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1、 生物质燃料燃烧特性分析与研究 生物质燃料燃烧特性分析与研究 任建兴 邓淙仁 李芳芹 仇中柱 上海电力学院 上海 200090 摘 要 摘 要 生物质燃料是一种可再生能源 根据 多种典型生物质燃料的基本组成 着重分析研究 了玉米秸秆成分对燃烧性能的影响 单位质量玉 米秸秆燃烧所消耗的空气量 三三原子气体生成量 和烟气量均小于烟煤 通过实际燃烧试验表明经 过成型预处理后的玉米秸秆能够满足炉排锅炉 燃烧的要求 关键词 关键词 生物质 燃烧特性 秸秆燃料 0 前言 0 前言 人类生存和社会发展都离不开能源 随着 经济的高速发展对能源的需求量也将日趋快速 增长 在常规一次能源中 煤碳 石油 天然气 等
2、必然会被开采殆尽 开发利用大量非再生一次 能源的同时 如果不采取有效的控制措施 必将 导致一系列严重的环境污染问题 因此 提高能 源利用效率 采用先进的技术手段研究利用可再 生能源 以逐步取代煤碳 石油 天然气等常规 一次非再生能源 是解决能源危机和环境保护问 题的重要途径之一 可再生能源的种类繁多 其 中生物质是可再生能源中比较有代表性的能源 特点是生物质资源储量丰富 分布广泛 使用清 洁方便 具有很好的开发利用价值 生物质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 其作用过程如以下反应式 在太 阳光的
3、照射下 大气中的二氧化碳被植物吸收 放出氧气 因此在各种可再生能源中 生物质是 一种可再生的碳源 利用碳的循环能够有效地减 少甚至消除二氧化碳的排放 从而实现控制和减 弱温室效应的发生 据有关资料推算地球上每年 被植物光合作用固定的碳为 2 1011 t 能量为 3 1021J 即每年通过光合作用贮存在植物的枝 茎 叶中的太阳能 相当于全世界每年耗能量的 10 倍 1 生物质能源被认为是第四大能源 分布广 蕴藏量大 我国是一个农业大国 现有生物质能 资源森林 草原和耕地面积达 41 4 亿公顷 理 论上生物质资源每年可达 650 亿吨以上 如果按 平均发热量为 15 000 千焦 公斤计算 折
4、合理论 资源量为 33 亿标准煤 相当于我国目前年总能 耗的 1 8 倍 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 据调查其中秸秆资源量已超 过 7 2 亿吨 约 3 6 亿吨标准煤 除 1 2 亿吨左 右作为饲料 造纸 纺织和建材等利用外 其余 6 亿吨可作为燃料利用 薪柴的来源主要为林业 采伐 育林修剪和薪炭林 年均薪柴产量约为 1 27 亿吨 折合标准煤 0 74 亿吨 禽畜粪便资源 量约 1 3 亿吨标准煤 城市垃圾量生产量约 1 2 第 1 页 共 6 页 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
5、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 亿吨标煤 并以每年 8 10 的速度递增 据估算 我国可开发的生物质能资源总量约 7 亿吨标准煤 2 3 2005 年2 月 28 日 国家颁布了 可再生能源 法 2006 年 1 月 1 日起实施 并于 2006 年陆续 出台了相应的配套措施 这表明我国已在法律上 明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的 地位 并在政策上给予了巨大支持 为此 开展 生物质能源的应用研究具有很好的现实意义 1 生物质燃料基本特性 生物质燃料基本特性 生物质的种类很多 一般可分
6、以下5大类 木质素 木块 木屑 树皮 树根 等 农业废弃物 秸秆 果核 玉米芯 甘蔗皮渣等 水生植物 藻类 水葫芦等 油料作物 棉籽 麻籽 油桐等 生活废弃物 城市垃圾 人及牲畜 的粪便 几种生物质的工业分析和元素组成及热 值见表1和表2所示 生物质的组成分析主要有工业分析和元素 分析两种 表1 表2为几种典型秸秆的工业分析 和元素分析 由表1和表2可知 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
7、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SO 和NO 生成量都远 低于烟煤 4 2x 第 2 页 共 6 页 表 1 表 2 发热量 kJ kg 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
8、质燃料燃烧过程分析 生物质燃料燃烧过程分析 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 生物质直接燃烧具有如下特点 4 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 生物质的燃烧产物用途广泛 灰渣可加 以综合利用 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
9、低SO2 NOx 等有害气体的排放浓度 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225 350 oC分解 纤维素在325 375 oC 分解 木质素在310 400 oC分解 因此其着火 特性与煤相比存在差异 5 6 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
10、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 目前成型设备主要 有螺旋挤压式成型机 机械活塞冲压式成型机 环模辊压式和液压活塞冲压式成型机等 7 成型燃料其密度可达900 1350 kg m3 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 以表2玉米秸秆生物质和常见烟煤 煤 矸石为例进行燃烧性能参数分析 表3为三种燃料燃烧产物生成量 图1为玉米 秸秆在不同燃烧空气过量系数条件下 实际燃烧 产生的烟气量 由表3和图1可知 在相同条件下 玉米秸秆燃料燃烧所需的
11、空气量 三原子气体生 成量和烟气中氮气量明显低于煤炭 这是由于玉 米秸秆自身含氧量高 部分氧分直接与碳和氢化 合 导致在燃烧过程中相对含量比较低的碳不能 全部参与燃烧 所以单位重量玉米秸秆燃烧所消 耗的空气量 三原子气体生成量和生成的烟气量 均小于烟煤 表3 理论燃烧产物生成量 m3 kg 燃料 种类 理论空 气量 三原子气 体容积 理论氮 气容积 理论水蒸 汽容积 烟 煤6 502 1 17 5 145 0 58 煤矸石3 946 0 731 3 124 0 366 玉米秸 秆 3 54 0 795 2 802 0 58 第 3 页 共 6 页 m3 kg 图1 玉米秸秆燃烧空气过量系数与实
12、际烟气量的关系 在进行燃烧性能试验时 采用经过热压成 型预处理后的玉米秸秆 成型后的几何形状为长 度不等的正四方形柱体 正四方形边长约35mm 如图2所示 被成型后的玉米秸秆投入移动炉排 上进行着火燃烧试验 在着火燃烧的初期阶段 玉米秸秆首先经过干燥 挥发份析出着火燃烧阶 段 这时燃烧强度相对比较低 火焰软弱 呈暗 红色 燃烧温度低 火焰部分层面存在黑烟现象 如图3所示 及时调整配风量 适度增加空气供 给量 燃烧火焰发生变化如图4 这时燃烧强度 高 火焰明亮 燃烧温度高 约1400 燃烧 性能试验表明 经过预先成型处理后的玉米秸 秆 只要适度调整燃烧配风供给方式就能满足移 动层燃的要求 图2
13、成型后的玉米秸秆 图3 着火燃烧初期火焰 图4 燃烧火焰 第 4 页 共 6 页 3 结 论 3 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 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 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
14、用的要求 参考文献 参考文献 1 石元春 发展生物质产业潜力无限 J 安徽 科技 2005 5 4 6 2 王庆一 中国能源现状与前景 J 中国煤 炭 2005 31 3 19 21 75 3 纪伟 生物质能发电技术发展现状 J 山东 煤炭科技 2005 4 45 46 4 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 5 王涛 中国主要生物质燃料油木本能源植物 资源概况与展望 J 科技导报 2005 23 5 12 14 6 闵凡飞 张明旭 生物质燃烧模式及燃烧特 性的研究 J 煤炭学报 2005 30 1 04 108 7 樊峰鸣 张百良 李保谦 刘圣勇 大粒径生物 质成型燃料物理特性的研究 J 农业环境科 学学报 2005 24 2 398 402 第 5 页 共 6 页 第 6 页 共 6 页
