第三章 生物质直接燃烧技术

2020/2/26第四章生物质（直接）燃烧技术生物质燃烧反应动力学生物质燃料的化学反应平衡生物质直接燃烧概述主要内容存在的问题和解决方法2020/2/263一、生物质直接燃烧生物质直接燃烧技术是生物质能源转化中相当古老的技术，人类对能源的最初利用就是木柴燃火开始的。我国古代人民在燧人氏和伏羲氏时代，就已经知道使用“钻木取火”的方法来获取能源了。《韩非子˙五蠹》曰：“燧人氏，钻木取火，以化腥臊”《河图挺佐辅》曰：“伏羲禅于伯牛，错木取火”《庄子˙外物》曰：“木与木相摩则然（燃）”从能量转换观点来看，生物质直燃是通过燃烧将化学能转化为热能加以利用，是最普通生物质能转换技术。2020/2/264生物质直接燃烧在生活中的应用1.生物质能利用——直接燃烧我国农村生活用能结构虽然发生了一定的变化，但薪柴、秸秆等生物质仍占消费总能量的50%以上，是农村生活中的主要能源。热效率低于20%lossloss1.生物质能利用——直接燃烧炕（连灶炕）是我国北方农村居民取暖的主要设施，热量一般来源于炊事用的柴灶，炕与灶相连，故称连灶炕。也有专为取暖供热的炕，如西北的煨炕、东北的地炕都是在炕内设一烧火的坑。炕：热效率20-30%连灶炕原图连灶炕原理图2020/2/2672020/2/2682.生物质能利用—直接燃烧—发电现代生物质直燃发电技术诞生于丹麦。该国BWE公司率先研发秸秆等生物质直燃发电技术，并于1988年诞生了世界上第一座秸秆发电厂。该国秸秆发电技术现已走向世界，被联合国列为重点推广项目。在发达国家，目前生物质燃烧发电占可再生能源（不含水电）发电量的70%。2.生物质能利用—直接燃烧—发电目前，我国生物质燃烧发电也具一定规模，主要集中在南方地区，许多糖厂利用甘蔗渣发电。例如，广东和广西两省共有小型发电机组300余台，总装机容量800MW，云南省也有一些甘蔗渣电厂。2020/2/2611热效率可达90%；生物质能净转化效率～40％2.生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电2020/2/26122.生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电每两吨秸秆的热值相当于一吨煤，平均含硫量只有3.8‰，远远低于煤1％的平均含硫量。丹麦：已建立了130多家秸秆生物发电厂。秸秆发电等可再生能源占到全国能源消费量的24％以上。1：1.4能源草秸秆2020/2/26132.生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电2003年国家核准河北晋州、山东单县和江苏如东3个秸秆发电示范项目;2006年前，我国生物质发电总装机容量约为200万千瓦，其中：蔗渣发电约占170万千瓦以上;垃圾发电约占20万千瓦;其余为稻壳等农林废弃物气化发电和沼气发电等;不完全统计，截至2007年底，国家和省发改委已核准生物质发电项目87个，总装机容量达220万千瓦，分布在山东、吉林、江苏、河南、黑龙江、辽宁和新疆等地。以国能生物、凯迪电力、中国节能、韶能股份等为主的国内企业正加速兴建新的生物质发电项目，仅国能一家，截止2011年1月，已有40个生物质电厂得到审批，25个并网发电。2020/2/26142005年，我国首个秸秆与煤粉混烧发电项目在枣庄十里泉发电厂竣工投产:引进了丹麦BWE公司的技术设备，对1台14万千瓦机组的锅炉燃烧器进行了秸秆混烧技术改造。十里泉电厂2.生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电生物质与煤混合燃烧效果最佳2020/2/26152.生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电生活垃圾焚烧后，质量只有焚烧前的10%，体积最多只有1/4。西方发达国家大都建有垃圾发电厂，美国在20世纪80年代兴建了90座垃圾焚烧厂，90年代又建了近400座发电厂，垃圾焚烧率达40％；日本垃圾电站有131座。2020/2/26162.生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电2.生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电浦东御桥工业区：国内第一座日处理千吨以上的大型现代化生活垃圾发电厂，每天可处理120－150万城市居民产生的生活垃圾（约1000吨）。我国目前规模最大的垃圾焚烧厂——上海江桥生活垃圾焚烧厂，每天处理垃圾2000吨。截至2006年，我国已经建成有100多个日处理量在200吨以上的焚烧装置。2.生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电目前全球有垃圾电站近1000座，预计未来三年内，将超过3000座。日本东京MINATO垃圾焚烧发电厂上海御桥生活垃圾焚烧发电厂丹麦能滑雪的垃圾焚烧发电厂垃圾发电平均上网电价为0.54元／千瓦时，发电成本为0.5元／千瓦时。火力发电成本仅为0.2元／千瓦时，水力发电的运营成本仅为0.03元／千瓦时－0.05元／千瓦时。相比之下，垃圾发电成本是相当高的，没有任何竞争优势。2.生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电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%秸秆元素含量二、生物质燃料与燃烧（一）生物质燃料特性生物质燃料和煤炭在结构特性上的主要差别如下：燃料种类C/%O/%H/%S/%A/%V%密度/t·m-3生物质燃料38~5030~445~60.10~0.204~1465~700.47~0.64（木材）煤炭55~903~203~50.40~0.605~257~380.80~1.02020/2/2622典型生物质燃料和典型的烟煤、无烟煤的元素组成与工业分析成分组成有很大区别：二、生物质燃料与燃烧燃料种类工业分析成分/%元素组成/%低位热值/kJ·kg-1水分灰分挥发分固定碳HCSNK2O豆秆5.103.1374.6517.125.8144.790.115.8516.3316160稻草4.9713.8665.1116.065.0638.320.110.6311.2813980玉米秆4.875.9371.4517.755.4542.170.120.7413.8015550麦秸4.398.9067.3619.355.3141.280.180.6520.4015370牛粪6.4632.4048.7212.525.4632.070.221.413.8411630烟煤8.8521.3738.4831.303.8157.420.460.9324300无烟煤8.0019.027.8565.132.6465.650.510.99244302020/2/2623由上述表可知，生物质燃料与碳相比其差别如下：含碳量较少，含固定碳少（热值低）含氧量多，含水量多挥发分含量多密度小含硫量低二、生物质燃料与燃烧（二）生物质燃料燃烧过程四个阶段：（１）预热干燥；（２）干燥阶段；（３）挥发分的析出、燃烧与焦炭形成（干馏，释放热，占70%）；（４）残余焦炭燃烧。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2020/2/2626二、生物质燃料与燃烧（三）生物质燃烧的条件要充分的燃烧，必要“3要素”：一定的温度合适的空气量及燃料的良好混合足够的反应时间和空间2020/2/2627二、生物质燃料与燃烧（四）燃烧过程特点生物质燃料密度小，结构比较松散，挥发分含量高。在生物质燃烧过程中，若空气供应不当。挥发分就会不被燃尽而排出不论生物质的来源于草本还是林木。其热解后的组成成分基本一致含水量高且多变，热值低，炉前热值变化快，燃烧组织困难挥发分高，且析出温度低、析出过程迅速，燃烧组织需与之适应生物质着火容易，在挥发分燃尽后，燃料剩余物为焦炭，气流运动会将炭粒带人烟道。且固定碳受到灰分包裹，燃烧较难，因此，在固定碳燃烧阶段，气流不宜太强碱金属和氯腐蚀问题突出燃烧设备的设计与运行方式的选择须从其燃烧特性出发！二、生物质燃料与燃烧（五）影响燃烧的主要因素（1）反应温度反应温度直接影响反应速率，在考虑灰分熔化的前提下，尽量提高反应温度。（2）空气量空气太少，反应不完全，浪费燃料；太多，则带走热量，降低燃烧温度，影响燃烧稳定性。（3）反应时间足够的燃烧时间使燃烧彻底。（4）颗粒尺寸影响反应表面积，颗粒越小越好。（5）水分含量燃料中水分不超过65%。（6）气固混合搅动混合，使得灰分脱落，暴露出未燃的炭，保证燃烧的充分性。（7）灰分燃料中灰分含量越高，燃料的热值和燃烧温度越低。三、生物质直接燃烧技术（一）直接燃烧技术特点（1）生物质燃烧所释放出的CO2大体相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2，可以认为是CO2零排放。（2）生物质燃烧产物用途广泛，灰渣可综合利用。例如，灰分中含有植物生长所必需的多种营养元素．可作为良好的农用肥料。（3）可实现生物质燃料与矿物质燃料混合燃烧，可减少运行成本，提高燃烧效率，又可降低SOx、NOx等有害气体排放。三、生物质直接燃烧技术（二）燃烧技术分类•炉灶燃烧：操作简便，投资较省，但燃烧效率低，造成生物质资源严重浪费。•锅炉燃烧：采用先进燃烧技术，燃烧效率高，适用于相对集中，生物质资源大规模利用。三、生物质直接燃烧技术（1）炉灶燃烧旧式柴灶是用砖、土坯或石块垒成边框，把锅或罐架在上面，在边框一侧开口加柴。①旧式柴灶燃烧燃烧不充分，保温性差，热效率低（只有8~10％左右）、浪费燃料，且严重污染了环境。2020/2/2632三、生物质直接燃烧技术②省柴灶改善方法——增加炉篦并架砌烟囱，供给空气充分，延长燃烧时间——增大换热面积，改进烟道形状2020/2/2633依据通风形式、挡火圈形状或燃烧室形状，省柴灶分类如下：省柴灶节能原理：1）通过良好的燃烧室设计，保证了燃料完全燃烧；2）加强炉体保温，减少散热损失；3）延长了烟气在炉膛滞留时间和扰动，加强了热烟气与锅底的换热，有效地节约能源。省柴灶主要部件：1）炉箅2）炉胆上、下体3）加柴口4）出烟口2020/2/2635省柴灶特点：三、生物质直接燃烧技术热能在灶内停留时间长，可得到充分利用，热效率高(可达20％～25％)；没有熏烟，污染少；质量小，可拆装；多功能。节柴灶的灶桥可以调整，随着灶桥的调整可烧柴、烧锯灰和烧煤。三、生物质直接燃烧技术（2）锅炉燃烧分类1）按照锅炉燃用生物质品种不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；2）按照锅炉燃烧方式不同又可分为流化床锅炉、层燃炉和悬浮燃烧炉。当生物质燃烧系统的功率大于100kW时，一般采用现代化的燃烧技术，适合于生物质大规模利用，主要应用于工业过程、区域供热、发电及热电联产等。此类系统一般都配备自动上料机构，而且对燃料进行预处理，以满足上料机构和不同燃烧技术的要求。2020/2/2637三、生物质直接燃烧技术2020/2/2638三、生物质直接燃烧技术1）层燃技术在层燃方式中，生物质平铺在炉排上形成一定厚度的燃料层，进行干燥、干馏、燃烧及还原过程。空气（一次配风）从下部通过燃料层为燃烧提供氧气，可燃气体与二次配风在炉排上方的空间充分混合燃烧。2020/2/2639三、生物质直接燃烧技术根据燃料与烟气流动的方向不同，可将层燃炉排分为顺流、逆流和叉流三类。2020/2/2640三、生物质直接燃烧技术层燃技术种类较多，其中包括固定床、移动炉排、旋转炉排、振动炉排和下饲式等，可适于含水率较高、颗粒尺寸变化较大及灰分含量较高的生物质，具有较低投资和操作成本，一般额定功率小于20MW。2020/2/2641三、生物质直接燃烧技术2020/2/2642三、生物质直接燃烧技术2020/2/2643三、生物质直接燃烧技术2020/2/2644三、生物质直接燃烧技术–以链条炉和往复推饲炉排炉居多–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、易结渣层燃炉特点：2020/2/2645三、生物质直接燃烧技术2）流化床技术生物质燃料颗