生物质燃料燃烧的特性与应用
生物质燃料燃烧特性与应用
1、前言
生物质燃料是一种可再生能源，是指依靠太阳光合作用而产生的各种有机物质，是太阳能以化学能的形式存在于生物之中的一种能量形式，直接或间接地来源于植物的光合作用。被认为是第四大能源，分布广，蕴藏量大。生物质燃料基本特性
生物质的种类很多，一般可分以下5大类：①木质素：木块、木屑、树皮、树根等；②农业废弃物：秸秆、果核、玉米芯、甘蔗皮渣等；③水生植物：藻类、水葫芦等；④油料作物：棉籽、麻籽、油桐等；⑤生活废弃物：城市垃圾、人及牲畜的粪便。
生物质作为有机物燃料是由多种复杂的高分子有机化合物组成的复合体，化学组成主要有：纤维素、半纤维素、木质素和提取物等，这些高分子物质在不同种类生物质、同一种类生物质的不同区域其组成也不同，有些甚至有很大差异。生物质的可燃成分主要是有机元素如碳、氢、氮和硫，虽然就元素的成分而言，生物质燃料的成分和常规燃料煤炭基本上没什么区别，但正是各成分在数量上的差异导致了生物制燃烧产物与煤炭的差异。生物质的碳含量普遍在50%左右，低于普通的烟煤，而氢含量则高于烟煤，尤其是挥发份和氧含量远远高于普通烟煤，氧含量超过煤10倍左右。由于生物质燃料的可燃组分含量相对比较低，因此生物质燃料的低位发热量比一般烟煤低。在着火燃烧性能方面，生物质燃料的挥发份含量远远高于普通烟煤，导致着火燃烧性能明显高于普通烟煤。在燃烧污染物生成排放方面，生物质燃料的硫含量仅为0.1%左右，含氮量和理论氮气容积也低于烟煤，所以总的SO2和NOx生成量都远低于烟煤。根据秸秆生物质燃料高挥发分、高氧量、低硫份和灰份的基本特性，因此相对于煤炭而言，秸秆生物质具有易燃、清洁环保的特点。
2、生物质燃料：
2.1生物质燃料燃烧过程分析：
生物质燃料的燃烧过程主要分为挥发分的析出、燃烧和残余焦炭的燃烧、燃尽两个独立阶段。其燃烧过程的特点是：【1】
(1)生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高。
(2)生物质燃料的密度小，结构比较松散，迎风面积大，容易被吹起。悬浮燃烧的比例较大。
(3)由于生物质发热量低，低位发热值约为12．6MJ／kg，炉内温度偏低，组织稳定的燃烧比较困难。
(4)由于生物质挥发分含量高，燃料着火温度较低，一般在250～350℃温度下挥发分就大量析出，并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足。将会增大燃料的不完全燃烧损失。
(5)挥发分析出燃尽后，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，焦炭颗粒燃烧速度缓慢，燃尽困难，如不采取适当的措施，将会导致灰烬中残留较多的余碳，增大机械不完全燃烧损失。
目前，生物质的利用技术主要有生物质的气化发电、热解液化和直接燃烧发电等。在实际应用过程中，生物质直接燃烧发电应用较为广泛，直接燃烧技术是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。生物质直接燃烧是将生物质直接作为燃料燃烧，燃烧产生的能量主要用于发电或集中供热等。
2.2、生物质直接燃烧具有如下特点:【2】
一、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，因此可以认为是CO2的零排放，有助于缓解温室效应；
二、生物质的燃烧产物用途广泛，灰渣可加以综合利用；
三、生物质燃料可与矿物质燃料混合燃烧，既可以减少运行成本，提高燃烧效率，又可以降低SO2、NOx等有害气体的排放浓度；
四、采用生物质燃烧设备可以实现各种生物质资源的减量化、无害化和资源化。由于生物质燃料特性与化石燃料不同，从而导致了生物质燃料在燃烧过程中的燃烧机理、反应速度以及燃烧产物的成分与化石燃料相比也都存在较大差别，表现出不同于化石燃料的燃烧特性。生物质的n(H)／n(C)比和n(O)／n(C)值均比煤要高，而且生物质的几种主要成分中半纤维素在225～350oc分解325～375oC分解，木质素在310～400oC分解，因此其着火特性与煤相比存在差异生物质的直接燃烧利用技术，一般是将生物质进行成型预处理，尤其是秸秆类生物质。成型技术是指在一定温度、压力下，将分散的、没有一定形状的生物质压制成具有一定形状、密度较大的成型燃料。生物质成型工艺为：秸秆收集—干燥—破碎—热压—成型。成型燃料其密度可达900～便于贮存和运输,燃烧性能好。
为了研究生物质燃料与煤炭着火燃烧特性的差异，以生物油为例进行说明。生物油性质：
生物油是由不同组分组成的混合物．它是由生物质中的纤维素、半纤维素和木质素解聚和分裂而成。因此，生物油和化石燃料油的元素组成是不同的。与化石燃料油相比。生物油中水分多。氧元素含量较高，粘度较高，密度大，残炭率高，pH值小，碳元素、氢元素和硫元素含量较低。生物油巾含有酸、醇、醛、酮和酚类等400多种有机物，它们在长时间存放或加热后会发生化学反应，因此生物油储存稳定性较差且易老化【3】
生物油燃烧特性：
生物油的理化性质对其燃烧行为有相当大的影响。由于不挥发组分的含量较高，因此生物油是可燃的，但不是易燃的。生物油十六烷值为13—14，热值约为
柴油的1/2。理论上讲，生物油可以替代化石燃料成为热力设备的燃料。
2.3、生物油燃料特性较差：
1.点火困难。生物油中水分、氧元素含量较高，不能压燃，可用火焰引燃。可采用轻油和生物油双燃料供应管路。利用轻油燃烧释放出热量引燃生物油，也可将十六烷值高的燃料与生物油混合或乳化进行直接燃烧。如何转化利用生物油中过多的氧是一个亟待解决的问题。
2、设备结焦和腐蚀问题。生物油粘度大。其SM0(沙脱平均直径。为生物油喷雾雾滴的体积之和与表面积之和的比值)较大，存在燃烧不完全、易析出碳、燃烧器头部易结焦、管壁易积灰等问题。生物油密度大，火焰辐射面增大，燃烧器头部
温度升高，喷嘴更易结焦、堵塞。采用预过滤生物油、加强油雾与空气的混合、经常更换或清洗喷嘴等方法可解决上述问题。生物油pH值较低，酸性强，在燃烧室内和燃气轮机叶片上易出现严重的腐蚀现象，可将生物油醇酯化后进行燃烧，燃烧设备材料也应更换为耐酸性强的'不锈钢材料。
3、雾化质量问题。生物油粘度大，密度高，残炭率高．因此应采用预过滤生物油，提高喷射压力，预热生物油的方法，降低生物油的粘度，减小液滴尺寸，提高生物油雾化质量，但喷雾量增加，喷雾角度减小，喷雾冲击力提高。喷嘴磨损加剧。生物油雾化得越细，越有利于蒸发、混合，还能缩短燃烧时间．因此应选择孔径较小的喷嘴，并增加喷嘴的数量。
4、合理配置风量问题。生物油中碳、氢元素含量较少，保持一个合理的空气过量系数十分重要。根据锅炉炉膛氧量表和排烟氧量表及风量表的变化情况．调整风门开度和油阀开度。通过调节柴油机喷油提前角来调节滞燃期和预混合油量，可以提高生物油燃烧效率。通过燃气轮机燃料控制系统可以调节燃料供应量，通过进气导流叶片，可以调节进气流量。
3、目前生物油燃烧的应用研究：
主要有锅炉燃烧、柴油机燃烧、燃气轮机燃烧、斯特林发动机燃烧。
3.1、柴油不机燃烧：
柴油机热效率高。经济性好。中低速柴油机可以使用低品质的燃料。生物油在柴油机中很难压燃，柴油机喷射系统出现严重的磨损、积炭现象，运行不稳定，技术上存在很大的障(转载于:in再增加时第二个燃烧失重峰峰顶值和升温速率关系不大；DTA．T中的两个放热峰逐渐向后偏移。玉米秸秆的燃烧过程存在低温和高温区间，低温区的活化能不到高温区的一半，说明在低温区只需要较少的热量就能够使燃烧反应发生而高温区则需要的热量更多：从频率因子来看，高温区的燃烧反应要比低温区剧烈的多；随着升温速率的增大，活化能变小，频率因子也变小；利用双组分分阶段反应模型能够针对玉米秸秆在不同的温度区间内运用不同的反应级数描述其反应过程，在低温区反应级数为一级，而高温区反应级数为三级。随着温升速率的升高，玉米秸秆的最大热解速率增加较快，同时较高温升率下的热解速度也比较低的热解速率快，有利于挥发分的析出；热解初析温度逐渐降低，析出变得更容易；挥发分最大热解速率逐渐变大，并且变大的越来越快，造成挥发分析出时越剧烈；最大热解速率时对应的温度也是变大的，说明较高的温升率造成DTG曲线失重峰滞后现象；热解过程中达到最大热解速率时所需要的时间是迅速变小，说明较高的温升率利于挥发分的迅速析出。随着升温速率的增加，玉米秸秆的活化能将变大，则所需较多的热量才能够使秸秆热解；频率因子变大但数量级完全相同，则提高热解时的温升率能够使反应更加剧烈，所以较高的温升率有利于挥发分的快速析出。玉米秸秆的热解反应为一级的，反应机理方程为f(a)=(1一a)。
玉米秸秆燃烧时能形成两个燃烧失重峰，前一个为燃烧挥发分的燃烧失重峰，后一个为燃烧固定碳的燃烧失重峰，并且由玉米秸秆的工业分析知道其挥发分含量67％和约17％的固定碳，这就决定了玉米秸秆在锅炉内刚刚燃烧时，需要迅速提供足够的氧气才能够使挥发分充分燃烧，并且还要有足够的氧气使燃烧挥发分后的剩余碳能够完全燃烧，这就要求炉内有及时的供风系统保证。由于燃料的含水量一般较大并且在进入炉膛前未被加热干燥，所以进入炉膛的燃料温度为周围环境温度。燃料在三级给料机的推挤下进入炉膛，落在散料管道上散开，随后在炉膛内高温烟气的辐射及炽热的火焰的直接传热下将燃料加热迅速升温，析出水分、挥发份、当达到着火温度后开始着火燃烧，在这个过程是比较短暂的需要大量的热量。在振动炉排的振动作用下，燃料散开并向炉排后侧滚动燃烧；同时从炉排下侧补充一次风，满足燃烧的需要：从炉排上侧补充二次风，一方面将火焰压住，避免火焰过分上飘；另一方面，及时供氧，保证燃料充分燃烧和燃尽，保证锅炉运行的经济性。燃料燃尽形成灰渣以后，在炉排的振动作用下排出炉外，生成的高温烟气通过各受热面降温以后，通过除尘器除尘以后排入大气。在燃烧过程中，可以通过调节燃料量的多少、调节炉排的振动频率和振动时间，一、二次风门开度分配风量大小、送引风机的入口调节挡板进行调节送风大小和炉膛负压，达到对燃烧控制的目的。
4、生物质燃料燃烧对锅炉的影响：
由于生物质燃料燃烧过程与煤存在差异：生物质燃料密度小，结构松散，挥发分含量高，挥发分在250—350℃温度下大部分析出；挥发分析出后疏松的焦炭容易随着气流进入烟道，所以通风不能过强；挥发分燃尽后，受到灰烬包裹的焦炭较难燃尽。所以生物质燃料锅炉的设计要结合生物质燃烧的特点，如炉膛容积要大，燃烧扰动要充分，炉膛内受热面布置要充分。为了保证锅炉运行的安全性和经济性，锅炉本体各部分形状、尺寸、相对位置都有一定要求，并且在受热面的某些部位还应保证一定的烟气和工质参数，诸如温度、压力、流速等，其中，炉膛形状和容积大小对锅炉安全经济运行有很大影响。直接采用DzL型层燃燃煤锅炉会出现：炉膛容积过小，容积热负荷过大；炉膛出口温度过高；烟气量增加、流速过快，热交换过强。【5】
锅炉的改造可增加炉膛容积，考虑设置前置燃烧室或者在炉膛内增加辐射受热面和对流受热面，还可以减小炉膛出口的喉口面积，在出口部位装设向前吹的二次风，增加燃料在炉内的停留时间，加强扰动使焦炭燃尽。另外还应当减小鼓风量，防止锅炉超负荷运行。
5、结论：
生物质是一种可再生能源被认为是第四大能源，我国是一个农业大国，生物质资源分布广，蕴藏量大，理论上生物质资源每年可达650亿吨以上，对环境污染小，具有很好的开发利用前景。在我国可以作为能源利用的生物质主要包括各类秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾和有机废渣废水等，其中具有典型意义的是各类秸秆。在相同条件下，秸秆燃料与煤炭的燃烧特性差异较大，燃烧所需的空气量、三原子气体生成量和烟气中氮气量均明显低于煤炭。生物质燃料燃烧特性与煤相比较差，需要燃烧设备作相应改进，主要应用于对燃料适应性广泛的锅炉。秸秆的直接燃烧利用一般需经过预先成型处理，成型处理后的秸秆便于运输，能够满足炉排锅炉燃烧利用的要求。
参考资料：
【1】联合炉排燃烧生物质燃料技术的应用王海峰1，蒋晓锋2，郑学军3文章
编号：1671一086X(2009)03—0211一03
【2】张明,袁益超,刘聿拯.生物质直接燃烧技术的发展研究[J].能源研究与信息,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．玉米秸秆燃烧特性的实验分析，电站系统工程(已录用)
【5】层燃燃煤锅炉改烧生物质燃料引起的事故分析孟丰平，楼锦杰(金华市特种设备检测中心，金华321015)
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