生物质资源转化与利用-第三章-生物质直接燃烧技术

生物质资源转化与利用第三章生物质直接燃烧技术生物质热化学法物理化学法压缩成型直接燃烧液化气化微生物法发酵生物化学法固体燃料高压蒸汽、热气流直接液化间接液化共液化氢气、木煤气木炭、生物油、木煤气、醋液氢气沼气、乙醇燃烧供热、木炭燃料油、化工原料甲醇、柴油、二甲醚、氢气化学品、液体燃料热裂解3.1生物质直接燃烧概述生物质燃料是通过燃烧将化学能转化为热能的物质，由燃料获取的热能在技术上是可以被利用的，在经济上是合理的。植物生物质元素组成木材秸秆CHONSPKCHONCHONSC40~46%H5~6%O43~50%N0.6~1.1%S0.1~0.2%秸秆元素含量燃料种类工业成分分析/%元素组成/%热值Q(kJ/kg)水分灰分挥发分固定碳HCSNPK2O豆秸5.103.1374.6517.125.8144.790.115.852.8616.3316157稻草4.9713.8665.1116.065.0638.320.110.630.14611.2813980玉米秸4.875.9371.4517.755.4542.170.120.742.6013.8015550麦秸4.398.9067.3619.355.3141.280.180.650.3320.4015374牛粪6.4632.4048.7212.525.4632.070.221.411.713.8411627烟煤8.8521.3738.4831.303.8157.420.460.93--24300生物质燃料和固体矿物质燃料（煤）的主要差别：含碳量少，含固定碳少生物质燃料中含碳量最高的也仅为50%左右，特别是固定碳的含量，生物质燃料明显比煤炭少，因此生物质燃料不耐烧，且热值低。含氢量较多，挥发明显较多生物质燃料中的碳多数和氢结合成低分子的碳氢化合物，遇一定的温度后热分解而析出挥发物。所以生物质燃料易被引燃，燃烧初期，析出量较大。燃烧物种C/%O/%H/%S/%灰分/%挥发分/%密度/(t/m3)生物质燃料38~5030~445~60.1~0.24~1465~700.47~0.64煤炭55~903~203~50.4~0.65~257~380.8~1生物质燃料和煤炭在结构上的主要差别：含氧量多密度小含硫量少生物质燃烧分类直接燃烧最普通的生物质能转换技术混合燃烧与其他燃料（如煤）共同燃烧气化燃烧转化为气体燃料，进一步燃烧生物质燃烧原理及特征含有较多水分的生物质固体燃烧过程：1.生物质表面的水分被蒸发2.生物质内部的水分被蒸发3.在较低温度下挥发的成分被气化，与空气中的氧相混合着火并急剧燃烧。4.固着的碳元素类物质残渣表面燃烧比较缓慢，完全燃烧后只剩下灰分，燃烧结束。生物质固体燃烧过程：着火之前干燥过程干燥之后燃烧过程炉内温度越高、生物质固体含水率越低、物质尺寸越小，则燃烧越快，可进行高效燃烧。燃烧持续的程度取决于氧的供给程度。木材燃烧过程描述木材200oC半纤维素分解350oC（半）纤维素分解完全300oC纤维素剧烈分解500oC木质素持续分解热分解产生的可燃性分解物与空气（氧）的混合气体燃着后开始形成火焰燃烧，放出大量热，约占木材总发热量70%以上。火焰燃烧没有火焰没有烟，木质素维持燃烧生物质和其他燃料资源的发热量燃料C/%H/%O/%N/%S/%灰分/%高位发热量匹兹堡煤73.35.310.20.72.87.630.4怀俄明煤70.04.320.20.71.013.833.5木材52.06.340.50.10.01.020.9松树皮52.35.838.80.20.02.920.4甘蔗榨渣47.36.135.30.00.011.321.2生物可分解垃圾45.56.825.82.40.519.016.4牛粪42.75.531.32.40.317.817.2麸皮38.55.739.80.50.015.515.4稻草39.25.135.80.60.119.215.2由上述表格数据归纳：生物质的发热量大概是燃料资源发热量的1/2生物质含硫量低，特别是与木材相关的生物质，几乎不含硫生物质的灰分也较少可以认为，生物质燃烧时产生的大气污染等问题较小3.2生物质燃烧的反应热力学和化学反应平衡生物质的燃烧计算实际上是生物质中碳、氢、硫、氮及其化合物的反应与燃烧的计算。氧气不属于可燃成分生物质燃烧中，由于温度较低，一般认为大部分氮元素以N2的形式析出硫的含硫极低甚至有的生物质不含硫生物质燃烧实际上就是C、H元素的化学反应和燃烧反应C（固体）ΔH（kg/mol）C+O2=CO2-408.1772C+O2=CO-246.0342CO+O2=2CO2-570.320CO2+C=2CO+162.142C+H2O(g)=CO+H2+118.628CO+H2O(g)=CO2+H2-43.514C+2H2O(g)=CO2+2H2+75.114C+2H2=CH4-752.400H2（气体）ΔH（kg/mol）C+2H2=CH4-752.4002H2+O2=2H2O(g)-482.296CO+H2=CH4+H2O-2035.66CH4+2O2=CO2+2H2O(g)-801.533化学反应平衡由于氮、硫含硫很低，他们燃烧后的氧化物真实含量非常低，因此，从热力学上看，生物质燃烧实际上就是C、H元素的化学反应与反应平衡。CO/CO2的平衡关系表面燃烧是否完全假定生物质燃烧时发生的化学反应为aA+bB+cC+…xX+yY+zZ+…按质量作用定律：正反应速率为：v1=k1[A]a[B]b[C]c负反应速率为：v2=k2[X]x[Y]y[Z]z温度对化学反应速度的影响极大，主要表现在反应速率常数上RTEaekk0RTEaekk0活化能大，反应速率常数k小，化学反应速率v低；活化能小，反应速率常数k大，化学反应速率v高；温度高，反应速率常数k大，化学反应速率v高；温度低，反应速率常数k小，化学反应速率v低。达到平衡时：v1=v2cbazyxCBAZYXkk][][][][][][K21r平衡常数只决定于温度的常数3.3生物质燃烧反应动力学化学反应是燃烧的一个主要而基本的过程，化学反应速率是衡量燃烧过程特性的一个重要参数。基本概念单相反应：在一个系统内各种成分都是同一个物理状态，称为单相系统，在其中进行的反应称为单相反应。多相反应：在一个系统内各种成分不属同一个物理状态，称为多相系统，在其中进行的反应称为多相反应。分子浓度：单位体积内所含某物质的分子数VNiinNi—某物质的分子数，V—体积摩尔浓度：单位体积内所含某物质的摩尔数)/(/3mmolVNNVMCAiiiMi—某物质的摩尔数，V—体积，NA—阿伏伽德罗常数质量浓度：单位体积内所含某物质的质量（密度）)/(3mkgVGii相对浓度（摩尔分数）：系统内第i种物质的摩尔数与系统总摩尔数之比。iiiiiiiGGnnNNX一般气态物质的浓度常用摩尔浓度表示，但准确衡量气体质量比较困难，而气体的摩尔数与体积成正比，可通过气体的压力和体积进行测量。在混合气体中，第i种物质的摩尔浓度可由状态方程求得RTPCiiR的单位J/(mol*K)atm*L/(mol*K)mmHg*L/(mol*K)R的数值8.31440.08205762.366质量分数：混合气体内某物质的质量与混合气体总质量之比iiiiVGVGGGY//化学反应速率单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加。一个化学反应系统中，在反应开始后，反应物浓度不断降低，生成物浓度不断增加。对于大多数反应系统，反应物或产物的浓度随时间变化一般不呈线性关系。aA+bBeE+fF反应速率可写为：dtdCAAdtdCBBdtdCEEdtdCFFdtFdfdtEdedtBdbdtAda)(1)(1)(1)(1febaFEBA质量作用定律试验证明，对于单相的化学基元反应，等温下，任何瞬间的化学反应速率与该瞬间各反应物浓度变化的几次幂的乘积成正比。而各个反应物浓度的幂次则等于该基元反应式中该反应物的化学计量系数。这个表示化学反应速率与其反应物浓度之间关系的规律就是质量作用定律。质量作用定律的简单解释：因为化学反应是由于反应物各分子之间碰撞后产生的，所以，单位体积内的分子数目越多，即反应物的浓度越大，则反应物分子与分子之间的碰撞次数就越多，反应过程就进行得越快。所以，化学反应速率与反应物的浓度成正比。aA+bBeE+fF根据质量作用定律：baBA)()(baBAkdtEdedtAda)()()(1)(1febaFEBA净反应速率计算氢原子的复合反应为：3HH2+H写出氢原子复合反应的反应速率表达式反应物和生成物均为氢原子，分别计算氢原子的消耗和生成速率系统反应速率：3)(Hk氢原子的生成速率：3PDH,)(1Hk氢原子的消耗速率：3CSH,)(33Hk氢原子的净反应速率：3NETH,)(2Hk化学反应的分类反应的级数举例：一级、二级一级：kCA二级：kCA2、kCACB典型的复杂分类（1）对峙反应，也称可逆反应（2）平行反应（3）连串反应生物质的燃烧过程生物质中含碳量少，水分含量大，使得其发热量低，含氢较多，生物质中的碳多数与氢结合成较低分子量的碳氢化合物，易挥发、燃点低，故生物质易引燃，燃烧初期，挥发分析出量大，需要大量空气才能完全燃烧，否则冒黑烟。生物质与煤的燃烧都会经历如下一些阶段。（1）预热干燥阶段（2）热分解阶段（3）挥发分燃烧阶段（4）固定碳燃烧阶段（5）燃尽阶段不是机械式串联，很多阶段互有交叉完全燃烧的条件足够高的温度合适的空气量充裕的时间生物质燃烧技术生物质直接燃烧生物质和煤混合燃烧生物质的气化燃烧城市垃圾燃烧其他燃烧技术层燃技术流化床技术其他燃烧技术层燃技术–链条炉和往复推饲炉排炉–结构简单，原料预处理容易，投资和操作成本低–炉膛高温难以避免受热面积灰、结渣流化床技术高效低污染、传热传质强、燃料适应性好低温运行技术成熟，已进入商业运行。未来发展方向循环流化床（CirculatingFluidizedBed）生物质直接燃烧实例省柴灶炕连灶