第五章 生物质直接燃烧技术

第五章生物质直接燃烧技术生物质直接燃烧技术简介•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。•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。生物质直接燃烧在生活中的应用生物质能利用—直接燃烧热效率低于20%lossloss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。生物质能利用—直接燃烧炕：热效率20-30%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，故称炕连灶。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。连灶炕原图连灶炕原理图生物质能利用—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%。•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。秸秆直接燃烧发电垃圾直接燃烧发电生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电热效率可达90%;生物质能净转化效率～40％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•河北晋州：两台秸秆直燃锅炉（华光股份生产，2台75t/h）。•江苏如东：25MW生物质发电项目。•江苏宿迁和句容：每个项目的装机容量为2.4万千瓦(完全采用我国自主研发设计和制造的秸秆直燃锅炉技术）。生物质与煤混合燃烧效果最佳生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电截至2006年，我国已经有100多个县市已经开始投建或签订秸秆发电项目生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电2005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。生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电垃圾电站生物质能利用—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。•目前全球有垃圾电站近1000座，预计未来三年内，将超过3000座。生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电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０.０３／千瓦时－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。生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电一、生物质燃烧原理及技术（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：•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：•由上述表可知，生物质燃料与碳相比其差别如下：（１）含碳量较少，含固定碳少。（热值低）（２）含氧量多，含水量多。（３）挥发分含量多。（４）密度小。（５）含硫量低。（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。21:12:0022挥发性焦油和气体焦炭H2OO2火焰火焰灰烬H2OCO2CO2热量利用生物质燃料COCO2O2燃烧燃烧生物质燃料的燃烧过程21:12:0023生物质燃烧的条件•要充分的燃烧，必要“3要素”：①一定的温度②合适的空气量及燃料的良好混合③足够的反应时间和空间•燃烧过程特点：１）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。２）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。３）含水量高且多变，热值低，炉前热值变化快，燃烧组织困难；４）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；５）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。６）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！（三）影响燃烧的主要因素（1）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。（四）生物质直接燃烧技术•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。•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。（1）炉灶燃烧•分类：①旧式柴灶燃烧燃烧不充分，保温性差，热效率低(只有10％左右)、浪费燃料，且严重污染了环境。旧式炕连灶弊端：不好烧，炕头过热，炕稍过凉。②节柴灶改善方法——增加炉篦，供给空气充分，延长燃烧时间——增大换热面积，改进烟道形状特点：•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。（2）锅炉燃烧分类•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；•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。①层燃技术：生物质平铺在炉排上形成一定厚度的燃料层，进行干燥、挥发分析出及燃烧等过程。–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、易结渣②流化床技术：生物质燃料颗粒与空气在锅炉中沸腾状态下燃烧。分鼓泡和循环流化床锅炉。高效低污染、传热传质强、燃料适应性好低温运行，热容量大，有害气体排放少技术成熟，已进入商业运行。未来发展方向•循环流行化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术。•国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业应用，并向几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展；•国内在这方面的研究、开发和应用也逐渐兴起，已有上百台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。直燃发电的两种不同燃烧方式比较燃烧方式主要优点主要缺点发展水平典型炉型示意图层燃结构简单,操作方便,磨损较小,投资与运行费用相对较低燃料分布不均匀,空气容易短路,燃烧温度高,燃烧效率低等丹麦BWE公司技术领先,国产化步伐加快流化床燃烧温度低,燃料适应广(高水分、低热值),燃烧效率高,环境污染小,负荷调节范围大燃料尺寸要求严格;生物质灰分含量少,需添加床料;床料烧结团聚;磨损、粘结和腐蚀;灰渣因掺杂床料难以利用;耗电量大,运行费用较高尚无国际通用示范技术,各研究机构各自推进•生物质直接燃烧技术存在的问题1流化床锅炉对燃料颗粒尺寸要去严格，在燃料入炉前需要进行一系列预处理2对比重较小、结构松散、蓄热能力差的生物质，利用难度大3为了维持一定的床温，耗电量大，费用高4生物质燃料高含水量使锅炉排烟容积增大，效率降低5在处理垃圾方面技术不成熟（五）生物质直接燃烧发电•国外：–欧美主要采用热电联产技术(CHP)，锅炉设计基本全部采用流化床技术。CHP工艺中发电效率在30%～40%，但是它有80%的潜力可控。–美国2010年生物质发电将达到13000MW装机容量；–丹麦在生物质直燃发电方面成绩显著，BWE公司研究开发了秸秆生物燃烧发电技术，迄今在这一领域仍是最高水平。政府已明令电力行业必须每年焚烧140万吨生物质；–2002年日本提出计划2010年生物质能发电达330MW。–德国、意大利对生物质固体颗粒技术和直燃发电非常重视，在生物质热电联产应用方面很普遍。21:12:0044芬兰：世界上利用林业废料、造纸废弃物等生物质发电最成功的国家之一，技术和设备为国际领先水平。福斯特威勒公司是芬兰最大的能源公司，制造具有世界先进水平的燃烧生物质循环流化床锅炉。燃料：木材加工业、造纸业废弃物含水量：60%排烟温度：140℃热效率：88%•国内：我国在直燃发电技术领域与国外差距较大，主要以炉灶燃烧利用为主生物质定型锅炉产品较少造成农林废弃物的浪费–主要集中在有稳定生物质原料来源的制糖厂和林木加工企业。–最近几年发展迅猛。截至2007年底，国家和各省发改委已核准项目87个，总装机规模220万千瓦。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过15个，在建项目30多个。我国生物质直燃发电项目列表（不完全统计）直燃发电发展迅速技术以引进为主秸秆直燃电厂投资收益表*指未进行初投资分摊的净收益直燃发电年净现值流图直燃发电秸秆价格波动对直燃电厂收益影响的敏感曲线-30,000-25,000-20,000-15,000-10,000-5,00005,00010,00015,0000246810121416年份净现值（万元）200250300利率波动直燃电厂收益影响的敏感曲线-30,000-25,000-20,000-15,000-10,000-5,00005,00010,00015,00020,0000246810121416年份净现值（万元）3.332.833.83投资回收期较长受秸秆价格波动影响大21:12:0050•生物质直接燃烧发电定义原理与火力发电相似原料主要包括：典型生物质（农林废弃物、秸秆）直燃发电生活垃圾焚烧发电21:12:0051生物质直接燃烧发电原理产生蒸汽直燃后的热能汽轮机发电生物质原料直接燃烧21:12:0052汽轮发电机系统预处理存贮仓库生物质锅炉原料吊车灰渣处置烟囱供电供热生物质原料收集烟气处理系统生物质直燃发电工艺流程大气秸秆发电生物质与煤间接混烧发电示意图我国首台煤粉秸秆混燃发电机组于2005年12月16日在华电国际电力股份有限公司所属的十里泉发电厂成功投产。该公司在1台14万千瓦原燃煤锅炉（400吨/小时）基础上加装了两台从丹麦BWE公司进口的输入热负荷为3万千瓦的秸秆专用燃烧器，并对供风系统及相关控制系统进行了优化，同时增加了1套秸秆收购、储存、粉碎和输送设备。然在实际运行过程中却面临着诸多困境：