第2章 燃烧技术

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1、第 2 章 生物质燃烧技术在现代社会，人类对能源的消化量不断上升，能源问题已成为制约社会经济发展的因素之一，同时，人们也已 认识到利用不可再生能源有限性和其对环境的不利影响。我国的煤炭能源占一次能源消费的 75%，每年仅二氧化硫的 排放量就在 2000 万吨以上，若长期按此能源消费结构发展下去，不仅会污染环境、破坏生态系统和危害人体健康，而 且也会造成未来的资源枯竭。目前，时间各国都在开发低污染、可再生新能源，逐步取代石油、煤、天然气等不可再 生能源，以使人类的能源利用走向可持续发展道路，而生物质能以其资源储量丰富、清洁方便和可再生特点，具有极 大的开发潜力。2.1 生物质燃烧技术的特点生物质

2、的直接燃烧是最简单的化学转化工艺。生物质在空气中燃烧是利用不同的过程设备（例如窑炉、锅炉、蒸 汽透平、涡轮发电机等）将贮存在生物质中的化学能转化为热能、机械能或电能。生物质燃烧产生的热气体温度大约 在8001000C。各种生物质都可以燃烧，但实际上只有水分含量小于50%的生物质才可能燃烧（除非将生物质进行 预干燥），而水分含量高的生物质最适合于生物化学转化过程。大型的生物质工业燃烧装置容量在100300MW之间。 生物质与煤在燃煤锅炉中的混合燃是一个非常好的选择，因为共燃过程的转化效率高。生物质燃烧过程生物质能的净 转化效率在20%40%之间，容量早100MW以上的燃烧系统或生物质与煤在混烧过

3、程中才能达到较高的转化效率。但 由于生物质中含有较高的碱金属，在高温燃烧过程中将会给燃烧装置的正常运行带来很多问题。生物质燃料与化石燃料相比存在很大的差异：（1）含碳量较少，含固碳少。生物质燃料中含碳量最高的也仅50%左右，相当于生成年代较少的褐煤的含碳量， 特别是固定碳含量明显比煤炭少，因此，生物质燃料不抗烧，热值较低。（2）含氢量稍多，挥发分明显较多。所以生物质燃料易被引燃，燃烧初期析出量较大，在大气和温度不足的情况 下易产生镶黑边的火焰，在使用生物质为燃料的设备设计中必须注意这一点。（3）含氧量多，明显多于煤炭，这使得生物质燃料热值低，但易于引燃，在燃烧时可相对地减少供给空气量。（4）密

4、度小，质地比较疏松，特别是农作物秸秆和粪类，易于燃烧和燃尽，灰烬中残留的碳量较燃用煤炭少。（5）含硫量低，大多于 0.20，燃烧时不必设置气体脱硫装置，降低了成本，并利于保护环境。生物质燃料的燃烧过程是燃料和空间间传热、传质过程。燃烧不仅需要燃料，而且必须有足够温度的热量供给和 适当的空气供应，它可分为：预热、干燥（水分蒸发）、挥发分析出和焦炭（固定碳）燃烧等过程。产生火焰的燃烧过程分为两个阶级：挥发分析出燃烧和焦炭燃烧，前者约占燃烧时间的10%，后者则占 90%，同 时也可看出，生物质燃烧过程中有以下特点：（1）由于生物质燃料的密度小，结构比较松散，挥发分含量高，在250C时热分解开始，在3

5、25C时就已经十分 活跃，325C时挥发分能析出80%。因此，挥发分析出的时间较短，若空气供应不当，有机会发挥不容易燃尽而排 出，排烟为黑色，严重时为浓黄色烟。所以在设计燃用生物是燃料的设备时，必须有足够的扩散型空气供给，燃 烧室必须有足够的容积，以便有一定的燃烧空间和燃烧时间，同时空气供给量的多少也是生物质气化炉设计的关 键之一。（2）挥发分逐渐析出和燃烧完后，燃料的剩余物为疏松的焦炭，气流运动会将一部分炭粒裹如烟道，形成黑絮， 所以通风过强会降低燃烧效率。（3）挥发分烧完后，焦炭燃烧受到灰烬包裹和空气渗透较难的影响，妨碍了焦炭的燃烧，造成灰烬中残留余炭。 为促进焦炭的充分燃烧，此时应适当加

6、以捅火或加强炉壁的通风。（4）生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产生的延期体积较大，排烟热损失较高； 由于生物质发热量低，炉内温度常偏低，组织稳定的燃烧比较困难。2.2 国内外生物质燃烧技术的研究生物质直接燃烧分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。炉灶燃烧：操作简单、投资较小，但燃烧效率普遍偏低，造成生物质资源的严重浪费； 锅炉燃烧：采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料进行燃烧，提高了生物质的利用效率，可相对集 中、大规模地利用生物质资源。生物质燃料锅炉分类：木材炉、柴薪炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等（按燃用生物质品种分）； 流化床锅炉、层燃炉等（按锅炉燃烧方式分）。目前，国外采用

7、流化床技术开发生物质能已经具有相当的规模和一定的运行经验，如美国、瑞典、丹麦等。我国自20世纪80年代末开始，别如山等对燃烧生物质流化床锅炉进行了深入细致的研究。从国内外生物质直接燃烧技术的发展状况来看，流化床锅炉对生物质燃料的适应性较好，负荷调节范围较大， 床内颗粒扰动剧烈，传热和传质十分优越，这有利于高温烟气、空气与燃料混合充分，为高水分、低热值的生物 质燃料提供了极佳的着火条件，同时由于燃料在床内停留的时间较长，可以确保生物质燃料完全燃烧，从而提高 了燃生物质锅炉的效率。另外，流化床锅炉能较好地维持生物质在850C左右的稳定燃烧，所以燃料燃尽后不易 结渣，并且减少了氮氧化物、硫氧化物等有

8、害气体的生成，具有显著的经济效益和环保效益。但是，流化床锅炉对入炉的燃料颗粒尺寸要求严格，因此需要对生物质进行筛选、干燥、粉碎等一系列预处 理，使尺寸、状况均一化，以保证生物质燃料的正常流化。对于类似稻壳、木屑等比重较小、结构松散、蓄热能 力比较差的生物质，就必须不断地添加石英砂等以维持正常燃烧所需的蓄热床料，燃烧后产生的生物质飞灰较硬， 容易磨损锅炉受热面，并且灰渣混入了石英砂等床料很难加以综合利用，此外，为了维护一定的流化床床温，锅 炉的耗电量较大，运行费用也相对较高。采用层燃技术开发的生物质锅炉结构简单、操作方便、投资和运行费用都相对较低。由于锅炉的排面积较大， 炉排速度可以调整，并且炉

9、膛容积有足够的悬浮空间，能延长生物质在炉内燃烧的停留时间，有利于生物质燃料 的充分完全燃烧。但生物质燃料的挥发分析出速度快，燃烧时需要补充大量的空气，如不及时将燃料与空气充分 混合，会造成空气供给量不足，难以保证生物质燃料的充分燃烧，从而影响锅炉的燃烧效率。2.3 生物质燃烧技术2.3.1 生物质直接燃烧主要用于发电或集中供热，项目投资低。但直接燃烧生物质特别是木材，产生的颗粒排放物对人体的健康有影响 此外，水分含量高，燃烧效率低，浪费了大量的能量。生物质直接燃烧技术的研究开发，主要着重于专用燃烧设备的设计和生物质成型物的应用。目前，在世界上有许 多直接燃烧生物质燃料的锅炉和其它燃烧设置，主要

10、分布在林木产区、木材工业区和造纸工业区。由于生物质形状各异，堆积密度小，给运输和储存使用带来了较大的困难，影响了生物质的使用，因此，从20世 纪 40 年代开始了生物质成型技术的研究开发。生物质成型燃料燃烧设备分类：按规模：小型炉、大型锅炉和热电联产锅炉；按用途和燃料品种：木材炉、壁炉、颗粒燃料炉、薪柴锅炉、木片锅炉、颗粒燃料锅炉、秸秆锅炉、其它燃料锅 炉；按燃烧形式：片烧炉、捆烧炉、颗粒层燃炉等。上述日本、美国及欧美一些国家的生物质成型燃料燃烧设备具有加工工艺合理、专业化程度高、操作自动化程度 高、热效率高、排烟污染小等优点，但对我国而言，其价格高、使用燃料品种单一、易结渣、电耗高，不适合引

11、进我 国。我国从20 世纪80 年代引进开发了螺旋推进式秸秆成型机，近几年形成了一定的生产规模。但国内成型设备在引 进及设计制造过程中，都不同程度地存在着技术及工艺方面的问题，但生物质成型燃料有许多独特优点：如便于储存 运输、使用方便、卫生、燃烧率高、清洁环保。因此，生物质成型燃料在我国一些地区已经批量生产，并形成研究、 生产、开发的良好势头。在未来的能源消耗中，生物质成型燃料将占有越来越大的份额。2.3.2 生物质和煤的混合燃烧对于生物质来说，近期有前景的应用也许是现有电厂利用木材或农作物的残余物与煤的混合燃烧。利用此技术， 除了显而易见的对废物利用的好处外，另一个益处是燃煤电厂可降低氮氧化

12、物的排放。在煤种混入生物质如木材，会对炉内燃烧的稳定和给料及制粉系统有一定的影响。许多电厂的运行经验证明：在 煤中混入少量木材（1%8%）对运行不会产生任何问题；当木材的混入量上升到 15%时，需对燃烧器和给料系统进行 一定程度的改造。研究证明：旋风炉的改造费用最低，大约50美元/KW，其利用木材混合燃烧的比例问哦1%10% （按发热量计 算）；煤粉炉利用木材混合燃烧的比例很低，一般为1%3%，需要约3000美元/KW的改造费用。2.3.3 生物质的气化燃烧生物质燃料要广泛、经济地应用于动力电厂，那么其应用技术必须能在中等规模的电站提供较高的热效率和相对 低的投资费用，生物质的气化技术可使人们

13、向这一目标迈进。生物质气化是在高温条件下，利用部分氧化法，使有机物转化成可燃气体的过程。产生的气体可以直接作为燃料， 用于发动机、锅炉、民用炉灶等场合。目前研究的主要用途是利用气化发电和合成甲醇以及产生蒸汽，与煤的气化不 同，生物质气化不需要苛刻的温度和压力条件，这主要是由于生物质有较高的反应能力。通常，生物质气化温度是 800 850C，用空气作为氧化剂而产生生物气，生物气的热值一般在26MJ/m3，是一种低热值气。目前，被广泛使用的生物质气化装置是常压循环流化床和增压循环床。流化床燃烧技术是一种成熟的技术，在矿 物燃料的清洁燃烧领域早已进入商业化使用。利用循环流化床作为生物质气化装置的优点

14、如下：（1）流化床对气化原料有足够的适应性，不仅能处理各种生物质燃料，树皮、锯末、木材废料，还可以气化废物 衍生燃料和废旧轮胎等。（2）生物质燃料不需碾磨，不需预先干燥处理，水分高达 60%70%。（3）生物质可燃颗粒和床料经旋风筒的分离作用，从回料管返回流化床底部。这样可回收部分热量，提高生物质 的热转换效率。当今生物质的气化燃烧的主要技术有生物质与煤的混合燃烧和生物质的IGCC技术。（1）生物质/气和煤的混合燃烧：生物质气化的早期开发中所走的商业化道路。（2）生物质的 IGCC 技术（气化联合循环）：最初作为一种先进的煤清洁燃烧技术，在 20 世纪 90 年代已部分进 入商业化使用。2.3

15、.4 城市垃圾的燃烧技术城市垃圾的“变废为能”从20 世纪中叶兴起一直发展到今天，其明显的主导选择始终且将来也会是“整体焚烧技 术”，因为这种技术并不需要在焚烧前进行任何准备或分类。回收燃烧生成热量的装置，最常见的是使用锅炉套管，这些套管安装在焚烧炉的外币，管中只在较低部有水，而 在上升过程中水蒸气的成分变得愈来愈高。进入 21 世纪以后，随着我国城市建设的的发展和社会的进步，城市生活垃圾的年产量逐年递增，其构成也逐步向 “灰分少、高热值”的方向发展，因此以焚烧技术为代表的新型垃圾处理技术正飞速发展，成为新型的环保产业，该 技术与传统的垃圾填埋方式相比，在环境保护和资源利用方面都具有明显的优势

16、。2.3.5 其他燃烧技术（1）层燃技术（2）流化床燃烧技术（3）悬浮燃烧技术2.4 生物质燃烧直接发电技术生物质能转化为电力主要有直接燃烧后用蒸汽进行发电和生物质气化发电两种。生物质气化发电是更洁净的利用方式，它几乎不排放任何有害气体，小规模的生物质气化发电比较适合生物质的分散利用，投资较少，发电成本也较低，适于发展中国家应用，目前已进入商业化示范阶段。大规模的生物质气化发电一般采用生物质联合循环发电（IGCC） 技术，适用于大规模开发利用生物质资源，能源效率高，是今后生物质工业化应用的主要方式，目前已进入工业示范 阶段。生物质气化发电技术有以下三种方法：（1）带有气体透平的生物质加压气化（

17、2）带有透平或者是引擎的常压生物质气化（3）带有 Rankine 循环的传统生物质燃烧系统传统的生物质气化联合发电技术（BIGCC）包括：（ 1）生物质气化（ 2）气体净化（ 3）燃气轮机发电（ 4）蒸汽轮机发电目前，我国垃圾的历年堆存量已达到60 亿吨，一些大城市如北京、上海，垃圾日产量已经超过12000 吨。如我国 将城市生活垃圾量的 1/3 有效地用于发电，相当于每年节省煤炭2100 万吨。垃圾焚烧发电方式将是城市处置生活垃圾 的最佳方式。目前，我国的生物质发电技术的最大装机容量与国外相比，还有很大的差距，在现有的条件下研究开发与国外相 同技术路线的BIGCC系统，存在很大困难。利用现在

18、技术研究开发经济上可行、效率较高的生物质气化发电系统是今 后我国能否有效利用生物质的关键。2.5 生物质和煤的混合燃烧技术生物质与煤的混合燃烧时一种综合利用生物质能和煤炭资源，并同时降低污染排放的新型燃烧方式。我国生物质 能占一次能源总量的 33%，是仅次于煤的第二大能源。同时，我国又是一个燃煤污染排放很严重的发展中国家，因此， 发展生物质与煤混合燃烧这种既能减轻污染又能利用可再生能源的廉价技术比较适合我国的国情。在大型燃煤电厂， 将生物质和矿物燃料混合燃烧，不仅为生物质与矿物燃料的优化提供了机会，同时许多现存设备也不需要太大的改动， 这降低了整个投资费用。2.5.1 混合燃烧的特点生物质和煤

19、混合燃烧过程主要包括水分蒸发、前期生物质及挥发分的燃烧和后期煤的燃烧等。在煤中掺入生物质 后，可以改善煤的着火性能，获得更好的燃尽特性，改善燃烧放热的分布状况，提高生物质的利用率。总之，对于褐煤和烟煤而言，加入生物质对提高其燃烧速率是有利的，这主要是与生物质的高挥发分和低着火点 以及其燃烧后形成的灰分对煤的燃烧有一定的催化作用有关。2.5.2 生物质型煤生物质型煤是一种新型煤，是指将破碎成一定粒度和干燥到一定程度的煤及可燃生物质，按一定比例掺混，加入 少量固硫剂，在高压下压制成的型煤。发展生物质型煤的必要性也体现在以下几个方面：（1）可有效利用难着火、难燃尽、高污染煤，如无烟粉煤、高硫煤、煤泥

20、等，因为常规型煤很难解决其着火、污 染、充分燃尽和长途运输等问题；（2）有利于降低燃煤的排尘、不冒黑烟、少排有害气体，有利于环保；（3）有利于工农业可燃废物变废为宝；（4）有利于燃尽灰的综合利用 。1、生物型煤的理论分析（1）高压成型的高强度型煤，其组织紧密，燃烧时热膨胀较小，燃烧过程中不会自动破碎，飞灰极少；（2）可采用静态渗透式扩散燃烧方式，其燃烧始终围绕型煤球的内部、表面及周围空间运行，而且空间部分燃烧 又是气体（只要是一氧化碳）燃烧，以渐变的燃烧取代突变的燃烧，烟尘产生很少，不冒黑烟；（3）生物质型煤的扩散燃烧特征决定，在850950C范围内燃烧较为理想，这属于低温燃烧区域，所以氮氧化

21、 物产生很少；（ 4）生物质型煤堆固硫具有高效性2、生物质型煤成型过程成型过程是生产生物质型煤的关键步骤之一，即将松散的型煤各原料在成型机内直接在高压下压制成型煤。由于 生物质型煤成型过程不加粘结剂，所以要求成型压力一般在10MP以上。生物质型煤成型后，通过进一步筛选，将少 量次品和夹带的粉状物料返回料斗重新加工成型，合格型煤作为下一步燃烧试验的原料。3、生物质型煤成型机理生物质型煤可采用热压成型或冷压成型。4、生物质型煤减排C02、S02和经济性的分析按热工等效原则下估算矿物燃料燃烧排入大气的削减量，考虑生物质代煤和型煤节煤所产生的两部分削减量，可以确定生物质型煤减排CO2量。国内工业型煤初

22、步应用的实践已表明：型煤燃烧的节煤率可达10%12%。加入生物质后由于燃烧性能的改善，节煤效果更好。若按20%的生物质加入量和10%的节煤率估算，原煤和生物质的热值分别取 17693KJ/KG和10470KJ/KG,则可削减C02为21.8%。由于生物质着手温度低于煤的着火温度，这使得生物质现行烧尽。 其燃烧造孔作用既有利于型煤烧透，又有利于固硫反应中先生成的亚硫酸钙及时氧化成更耐高温分解的硫酸钙，从而 提高工业燃烧的固硫率。若按1200r左右温度下型煤现有固硫率50%计，加上代煤和节煤减排的S02，总削减率可达 70%。这一减硫效益足以吸收生物质型煤在我国的开发和推广。5、生物质型煤燃烧的动

23、力学研究(1)由不同煤种为基础的生物质型煤，具有明显不同的燃烧速度，且受生物质影响很小。(2) 对于生物质型煤，在800950r范围内，燃烧温度对燃烧速率影响远不如通风情况下对燃烧速率的影响。(3) 加入固硫剂对生物质型煤燃烧速率有一定影响。(4) 在生物质型煤中，生物质含量只在20%以下时对燃烧初期的燃烧速率才有明显影响，即燃烧速率与生物质含 量成正比，对其燃烧的中后期基本无影响，而且燃烧速率趋于一致。(5) 生物质型煤的燃烧初期相对燃烧速率与型煤球质量成正比，而燃烧中后期相对燃烧速率基本不受型煤质量大 小的影响，在某段时间内的总相对燃烧速率与型煤球质量成反比，其平均燃烧速率与型煤球质量成正

24、比。2.6 生物质燃烧技术展望目前，生物质燃烧技术研究主要集中在高效燃烧、热电联产、过程控制、烟气净化、减少排放量与提高效率等技 术领域，另外，对减少投资、降低运费等方面也进行了相关的研究。在热电联产领域，出现了热、电、冷联产，以热 电厂为热源，采用镍化锂吸收式制冷技术提供冷水进行空调制冷，可以节省空调制冷的用电量；热、电、气联产则以 循环流化床分离出来的800900r的灰分作为干馏炉中的热源，用于馏炉中的新燃料析出挥发分生产干馏气。流化床 技术仍然是生物质高效燃烧技术的主要研究方向，特别像我国这样生物质资源丰富的国家，我国有12亿多人口，绝大 多数居住在广大的乡村和小城镇，其生活用能的主要方式仍然是直接燃烧。剩余物秸秆、稻草松散型物料是农村居民 的主要能源，因此开发研究高效的燃烧炉、提高使用热效率就显得尤为重要，这样既减少了有效资源的浪费又防止了 环境污染，尤其是煤的消费，因此开发改造乡镇企业用煤设备(如锅炉等)，用生物质替代燃煤在今后的研究开发中应 占有重要的地位。把松散的农林剩余物进行粉碎分级处理后，加工成型为定型的燃料，结合专用技术和设备的开发， 在我国将会有较大的市场前景，家庭和暖房取暖用的颗粒成型燃料的推广应用工作，将会是生物质成型燃料研究开发 的热点。