春發綠能科技有限公司-專營木顆粒

關於生物質燃燒技術的綜述2015-10-08


生物質能源是一種分佈廣、資源量豐富的清潔可再生資源,其能源化利用過程可導致CO2零排放,因此生物質能的研究與開發日益受到各國政府、專家、工業界的關注。目前生物質能的主要開發利用技術包括生物質的固化、氣化、液化以及燃燒技術,其能源產品包括成型固體燃料、炊事燃氣、液體燃料(生物油、柴油、汽油等)、電、熱(或暖氣)。生物質因具有揮發分高、炭活性高,N、S含量低(含N量0.5%~3%、含S量一般僅0.1%~0.5%),灰分低,生命週期內燃燒過程CO2零排放等特點,特別適合燃燒轉化利用,是一種優質燃料。在我國,發展生物質燃燒技術既能緩解溫室效應,又能充分利用廢棄生物質資源,改善或提高農民的生活條件,而且對現有的燃燒設備不需作較大改動,因此具有明顯的社會意義與經濟意義,符合我國現階段國情和生物質開發利用水平。

1、生物質資源量及國內外利用情況

生物質(biomass)是指有機物中除化石燃料外的所有來源於動、植物能再生的物質。生物質能則是指直接或間接地通過綠色植物的光合作用,把太陽能轉化為化學能後固定和貯藏在生物體內的能量。生物質包括林木廢棄物(木塊、木片、木屑、樹枝等)、農業廢棄物、水生植物、油料植物、有機物加工廢料、人畜糞便及城市生活垃圾等。生物質資源量巨大,年產量約1460億噸。我國每年僅農作物秸稈(稻稈、麥稈、玉米稈等)產量可達7.5億噸,人畜糞便3.8億噸,薪柴年產量(包括木材砍伐的廢棄物)約為1.7億噸,農業加工殘餘物(稻殼、蔗渣等)約為0.84億噸,城市生活垃圾污水中的有機物約為0.56億噸,還有工業排放的大量有機廢料、廢渣,每年生物質資源總量折合成標準煤約2~4億噸。如果包括生活垃圾,則資源量更大。

自1992年世界環境與發展大會後,歐美國家開始大力發展生物質能。歐盟規劃2010年可再生能源比例達12%,每年可替代2000萬噸石油,其中成本較低的生物質能約佔80%。美國1999年明確提出規劃到2010年生物製品及生物質能的產量將為當時水平的3倍,生物質能比達10%。由此可見,生物質能在一些發達國家應用較為廣泛。相對而言,我國在生物質能現代化利用方面的成功例子很少,相應的開發研究急需加強。在眾多的轉化利用技術中,生物質燃燒技術無疑是最簡便可行的高效利用生物質資源的方式之一。

2、生物質燃料的基本特性

2.1 生物質基本成分

生物質燃料中易燃部分主要是纖維素、半纖維素、木質素。燃燒時纖維素、半纖維素和木質素首先放出揮發分物質,最後轉變成炭。幾種典型的生物質組成成分見表1。

2.2 燃燒特性

試驗研究發現生物質揮發物的燃燒效率比炭化物質快。

燃料著火前為吸熱反應;到著火溫度以後,生成氣相燃燒火焰和固相表面燃燒的光輝火焰,為放熱反應。具體的燃燒性能見表2。部分生物質燃燒特性曲線如圖1~圖2所示。

3 、生物質燃燒技術及發電

3.1 工業鍋爐燃燒技術

目前開發適用於各種工業鍋爐生物質燃燒技術,是生物質能有效利用的重要途徑。下面主要介紹幾種傳統的鍋爐燃燒技術和新興的流化床燃燒技術。

3.1.1 傳統的鍋爐技術

傳統的層燃技術是指生物質燃料鋪在爐排上形成層狀,與一次配風相混合,逐步地進行乾燥、熱解、燃燒及還原過程,可燃氣體與二次配風在爐排上方的空間充分混合燃燒,可分為爐排式和下飼式。

爐排式:爐排形式種類較多,包括固定床、移動爐排、旋轉爐排和振動爐排等,可適於含水率較高,顆粒尺寸變化較大以及水分含量較高的生物質燃料,具有較低的投資和操作成本,一般額定功率小於20MW。在丹麥,開發了一種專門燃燒已經打捆秸稈的燃燒爐,採用液壓式活塞將一大捆的秸稈通過輸送通道連續地輸送至水冷的移動爐排。由於秸稈的灰熔點較低,通過水冷爐牆或煙氣循環的方式來控制燃燒室的溫度,使其不超過900℃。國內生活垃圾發電廠幾乎都採用這種爐型燃燒。

下飼式:作為一種簡單廉價的技術,廣泛的應用於中、小型系統,燃料通過螺旋給料器從下部送至燃燒室,簡單、易於操作控制,適用於含灰量較低和顆粒尺寸較小的生物質燃料。

3.1.2 流化床燃燒技術

20世紀80年代初興起的循環流化床燃燒技術,具有燃燒效率高、有害氣體排放易控制、熱容量大等一系列優點。流化床鍋爐適合燃用各種水分大、熱值低的生物質,具有較廣的燃料適應性;燃燒生物質流化床鍋爐是大規模高效利用生物廢料最有前途的技術之一。根據生物質原料的不同特點,分為鼓泡流化床技術(BFB)和循環流化床技術(CFB)。

鑑於流化床鍋爐的上述優點,西方發達國家早已採用流化床燃燒技術利用生物質能。美國、瑞典、德國、丹麥等工業化國家生物質能利用技術已居世界領先地位。國內哈爾濱工業大學早在1991年就進行了生物質燃料的流化床燃燒技術研究;浙江大學提出了用於不同規模、各種爐型的生物質燃燒系統的生物質利用轉化方案。另外,為了提高生物質在小型燃燒裝置上的利用效率,浙江大學還致力於成型燃燒技術和流化床混燒技術的研究。

浙江大學陳冠益等設計了一台35t/h稻殼流化床鍋爐,並給出了稻殼在流化床燃燒時流化、混合和著火特性的研究結果,具體如圖3~圖4所示。閻常峰等設計了變截面管式布風流化床用以研究不同顆粒粒度、不同床層高度、不同截面流速、布風的均勻性以及非平衡布風時顆粒的流化特性,為測試燃燒所需物料的流化特性對焚燒的著火、氣化、穩定燃燒及污染物生成特性提供基礎數據。Armestoa等分析比較了循環流化床和鼓泡流化床技術的特點及其適用場合。

主要結論有:1)CFB技術較BFB技術有相對較高的燃燒效率;2)CFB技術CO2、CO排放較BFB技術降低5%~10%;3)提高生物質的份額有助於提高燃燒份額和減少環境污染;此外,也研究了溫度、流化速度對生物質燃燒效率的影響以及CO的排放情況,並收集了焚燒爐、旋風分離器以及布袋除塵器的底灰,對其物理成分進行了分析。加拿大McCann在對生物質鼓泡流化床焚燒爐設計回顧時,評述了法國和北美製造的典型生物質鼓泡流化床鍋爐典型設計參數,水分和灰分的影響,污染氣體的排放,並分析比較了鼓泡流化床和傳統爐排爐的優缺點。

3.2 生物質與煤混燒技術

將生物質如木材或農林廢棄物與煤混合燃燒,既可將廢物高效利用,又能降低NOX的排放。因為生物質的含氮量比煤少,而且水分使燃燒過程冷卻,減少了NOX的熱形成。同時由於生物質的活性強,和煤混燒顯示出良好的協同性。目前生物質與煤混燃技術在歐洲和美國利用較多,是研究的熱點之一。

中國礦業大學的閔凡飛、張明旭等對生物質和煤混合燃燒過程進行了仔細的研究。根據燃燒過程,得出了生物質和煤的混合燃燒特性曲線如圖5所示。

美國得克薩斯大學的Sami綜述了生物質與煤混燒的特性,混燒時NOX、SOX排放量較低,並有效地降低了CO2的排放量。此外,混燒還能降低燃料消耗、減少化學組分對水和土壤的污染。同時也提出了有待解決的問題:1)含鹼的生物質灰處理須引起高度注意;2)在焚燒爐內燃燒的生物質最大粒徑尺寸需要進一步研究;3)現有的給料器系統需要重新組裝,因為生物質燃料相對於煤的熱值較低,為達到同熱量供給,需提高給料器的傳遞速率。

黑龍江新興選煤廠的張云利等作了生物質與煤混燒不同比例對燃燒速度的影響試驗。選用15%~40%鋸末無煙型煤,在850℃的馬弗爐中,全開門燃燒時,測出在不同燃燒階段的平均燃燒速率,試驗數據見表3。

3.3 生物質燃燒發電

生物質直燃發電技術由於其成本低,利用量大,一直被各國重視。在我國,直燃生物質發電技術主要在有穩定生物質原料來源的製糖廠和林木加工企業使用較多。英國Fibrowatt電站的3台額定負荷為12.7、13.5和38.5MW的鍋爐,每年直接使用750000t的家禽糞,發電量足夠100000個家庭使用;並且禽糞經燃燒後重量減輕90%,便於運輸,作為一種肥料在全英、中東及遠東地區銷售。由於生物質中含有大量的水分(有時高達60%~70%),在燃燒過程中大量的熱量以汽化潛熱的形式被煙氣帶走排入大氣,燃燒效率低,浪費了大量的能量。為了克服單燃生物質發電的缺點,當今使用較多的是利用大型電廠的設備,將生物質與煤混燃發電。大型電廠混燃發電能夠克服生物質原料供應波動的影響,在原料供應充足時進行混燃,在原料供應不足時單燃煤。利用大型電廠混燃發電,無需或只需對設備進行很小的改造,能夠利用大型電廠的規模經濟,熱效率高。

現在歐美一些國家都基本使用熱電聯合生產技術(CHP),鍋爐設計基本全部採用流化床技術。CHP工藝中發電效率在30%~40%,但是它有80%的潛力可控。瑞典和丹麥實行利用生物質進行熱電聯產的計劃,使生物質在提供高品位電能的同時,滿足供熱的需求。丹麥政府已明令電力行業必須每年焚燒140萬噸生物質,一般是在流化床爐上混燒或在爐排爐上全燒稻稈。

美國的生物質燃燒發電工作比較先進,相關的生物質發電站有350多座,發電裝機總容量達700MW,提供了大約6.6萬個工作崗位,據有關科學家估計,到2010年生物質發電將達到13000MW裝機容量,可安排17萬多就業人員。2002年日本提出計劃2010年生物質能發電達330MW。我國「十五」國家科技攻關計劃提出要推廣建成MW級電站10座以上,發電成本在0.25元/kWh左右。

3.4 城市生活垃圾焚燒發電

上述所探討的主要是以木質素及農林廢棄物為主的生物質,城市生活垃圾作為生物質的一種,因其組成的複雜性和特殊性,在此單獨考慮解決方法。

全球每年新增生活垃圾100多億噸,我國垃圾產量已達1.4億噸/年,並以每年8%~10%的速度遞增,因此解決垃圾問題刻不容緩。燃燒技術能達到很好的減容、減量目的,並可將其產生的能量用於發電,因此成為處理城市生活垃圾的主要方法之一。

中科院廣州能源所的趙松等對垃圾衍生燃料(RDF)在流化床中不同工況下的污染物NOX生成進行了實驗研究,結果表明:污染物NOX的產生與RDF本身的成分組成、燃燒溫度、過量空氣係數、二次風有密切聯繫;二次風的通入和過量空氣係數保持在1.1都能降低NOX的產生。

浙大的金余其等在電加熱流化床爐中研究了典型垃圾可著火組分揮發分析出及焦炭燃燒特性,並考察了水分、床溫等因素對燃燒的影響,同時還研究了垃圾中高水分組分的焚燒特點。研究表明聚合物類廢棄物揮發分析出質量速率要比生物質類廢棄物快,廢棄物的揮發分析出速率要比煤快得多;揮發分析出時間隨床溫的升高而近指數降低,水分的增加會延遲揮發分的析出,但可加速焦炭的燃燒;生物質類廢棄物焦炭的表觀燃燒速率隨直徑的增大而減小;高水分組分焚燒時不產生明顯火焰,近似一個水球蒸發,焚燒時間與等效表面積、體積直徑成正比。

4、生物質燃燒過程中的問題

在生物質燃燒過程中,因生物質含有較多的水分和鹼性金屬物質(尤其是農作物秸稈),燃燒時易引起積灰結渣損壞燃燒床,還可能發生燒結現象。燒結與溫度、流化風速和氣氛有關,但是溫度是影響燒結的最主要因素。稻草的燒結溫度在680℃,玉米稈的燒結溫度在740℃,高粱稈的燒結溫度在680℃。隨著溫度的升高,燒結塊尺寸增大,數量增多,硬度增強。此外,生物質在燃燒開始時期,揮發分釋出迅速,可能造成燃燒的揣動和間斷。

加拿大的Ergudenler等對麥稈氣化的燒結現象進行了試驗研究,得出除溫度外,風量也對燒結有影響。美國加利福尼亞大學的Salour對稻草燒結現象進行了研究,著重分析了灰含量對燒結產生的影響。哈爾濱工業大學的楊勵丹研究了稻草、玉米稈、高粱稈在燃燒時,床料溫度、灰含量、停留時間對燒結的影響。停留時間的影響主要表現在結塊的硬度和尺寸上。Sugita等研究了稻殼灰活性與其鍛燒溫度之間的關係以及工程上的可行性,並提出了一種製備高活性稻殼灰的新方法———兩段鍛燒法,以避免燒結。

為防止積灰結渣、燒結腐蝕問題發生,可以考慮如下措施:可將生物質原料與煤炭或泥炭混合燃燒,後者比例不小於30%;管道材料要使用具有抗腐蝕功能的富鉻鋼材或者鍍鉻;儘可能使用較低的蒸汽溫度;如有可能,使用淋溶過的生物質原料,如農作物收割後置於田間,經過雨淋和風乾後再使用。

目前,主要的燃燒床床料有Al2O3、Fe2O3,尤其是Fe2O3比SiO2、Al2O3更易與鹼金屬氧化物、鹽反應。南斯拉夫的Boristav等比較了Fe2O3、SiO2、Al2O3三種物質作床料的效果。Bapat等也著重報導了如何降低和克服床料凝結、床壁間、過熱器管結渣以及受熱面結垢的方法。提出的嘗試方法有:1)採用其他替代物質如白雲石、長石、菱鎂土及石灰石等作床料;2)採用添加劑;3)混入煤或褐煤等其他燃料。

5、生物質燃燒技術的發展趨勢與展望

近20年來,我國在生物質能燃燒利用方面取得了長足的進步;但與發達國家相比,無論技術層面還是應用層面仍有很大差距。為進一步促進我國生物質能產業的發展,建議政府的有關部門制定優惠政策,研究經濟高效的燃燒技術,促進建立生物質燃料收集、預處理和配送體系,鼓勵建設和使用生物質發電系統,即與煤混合燃燒發電系統,這將對我國社會經濟和環境持續協調發展起到重大深遠的影響。我們相信由於生物質的可再生性、環境友好性及對全球氣候異常的抑制作用,大力發展生物質能利用及燃燒發電技術前景良好且意義重大。

引用來源:http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3Mzk1MTc4NQ==&mid=220016731&idx=1&sn=c988f9d773d12661a913edbd027e42c5&scene=1&srcid=1007Z4ghlyp0VqtKjhWusZeM&from=groupmessage&isappinstalled=0#rd

Loading