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生物質(zhì)燃料燃燒的特性與應(yīng)用
生物質(zhì)燃料燃燒特性與應(yīng)用
1、前言
生物質(zhì)燃料是一種可再生能源，是指依靠太陽(yáng)光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)物質(zhì)，是太陽(yáng)能以化學(xué)能的形式存在于生物之中的一種能量形式，直接或間接地來(lái)源于植物的光合作用。被認(rèn)為是第四大能源，分布廣，蘊(yùn)藏量大。生物質(zhì)燃料基本特性
生物質(zhì)的種類很多，一般可分以下5大類：①木質(zhì)素：木塊、木屑、樹皮、樹根等；②農(nóng)業(yè)廢棄物：秸稈、果核、玉米芯、甘蔗皮渣等；③水生植物：藻類、水葫蘆等；④油料作物：棉籽、麻籽、油桐等；⑤生活廢棄物：城市垃圾、人及牲畜的糞便。
生物質(zhì)作為有機(jī)物燃料是由多種復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物組成的復(fù)合體，化學(xué)組成主要有：纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和提取物等，這些高分子物質(zhì)在不同種類生物質(zhì)、同一種類生物質(zhì)的不同區(qū)域其組成也不同，有些甚至有很大差異。生物質(zhì)的可燃成分主要是有機(jī)元素如碳、氫、氮和硫，雖然就元素的成分而言，生物質(zhì)燃料的成分和常規(guī)燃料煤炭基本上沒什么區(qū)別，但正是各成分在數(shù)量上的差異導(dǎo)致了生物制燃燒產(chǎn)物與煤炭的差異。生物質(zhì)的碳含量普遍在50%左右，低于普通的煙煤，而氫含量則高于煙煤，尤其是揮發(fā)份和氧含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通煙煤，氧含量超過煤10倍左右。由于生物質(zhì)燃料的可燃組分含量相對(duì)比較低，因此生物質(zhì)燃料的低位發(fā)熱量比一般煙煤低。在著火燃燒性能方面，生物質(zhì)燃料的揮發(fā)份含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通煙煤，導(dǎo)致著火燃燒性能明顯高于普通煙煤。在燃燒污染物生成排放方面，生物質(zhì)燃料的硫含量?jī)H為0.1%左右，含氮量和理論氮?dú)馊莘e也低于煙煤，所以總的SO2和NOx生成量都遠(yuǎn)低于煙煤。根據(jù)秸稈生物質(zhì)燃料高揮發(fā)分、高氧量、低硫份和灰份的基本特性，因此相對(duì)于煤炭而言，秸稈生物質(zhì)具有易燃、清潔環(huán)保的特點(diǎn)。
2、生物質(zhì)燃料：
2.1生物質(zhì)燃料燃燒過程分析：
生物質(zhì)燃料的燃燒過程主要分為揮發(fā)分的析出、燃燒和殘余焦炭的燃燒、燃盡兩個(gè)獨(dú)立階段。其燃燒過程的特點(diǎn)是：【1】
(1)生物質(zhì)水分含量較多，燃燒需要較高的干燥溫度和較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，產(chǎn)生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高。
(2)生物質(zhì)燃料的密度小，結(jié)構(gòu)比較松散，迎風(fēng)面積大，容易被吹起。懸浮燃燒的比例較大。
(3)由于生物質(zhì)發(fā)熱量低，低位發(fā)熱值約為12．6MJ／kg，爐內(nèi)溫度偏低，組織穩(wěn)定的燃燒比較困難。
(4)由于生物質(zhì)揮發(fā)分含量高，燃料著火溫度較低，一般在250～350℃溫度下?lián)]發(fā)分就大量析出，并開始劇烈燃燒，此時(shí)若空氣供應(yīng)量不足。將會(huì)增大燃料的不完全燃燒損失。
(5)揮發(fā)分析出燃盡后，受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，焦炭顆粒燃燒速度緩慢，燃盡困難，如不采取適當(dāng)?shù)拇胧�，將�?huì)導(dǎo)致灰燼中殘留較多的余碳，增大機(jī)械不完全燃燒損失。
目前，生物質(zhì)的利用技術(shù)主要有生物質(zhì)的氣化發(fā)電、熱解液化和直接燃燒發(fā)電等。在實(shí)際應(yīng)用過程中，生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電應(yīng)用較為廣泛，直接燃燒技術(shù)是最簡(jiǎn)便可行的高效利用生物質(zhì)資源的方式之一。生物質(zhì)直接燃燒是將生物質(zhì)直接作為燃料燃燒，燃燒產(chǎn)生的能量主要用于發(fā)電或集中供熱等。
2.2、生物質(zhì)直接燃燒具有如下特點(diǎn):【2】
一、生物質(zhì)燃燒所釋放出的CO2大體相當(dāng)于其生長(zhǎng)時(shí)通過光合作用所吸收的CO2，因此可以認(rèn)為是CO2的零排放，有助于緩解溫室效應(yīng)；
二、生物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物用途廣泛，灰渣可加以綜合利用；
三、生物質(zhì)燃料可與礦物質(zhì)燃料混合燃燒，既可以減少運(yùn)行成本，提高燃燒效率，又可以降低SO2、NOx等有害氣體的排放濃度；
四、采用生物質(zhì)燃燒設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)各種生物質(zhì)資源的減量化、無(wú)害化和資源化。由于生物質(zhì)燃料特性與化石燃料不同，從而導(dǎo)致了生物質(zhì)燃料在燃燒過程中的燃燒機(jī)理、反應(yīng)速度以及燃燒產(chǎn)物的成分與化石燃料相比也都存在較大差別，表現(xiàn)出不同于化石燃料的燃燒特性。生物質(zhì)的n(H)／n(C)比和n(O)／n(C)值均比煤要高，而且生物質(zhì)的幾種主要成分中半纖維素在225～350oc分解325～375oC分解，木質(zhì)素在310～400oC分解，因此其著火特性與煤相比存在差異生物質(zhì)的直接燃燒利用技術(shù)，一般是將生物質(zhì)進(jìn)行成型預(yù)處理，尤其是秸稈類生物質(zhì)。成型技術(shù)是指在一定溫度、壓力下，將分散的、沒有一定形狀的生物質(zhì)壓制成具有一定形狀、密度較大的成型燃料。生物質(zhì)成型工藝為：秸稈收集—干燥—破碎—熱壓—成型。成型燃料其密度可達(dá)900～便于貯存和運(yùn)輸,燃燒性能好。
為了研究生物質(zhì)燃料與煤炭著火燃燒特性的差異，以生物油為例進(jìn)行說(shuō)明。生物油性質(zhì)：
生物油是由不同組分組成的混合物．它是由生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素解聚和分裂而成。因此，生物油和化石燃料油的元素組成是不同的。與化石燃料油相比。生物油中水分多。氧元素含量較高，粘度較高，密度大，殘?zhí)柯矢�，pH值小，碳元素、氫元素和硫元素含量較低。生物油巾含有酸、醇、醛、酮和酚類等400多種有機(jī)物，它們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間存放或加熱后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此生物油儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差且易老化【3】
生物油燃燒特性：
生物油的理化性質(zhì)對(duì)其燃燒行為有相當(dāng)大的影響。由于不揮發(fā)組分的含量較高，因此生物油是可燃的，但不是易燃的。生物油十六烷值為13—14，熱值約為
柴油的1/2。理論上講，生物油可以替代化石燃料成為熱力設(shè)備的燃料。
2.3、生物油燃料特性較差：
1.點(diǎn)火困難。生物油中水分、氧元素含量較高，不能壓燃，可用火焰引燃。可采用輕油和生物油雙燃料供應(yīng)管路。利用輕油燃燒釋放出熱量引燃生物油，也可將十六烷值高的燃料與生物油混合或乳化進(jìn)行直接燃燒。如何轉(zhuǎn)化利用生物油中過多的氧是一個(gè)亟待解決的問題。
2、設(shè)備結(jié)焦和腐蝕問題。生物油粘度大。其SM0(沙脫平均直徑。為生物油噴霧霧滴的體積之和與表面積之和的比值)較大，存在燃燒不完全、易析出碳、燃燒器頭部易結(jié)焦、管壁易積灰等問題。生物油密度大，火焰輻射面增大，燃燒器頭部
溫度升高，噴嘴更易結(jié)焦、堵塞。采用預(yù)過濾生物油、加強(qiáng)油霧與空氣的混合、經(jīng)常更換或清洗噴嘴等方法可解決上述問題。生物油pH值較低，酸性強(qiáng)，在燃燒室內(nèi)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片上易出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，可將生物油醇酯化后進(jìn)行燃燒，燃燒設(shè)備材料也應(yīng)更換為耐酸性強(qiáng)的不銹鋼材料。
3、霧化質(zhì)量問題。生物油粘度大，密度高，殘?zhí)柯矢撸虼藨?yīng)采用預(yù)過濾生物油，提高噴射壓力，預(yù)熱生物油的方法，降低生物油的粘度，減小液滴尺寸，提高生物油霧化質(zhì)量，但噴霧量增加，噴霧角度減小，噴霧沖擊力提高。噴嘴磨損加劇。生物油霧化得越細(xì)，越有利于蒸發(fā)、混合，還能縮短燃燒時(shí)間．因此應(yīng)選擇孔徑較小的噴嘴，并增加噴嘴的數(shù)量。
4、合理配置風(fēng)量問題。生物油中碳、氫元素含量較少，保持一個(gè)合理的空氣過量系數(shù)十分重要。根據(jù)鍋爐爐膛氧量表和排煙氧量表及風(fēng)量表的變化情況．調(diào)整風(fēng)門開度和油閥開度。通過調(diào)節(jié)柴油機(jī)噴油提前角來(lái)調(diào)節(jié)滯燃期和預(yù)混合油量，可以提高生物油燃燒效率。通過燃?xì)廨啓C(jī)燃料控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)量，通過進(jìn)氣導(dǎo)流葉片，可以調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量。
3、目前生物油燃燒的應(yīng)用研究：
主要有鍋爐燃燒、柴油機(jī)燃燒、燃?xì)廨啓C(jī)燃燒、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。
3.1、柴油不機(jī)燃燒：
柴油機(jī)熱效率高。經(jīng)濟(jì)性好。中低速柴油機(jī)可以使用低品質(zhì)的燃料。生物油在柴油機(jī)中很難壓燃，柴油機(jī)噴射系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損、積炭現(xiàn)象，運(yùn)行不穩(wěn)定，技術(shù)上存在很大的障(轉(zhuǎn)載于:in再增加時(shí)第二個(gè)燃燒失重峰峰頂值和升溫速率關(guān)系不大；DTA．T中的兩個(gè)放熱峰逐漸向后偏移。玉米秸稈的燃燒過程存在低溫和高溫區(qū)間，低溫區(qū)的活化能不到高溫區(qū)的一半，說(shuō)明在低溫區(qū)只需要較少的熱量就能夠使燃燒反應(yīng)發(fā)生而高溫區(qū)則需要的熱量更多：從頻率因子來(lái)看，高溫區(qū)的燃燒反應(yīng)要比低溫區(qū)劇烈的多；隨著升溫速率的增大，活化能變小，頻率因子也變��；利用雙組分分階段反應(yīng)模型能夠針對(duì)玉米秸稈在不同的溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)用不同的反應(yīng)級(jí)數(shù)描述其反應(yīng)過程，在低溫區(qū)反應(yīng)級(jí)數(shù)為一級(jí)，而高溫區(qū)反應(yīng)級(jí)數(shù)為三級(jí)。隨著溫升速率的升高，玉米秸稈的最大熱解速率增加較快，同時(shí)較高溫升率下的熱解速度也比較低的熱解速率快，有利于揮發(fā)分的析出；熱解初析溫度逐漸降低，析出變得更容易；揮發(fā)分最大熱解速率逐漸變大，并且變大的越來(lái)越快，造成揮發(fā)分析出時(shí)越劇烈；最大熱解速率時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度也是變大的，說(shuō)明較高的溫升率造成DTG曲線失重峰滯后現(xiàn)象；熱解過程中達(dá)到最大熱解速率時(shí)所需要的時(shí)間是迅速變小，說(shuō)明較高的溫升率利于揮發(fā)分的迅速析出。隨著升溫速率的增加，玉米秸稈的活化能將變大，則所需較多的熱量才能夠使秸稈熱解；頻率因子變大但數(shù)量級(jí)完全相同，則提高熱解時(shí)的溫升率能夠使反應(yīng)更加劇烈，所以較高的溫升率有利于揮發(fā)分的快速析出。玉米秸稈的熱解反應(yīng)為一級(jí)的，反應(yīng)機(jī)理方程為f(a)=(1一a)。
玉米秸稈燃燒時(shí)能形成兩個(gè)燃燒失重峰，前一個(gè)為燃燒揮發(fā)分的燃燒失重峰，后一個(gè)為燃燒固定碳的燃燒失重峰，并且由玉米秸稈的工業(yè)分析知道其揮發(fā)分含量67％和約17％的固定碳，這就決定了玉米秸稈在鍋爐內(nèi)剛剛?cè)紵龝r(shí)，需要迅速提供足夠的氧氣才能夠使揮發(fā)分充分燃燒，并且還要有足夠的氧氣使燃燒揮發(fā)分后的剩余碳能夠完全燃燒，這就要求爐內(nèi)有及時(shí)的供風(fēng)系統(tǒng)保證。由于燃料的含水量一般較大并且在進(jìn)入爐膛前未被加熱干燥，所以進(jìn)入爐膛的燃料溫度為周圍環(huán)境溫度。燃料在三級(jí)給料機(jī)的推擠下進(jìn)入爐膛，落在散料管道上散開，隨后在爐膛內(nèi)高溫?zé)煔獾妮椛浼盁霟岬幕鹧娴闹苯觽鳠嵯聦⑷剂霞訜嵫杆偕郎�，析出水分、揮發(fā)份、當(dāng)達(dá)到著火溫度后開始著火燃燒，在這個(gè)過程是比較短暫的需要大量的熱量。在振動(dòng)爐排的振動(dòng)作用下，燃料散開并向爐排后側(cè)滾動(dòng)燃燒；同時(shí)從爐排下側(cè)補(bǔ)充一次風(fēng)，滿足燃燒的需要：從爐排上側(cè)補(bǔ)充二次風(fēng)，一方面將火焰壓住，避免火焰過分上飄；另一方面，及時(shí)供氧，保證燃料充分燃燒和燃盡，保證鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。燃料燃盡形成灰渣以后，在爐排的振動(dòng)作用下排出爐外，生成的高溫?zé)煔馔ㄟ^各受熱面降溫以后，通過除塵器除塵以后排入大氣。在燃燒過程中，可以通過調(diào)節(jié)燃料量的多少、調(diào)節(jié)爐排的振動(dòng)頻率和振動(dòng)時(shí)間，一、二次風(fēng)門開度分配風(fēng)量大小、送引風(fēng)機(jī)的入口調(diào)節(jié)擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)送風(fēng)大小和爐膛負(fù)壓，達(dá)到對(duì)燃燒控制的目的。
4、生物質(zhì)燃料燃燒對(duì)鍋爐的影響：
由于生物質(zhì)燃料燃燒過程與煤存在差異：生物質(zhì)燃料密度小，結(jié)構(gòu)松散，揮發(fā)分含量高，揮發(fā)分在250—350℃溫度下大部分析出；揮發(fā)分析出后疏松的焦炭容易隨著氣流進(jìn)入煙道，所以通風(fēng)不能過強(qiáng)；揮發(fā)分燃盡后，受到灰燼包裹的焦炭較難燃盡。所以生物質(zhì)燃料鍋爐的設(shè)計(jì)要結(jié)合生物質(zhì)燃燒的特點(diǎn)，如爐膛容積要大，燃燒擾動(dòng)要充分，爐膛內(nèi)受熱面布置要充分。為了保證鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，鍋爐本體各部分形狀、尺寸、相對(duì)位置都有一定要求，并且在受熱面的某些部位還應(yīng)保證一定的煙氣和工質(zhì)參數(shù)，諸如溫度、壓力、流速等，其中，爐膛形狀和容積大小對(duì)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有很大影響。直接采用DzL型層燃燃煤鍋爐會(huì)出現(xiàn)：爐膛容積過小，容積熱負(fù)荷過大；爐膛出口溫度過高；煙氣量增加、流速過快，熱交換過強(qiáng)�！�5】
鍋爐的改造可增加爐膛容積，考慮設(shè)置前置燃燒室或者在爐膛內(nèi)增加輻射受熱面和對(duì)流受熱面，還可以減小爐膛出口的喉口面積，在出口部位裝設(shè)向前吹的二次風(fēng)，增加燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，加強(qiáng)擾動(dòng)使焦炭燃盡。另外還應(yīng)當(dāng)減小鼓風(fēng)量，防止鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行。
5、結(jié)論：
生物質(zhì)是一種可再生能源被認(rèn)為是第四大能源，我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)資源分布廣，蘊(yùn)藏量大，理論上生物質(zhì)資源每年可達(dá)650億噸以上，對(duì)環(huán)境污染小，具有很好的開發(fā)利用前景。在我國(guó)可以作為能源利用的生物質(zhì)主要包括各類秸稈、薪柴、禽畜糞便、生活垃圾和有機(jī)廢渣廢水等，其中具有典型意義的是各類秸稈。在相同條件下，秸稈燃料與煤炭的燃燒特性差異較大，燃燒所需的空氣量、三原子氣體生成量和煙氣中氮?dú)饬烤黠@低于煤炭。生物質(zhì)燃料燃燒特性與煤相比較差，需要燃燒設(shè)備作相應(yīng)改進(jìn)，主要應(yīng)用于對(duì)燃料適應(yīng)性廣泛的鍋爐。秸稈的直接燃燒利用一般需經(jīng)過預(yù)先成型處理，成型處理后的秸稈便于運(yùn)輸，能夠滿足爐排鍋爐燃燒利用的要求。
參考資料：
【1】聯(lián)合爐排燃燒生物質(zhì)燃料技術(shù)的應(yīng)用王海峰1，蔣曉鋒2，鄭學(xué)軍3文章
編號(hào)：1671一086X(2009)03—0211一03
【2】張明,袁益超,劉聿拯.生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展研究[J].能源研究與信息,2005,21(1):15~20
【3】ZHANGQI;CHANGJIE;WANGTIEJUNReviewofbiomasspyrolysisoilpropertiesandupgradingresearch[外文期刊]2007(01)。
【4】田松峰，薛海亮，付小倩，王亮．玉米秸稈燃燒特性的實(shí)驗(yàn)分析，電站系統(tǒng)工程(已錄用)
【5】層燃燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料引起的事故分析孟豐平，樓錦杰(金華市特種設(shè)備檢測(cè)中心，金華321015)
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