(chǎn)生物質(zhì)和煤混燒的鏈條爐和流化床爐。典型的混燃鍋爐分別在東南亞國(guó)家和我國(guó)廣東、浙江等省運(yùn)行。其中，東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG220/9.8-13型煙煤與紙?jiān)鞜h(huán)流化床鍋爐已在浙江寧波投入運(yùn)行。

　　生物質(zhì)型煤是指破碎成一定粒度和干燥到一定程度的煤及可燃生物質(zhì)按一定比例摻混，加入少量固硫劑，利用生物質(zhì)中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等與煤粘接性的差異壓制而成。生物質(zhì)在其中既起粘接作用又起助燃作用。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)（如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、煤炭科學(xué)研究總院、北京煤化學(xué)研究所和哈爾濱理工大學(xué)等）進(jìn)行了生物質(zhì)型煤的某些開發(fā)工作和實(shí)驗(yàn)室研究。生物質(zhì)型煤雖然具有優(yōu)良的燃燒性能和環(huán)保節(jié)能效果，但在國(guó)內(nèi)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究與工業(yè)試生產(chǎn)階段，尚未形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素阻礙了它的工業(yè)化發(fā)展應(yīng)用。

　　4生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)存在的問題

　　生物質(zhì)直接燃燒具有技術(shù)成熟、設(shè)備較簡(jiǎn)單、燃燒后的灰分用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下問題：

　　1)生物質(zhì)流化床鍋爐對(duì)入爐的燃料顆粒尺寸要求嚴(yán)格，因此需對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行篩選、干燥和粉碎等一系列預(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。

　　2)對(duì)于稻殼和木屑等比重較小、結(jié)構(gòu)散松及蓄熱能力差的生物質(zhì)，必須不斷地添加石英砂等床料，以維持正常燃燒所需的蓄熱床料[14][15]。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后很難加以綜合利用。

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

　　4)生物質(zhì)燃料的高含水量使鍋爐排煙容積增大、效率降低；燃燒某些堿金屬含量較高的燃料(如稻草)時(shí)受熱面易高溫腐蝕、流化床燃燒過程中某些燃料與床料之間的反應(yīng)而導(dǎo)致床凝結(jié)、直接燃燒某些高含氮量燃料時(shí)NOX濃度過高等現(xiàn)象，大大影響了燃燒效率的提高和排放物濃度的有效控制。

　　5)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季節(jié)與地區(qū)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。

　　5結(jié)論

　　1)生物質(zhì)的種類繁雜，應(yīng)根據(jù)不同種類的生物質(zhì)燃料的燃燒特性開發(fā)不同的燃燒技術(shù)，并研制相應(yīng)的燃燒設(shè)備，這有利于提高生物質(zhì)燃料的燃燒效率。

　　2)生物質(zhì)燃料與礦物質(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和NOX等有害氣體的排放濃度。

　　3)采用生物質(zhì)燃燒設(shè)備可以最大速度地實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的大規(guī)模減量化、無(wú)害化和資源化利用，而且成本較低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和開發(fā)潛力。

　　4)在我國(guó)長(zhǎng)期大量使用化石燃料過程中，對(duì)于化石燃料燃燒技術(shù)的研究及其應(yīng)用已取得了豐碩的成果，在此基礎(chǔ)上發(fā)展生物質(zhì)廢棄物直接燃燒技術(shù)，將生物質(zhì)廢棄物作為燃料進(jìn)行開發(fā)利用，能夠同時(shí)取得能源和環(huán)境兩方面的效益，是比較適合我國(guó)國(guó)情的、大規(guī)模高效利用生物質(zhì)廢棄物的、最有前途的技術(shù)之一。

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