1、生物質燃燒技術,4.1生物質燃料與燃燒4.2生物質預處理技術4.3省柴灶4.4生物質現代化燃燒技術4.5生物質燃燒發電熱電聯產4.6生物質與煤的混合燃燒技術4.7 主要污染物與控制技術,4.1生物質燃料與燃燒,燃料一般是指可以與氧發生激烈的氧化反應，釋放出大量熱量，而且具有經濟合理性的一種物質。按照形態可分為氣體燃料、液體燃料和固體燃料；按照取得的方法可為天然燃料和人造燃料。本章主要討論生物質固體燃料，包括農作物秸秆、稻殼、鋸末、果殼、果核、木屑、薪柴和木炭等。,4.1生物質燃料與燃燒,4.1.1生物質成分與特性1. 元素分析成分(1)碳。(2)氫。(3)氧和氮。(4)硫。(5)灰分。(6)水
2、分。,4.1生物質燃料與燃燒,2. 工業分析成分 在隔絕空氣條件下對燃料進行加熱，首先是水分蒸發逸出，然後燃料中的有機物開始熱分解並逐漸析出各種氣態產物，稱為揮發分（V），主要含有H2、CH4等可燃氣體和少量的O2、N2、CO2等不可燃氣體。,4.1生物質燃料與燃燒,生物質揮發分含量一般在76%86%之間，遠遠高於煤，因此揮發分的熱解與燃燒是生物質燃燒的主要過程。餘下的固體殘餘物為木炭，主要由非揮發性碳（固定碳）與灰分組成。所謂固定碳，並非純碳，其中殘留少量的H、O、N和S等成分。,4.1生物質燃料與燃燒,表4.1 幾種生物質的元素分析(可燃基),4.1生物質燃料與燃燒,用揮發分、固定碳、灰分
3、和水分表示燃料的成分稱為燃料的工業分析成分，幾種生物質工業分析見表4.2。,4.1生物質燃料與燃燒,3. 生物質的熱值 熱值（又稱發熱量）是指在一定温度下，單位質量（氣體燃料為單位容積）的燃料完全燃燒後，在冷却至原有温度時所釋放的熱量，是衡量燃料品質的重要指標。生物質的熱值一般在1821MJ/kg之間，固體燃料的熱值通常採用氧彈測熱器直接測定。,4.1生物質燃料與燃燒,考慮到在實際燃燒狀況下，燃燒產物具有相當高的温度（一般都超過100），而水蒸氣在燃燒產物中分壓力遠低於大氣壓，不能凝結為水，以燃料中水蒸氣是否釋放汽化潛熱，將熱值分為高位熱值和低位熱值。在實際應用中一般採用低位熱值，幾種生物質低
4、位熱值見表4.2。,4.1生物質燃料與燃燒,兩者之間差別在於水蒸氣（水分蒸發和氫燃燒生成）的汽化潛熱是否釋放出來，換算關係為 QdwQgw25(9HW)式中 Qgw-燃料的高位熱值，kJ/kg； Qdw-燃料的低位熱值，kJ/kg； H、W-氫、水的元素分析，%。,4.1生物質燃料與燃燒,4. 生物質的物理特性 生物質的物理特性也是十分重要的。生物質的分佈、自然形狀、尺寸、堆積密度及灰熔點等物理特性影響生物質的收集、運輸、儲存、預處理和相應的燃燒技術。(1)堆積密度。是指包括固體燃料顆粒間空間在內的密度。,4.1生物質燃料與燃燒,(2)灰分熔點。在高温狀態下，灰分將變成熔融狀態，形成含有多種組
5、分的灰（具有氣體、液體或固體形態），在冷表面或爐牆會形成沉積物，即積灰或結渣。灰分開始融化的温度稱為灰熔點。,4.1生物質燃料與燃燒,4.1.2 燃燒的基本過程燃燒是指燃料中所含的C、H等可燃元素與氧氣發生激烈的氧化反應，同時釋放熱量的過程。固體燃料的燃燒按燃燒特徵，通常分為以下(1)表面燃燒。(2)分解燃燒。(3)蒸發燃燒。,4.1生物質燃料與燃燒,生物質的燃燒過程可以分為以下四個階段。(1)預熱和乾燥階段。(2)揮發分析出及木炭形成階段。(3)揮發分燃燒階段。(4)固定碳燃燒階段。,4.1生物質燃料與燃燒,燃燒過程可知，要使燃料充分地燃燒，必須具備三個條件：一定的温度，合適空氣量及與燃料良
6、好的混合，足夠的反應時間和空間，即燃燒“三要素”。(1)一定的温度。 不同的點火温度以及燃料種類，其著火點也不同，不同種類木材的著火點及自燃温度見表4.3。,表4.3 不同種類木材的著火點及自燃溫度,4.1生物質燃料與燃燒,(2)合適空氣量及與燃料良好的混合。在合適空氣量情況下，影響燃燒的主要因素取決於空氣與燃料良好的混合，各種元素完全燃燒時，所需的理論空氣量與煙氣量見表4.4。,4.1生物質燃料與燃燒,(3)足夠的反應時間和空間。燃燒反應一般都發生在一定的時間內和空間中。,4.1生物質燃料與燃燒,4.1.3 影響燃燒速度的因素1. 温度對燃燒速度的影響 温度是通過對化學反應速度的影響而起作用
7、的。者之間的關係符合以下規律,4.1生物質燃料與燃燒,式中K-表征化學反應速度的常量K0-與反應物有關的係數E-化學反應活化能，kJ/kmolR-通用氣體常數，為8.314kJ/(kmolK)T-絕對温度，K,4.1生物質燃料與燃燒,2. 氣流擴散速度對燃燒速度的影響氣流擴散速度由氧氣濃度所決定，遵循如下關係式式中M-表徵氣流擴散速度的量Ck-擴散速度常數，主要取決於氣流速度，與温度基本無關cgl，cjt-氣流和木炭表面的氧氣濃度,4.1生物質燃料與燃燒,根據温度和氣流擴散速度對燃燒的影響程度的不同，可將燃燒劃分為三種不同的區域。(1)動力燃燒區。(2)擴散燃燒區。(3)過渡燃燒區。,4.2生
8、物質預處理技術,生物質中水分變化較大，具有鬆散、能量密度低（特別是以體積計算的能量密度）及分散等特點。為了便於對生物質的收集以及採用自動上料機構，需要對生物質進行預處理，以滿足不同燃燒系統的具體要求，並增加生物質的能源密度，減少收集、運輸和儲存的成本。,4.2生物質預處理技術,4.2.1農作物結桿打捆處理 在農作物收穫時節，農業生產的廢物，如稻草、麥桿及棉桿等結桿可以使用打捆機進行收集與處理。打捆機自動完成對小麥、牧草等作物結桿的撿拾、壓捆、捆扎和放捆一系列作業，可與多種型號的拖拉機配套，適應各種地域條件作業。,4.2生物質預處理技術,方捆機由於所打的草捆密度比圓捆高，運輸和儲存比較方便，可連
9、續作業，效率較高。但其結構複雜，製造成本高。密實型草捆正處於研究階段，沒有投入實際的應用。不同種類草捆的技術參數見表4.5。,4.2生物質預處理技術,表4.5 不同種類草捆的技術參數,4.2生物質預處理技術,4.2.2生物質乾燥生物質水分變化範圍較大，影響因素包括燃料的種類、當地的氣候狀況、收穫的時間和預處理方式等。依據是否使用熱源，可將生物質乾燥技術分為自然乾燥和人工乾燥兩種方法。1. 自然乾燥2. 人工乾燥是指利用一定的乾燥設備和熱源，對生物質進行加熱乾燥的方法。,4.2生物質預處理技術,圖 4.5 利用尾氣餘熱回收作熱源的生物質乾燥系統,4.2生物質預處理技術,4.2.3 生物質粉碎4.
10、2.4 生物質輸送,4.3省柴灶,表4.6 發展中國家改良爐灶的發展狀況及成本範圍,4.3省柴灶,4.3.1 省柴灶發展歷程 省柴灶按其使用燃料的種類可分為以薪柴為主的硬柴爐灶、以秸秆為主的軟柴爐灶、兼燒薪柴和秸秆的兩用爐灶以及使用牲畜糞便的爐灶。依據通風形式、欄火圈形狀或燃燒室形狀，省柴灶的分類如圖4.2所示。,4.3省柴灶,圖 4.2 省柴灶的分類,4.3.2 省柴灶的工作過程,圖 4.3 NG-型組裝省柴灶結構簡圖,4.3省柴灶,4.3.3 省柴灶的節能原理綜合分析省柴灶中各項熱損失。1. 減少排煙熱損失（q2）2. 減少化學不完全燃燒熱損失（q3）3. 減少固體不完全燃燒熱損失（q4）
11、4. 減少散熱損失（q5）5. 減少灰渣熱損失（q6）,4.3省柴灶,4.3.4 省柴灶熱性能試驗1. “三個十”法2. “熄火”法3. “燃盡”法4. 均耗量法,4.3省柴灶,5. 民用柴爐、柴灶熱性能測試方法(1)升温性能：單位時間內鍋水温度升高的度數，表示爐灶的起動性能；(2)蒸發速度：單位時間內鍋水蒸發的數量，表示爐灶的持續加熱性能；(3)熱效率：鍋水升温時吸收的熱量同部分水蒸發時吸收熱量之和，與投入爐膛內燃盡的柴草熱量之比。表示爐灶的熱利用性能。,4.4生物質現代化燃燒技術,圖 4.4 生物質現代化燃燒技術示意圖,4.4生物質現代化燃燒技術,4.4.1 層燃技術在層燃方式中，生物質平
12、鋪在爐排上形成一定厚度的燃料層，進行乾燥、乾餾、燃燒及還原過程。空氣（一次配風）從下部通過燃料層為燃燒提供氧氣，可燃氣體與二次配風在爐排上方的空間充分混合燃燒，層燃的燃燒過程見圖4.5。,圖 4.5 層燃的燃燒過程,4.4生物質現代化燃燒技術,空氣通過爐排和灰渣層被預熱，和熾熱的木炭相遇，發生劇烈的氧化反應 CO2CO2 2CO22CO依據燃料與煙氣流動的方向不同，可將爐排燃燒技術分為三類（見圖4.6）。(1)順流。(2)逆流。(3)叉流。,4.4生物質現代化燃燒技術,圖 4.6 爐排燃燒技術的分類,4.4生物質現代化燃燒技術,一個設計良好的爐排要保証燃燒的燃料在爐排表面分佈均匀，以保障一次配
13、風的均匀分佈。空氣分佈不均匀會造成結渣、飛灰損失增加、過量空氣係數增加等問題。燃料在爐排上傳輸必須儘可能地保證平滑和均匀，以避免出現火口，飛灰和炭粒增加等現象的出現。生物質鍋爐典型的爐排形式可參見圖4.7，生物質燃燒系統參見圖4.8。,圖 4.7 生物質鍋爐典型的爐排形式示意圖,圖 4.8 生物質燃燒系統,4.4生物質現代化燃燒技術,在丹麥開發了一種專門燃燒成捆結桿的燃燒爐，見圖4.9。採用液壓式活塞將成捆的結桿通過輸入通道連續地輸送至水冷移動爐排。由於結桿的灰熔點較低，可通過水冷爐牆或煙氣循環等方式來控制燃燒室溫度，使其不超過900。,圖 4.9 以成捆結桿為燃料的生物質鍋爐,4.4生物質現
14、代化燃燒技術,下飼式形式為一種廉價及簡單的技術，廣泛的應用於中、小型系統（額定功率一般小於6MW）。它具有簡單、易於操作及控制等特點，適用於含灰量較低（如木屑、鋸末及顆粒燃料等）和顆粒尺寸較小（50mm）的生物質，可在低負荷狀態下運行，見圖4.10。,圖 4.10 下飼式生物質鍋爐,4.4生物質現代化燃燒技術,4.4.2 流化床技術1. 流化床的工作原理 燃料在流化床中運動形式與層燃爐和煤粉爐有著明顯區別，如圖4.4所示。,4.4生物質現代化燃燒技術,(1)固定床。當空氣的速度（按整個布風板面積計算的流速，也稱空截面氣流速度）較低時，在燃料顆粒的重力大於氣流推力的情況下，固體顆粒將處於静止狀態
15、，布風板上燃料層保持不動，稱為固定床圖4.4(a)，層燃方式就屬於這種狀態。在這種狀態下，只有空氣與顆粒之間的相對運動，而固體顆粒之間則相對静止，料層高度基本上維持不變，空氣通過料層阻力將與速度的平方成正比，如圖4.11 AB段所示。,4.4生物質現代化燃燒技術,(2)流化床。由於固體顆粒組成的燃料層表現出流體特性，稱為流化床又稱沸騰床，見圖4.4(b)，此燃燒方式稱為沸騰燃燒。但是，此時固體顆粒仍然留在料層中，而無法被氣流帶出，即向上運動的絕對速度為零。,4.4生物質現代化燃燒技術,料層開始膨脹時，稱為臨界流化點，此時氣流速度umf為臨界流化速度。試驗表明，臨界流化速度與固體顆粒的大小及其粒
16、度分佈、顆粒密度和氣流物理性質有關。繼續提高氣流速度，因料層膨脹，顆粒間的空隙也增加，通過料層的實際風速趨於常數，所以料層的阻力基本維持恒定值不變，如圖4.11 BC段所示。,圖 4.11 流化床特性曲線,4.4生物質現代化燃燒技術,(3)氣流輸送。當空氣流速繼續增加超過一定限度ut時，穩定的沸騰狀態被破壞，顆粒將被氣流帶走圖4.4(c)，這種運動形式稱為氣流輸送，燃燒狀態為懸浮燃燒。 綜上所述，如果要保持料層的流態化，關鍵的因素在於適當的氣流速度，氣流速度u大於臨界流化速度umf，而小於極限速度ut，即 umfuut,4.4生物質現代化燃燒技術,2. 流化床的特點 圖4.12為鼓泡流化床的結
17、構示意圖，主要由送料機構、布風板、風室、燃燒室、受熱面與溢流口等組成。燃燒室由沸騰段和懸浮段組成。沸騰段的範圍自布風板上方至溢流口下沿以上150200mm的空間，高度一般為料層静止厚度的22.4倍。沸騰段的主要作用是在布風板一定高度範圍內有足夠的氣流速度，以保證良好的流化，防止顆粒分層。,圖 4.12 鼓泡流化床的結構示意圖,4.4生物質現代化燃燒技術,3. 循環流化床 循環流化床鍋爐的燃料及脫硫劑從流化床布風室上部給入，在爐內燃燒並發生化學反應。 循環流化床（如圖4.13所示）主要由燃燒室、飛灰分離收集裝置、飛灰回送裝置及外部流化床換熱器等組成，分別說明如下。 (1)燃燒室。 (2)飛灰分離
18、收集裝置。(3)飛灰回送裝置。 (4)外部流化床換熱器。,循環流化床鍋爐的工作原理,圖4.13,4.4生物質現代化燃燒技術,4. 流化床燃燒SO2的控制技術 在生物質燃燒過程中進行固硫反應。受熱分解產生的CaO與煙氣中SO2結合生成CaSO4，反應產物既可以隨灰渣排掉，又可以再生重新使用。主要反應過程如下燃燒反應：SO2SO2煅燒反應：CaCO3CaOCO2固硫反應：CaOSO2 O2CaSO4,4.4生物質現代化燃燒技術,5. 秸秆在流化床中引起結塊問題 在使用流化床燃燒農作物秸秆時，由於床料通常使用的石英砂（主要成分為SiO2，熔點在1450以上）可與秸秆灰中的Na2CO3或K2CO3發生
19、反應，如下式2SiO2Na2CO3Na2O2SiO2CO24SiO2K2CO3K2O4SiO2CO2,4.4生物質現代化燃燒技術,4.4.3 懸浮燃燒技術生物質懸浮燃燒技術與煤粉燃燒技術類似，幾乎是大型鍋爐的唯一燃燒方式。對於大型的燃煤系統而言，煤粉爐具有效率高、燃燒完全等優點，已成為標準的燃燒系統。圖4.14為採用懸浮燃燒技術的生物質水管鍋爐。,採用懸浮燃燒技術的生物質水管鍋爐示意圖,圖4.14,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,表4.7 生物質燃燒發電技對比,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,4.5.1 汽輪機發電技術汽輪機是將蒸汽能量轉換為機械功旋轉式動力機械。生物質在鍋爐中燃燒，釋放出熱量，產
20、生高温、高壓的水蒸氣（飽和蒸汽），在蒸汽過熱器吸熱後成為過熱蒸汽，進入汽輪機膨脹做功，以高速度噴向渦輪葉片，驅動發電機發電。做功後的乏氣在向冷却水釋放出熱量後凝結為水，經給水泵重新進入鍋爐，完成一個循環。簡單的蒸汽動力裝置的理想循環稱為朗肯循環（如圖4.15所示）。,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,圖 4.15 汽輪機發電系統示意圖,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,其中各個階段分別為：(1)過程12：在水泵中的絕熱壓縮，狀態變化的很快，還沒有來得及進行熱交換，系統與外界之間為絕對熱絕緣，此過程為定熵過程。(2)過程23：在預熱器中定壓加熱至飽和温度。(3)過程34：在生物質鍋爐中汽化。(4)過程4
21、5：在蒸汽過熱器中過熱。(5)過程56：在汽輪機中絕熱膨脹（實際過程），其中56為理想過程。(6)過程61。在冷凝器中完全凝結，釋放出熱量。,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,4.5.2 蒸汽機發電技術蒸汽機是將蒸汽的能量轉換為機械功往復式動力機械。它的出現引起了18世紀的工業革命。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原動機，後來才逐漸讓位於內燃機和汽輪機等。每臺蒸汽機的裝機容量為501200kW，因此可應用於小規模系統和中型系統。它的發電過程與汽輪機類似，也採用朗肯循環，如圖4.16所示。,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,圖 4.16 蒸汽機發電系統示意圖,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,4.5.
22、3 斯特林發動機發電技術斯特林發動機是一種外燃閉式循環往復活塞式熱力發動機。,圖 4.17 史特林發動機循環的T-S圖,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,在斯特林發動機封閉的氣缸內充有一定容積的工質，氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。理論上，定容儲熱量等於回熱量，其循環效率等於卡諾循環效率。考慮到摩擦力、熱損失和壓力損失等因素，發電的實際效率為15%30%。,圖 4.18 史特林發電機發電系統示意圖,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,4.5.4 熱電聯產發電廠鍋爐產生的蒸汽驅動汽輪發電機組發電以後，排出的乏氣仍然含有大量的熱能，却被冷却水帶走白白地損失掉，因而熱效率較低，僅為20%40%。如果蒸汽驅動汽輪
23、機之後的乏氣熱量能夠加以利用，則既能發電又能提供熱量，這種生產方式稱為熱電聯產(combined heat and power production，CHP)。,圖 4.19 Rudk bing熱電聯產系統工藝流程,表4.8 Rudk bing熱電聯產系統參數,4.5生物質燃燒發電熱電聯產,4.6生物質與煤的混合燃燒技術,生物質與煤混合燃燒技術可分為直接利用和氣化利用兩種形式。4.6.1 直接利用直接利用是首先對生物質進行預處理，然後直接輸送至鍋爐燃燒室的利用方式。採用的方式可以是層燃、流化床和煤粉爐等燃燒方式。是現階段世界上最大的生物質發電廠，工藝流程可見圖4.20。,4.6生物質與煤的混合
24、燃燒技術,圖 4.20 生物質與煤混合燃燒工藝流程示意圖,4.6生物質與煤的混合燃燒技術,當採用煤粉爐作為燃燒設備時，生物質的預處理可以分為以下三種方式。(1)將生物質與煤預先混合，然後經過磨煤機粉碎後，通過分配系統輸送至所有的燃燒器。(2)將生物質與煤分別處理，包括計量、粉碎，然後通過各自管路輸送至燃燒器前。(3)與第二種方式基本相同，不同的是為生物質準備了專門的燃燒器單獨使用。,4.6生物質與煤的混合燃燒技術,4.6.2 氣化利用在採用氣化利用方式時，首先將生物質在氣化爐中氣化，產生燃氣（主要成分為50%的N2以及CO、CO2、CH4、H2和H2O等）的熱值較低，經簡單的浄化處理後，直接輸
25、送至鍋爐燃燒室與煤進行混合燃燒。,4.7 主要污染物與控制技術,生物質燃燒對環境的影響主要表現為排放物對大氣環境的污染。大氣污染是指人類活動所產生的污染物超過自然界動態平衡恢復能力時，出現的破壞生態平衡而導致的大氣污染和公害。引起大氣污染的污染源包括自然界和人類活動，如生物質燃燒、固體廢物的焚燒等。直接排放到大氣中的污染物稱為一次污染物；一次污染物經陽光照射後，發生光化學反應生成的污染物稱為二次污染物。,表4.9 生物質燃燒主要污物及其對環境的影響,4.7 主要污染物與控制技術,4.7.1 煙塵的生成與控制技術煙塵除了炭微粒外，還含有硫、氫、酚、苯和重金屬等有毒、有害物質或强致癌物質。煙塵可分
26、為如下兩種類型。(1)氣相析出型。 (2)粉塵。,4.7 主要污染物與控制技術,在生物質燃燒過程中可採取避免污染物產生的措施，如通過選擇合適的燃燒設備，燃燒過程的優化控制，多級配風系統等方式，以提高燃燒温度，延長滯留時間使空氣與燃料的充分混合，減少不完全燃燒熱損失，提高燃燒效率，減少污染物的產生。,4.7 主要污染物與控制技術,1. 機械除塵器 該類除塵器是利用質量力（重力、慣性力和離心力）的作用將灰分從煙氣中分離出來的裝置，可分為重力沉降室、慣性除塵器和旋風除塵器，其類型和性能特點見表4.10。,4.7 主要污染物與控制技術,表4.10 機械除塵器類型和性能特點,4.7 主要污染物與控制技術
27、,2. 濕式除塵器 該類除塵器主要是利用氣體與液滴或液膜密切接觸，依靠慣性、截留、擴散和凝聚效應等除塵機理，將灰分從煙氣中分離出來的高效除塵裝置。其類型性能特點見表4.11：,4.7 主要污染物與控制技術,表4.11 濕式除塵器類型和性能特點,4.7 主要污染物與控制技術,3. 過濾式除塵器 使含塵氣流通過織物或多孔的填料層進行過濾分離的裝置，主要分為袋式除塵器和顆粒層除塵器。4. 電除塵器 主要利用高壓電場使塵粒帶上電荷，在静電力的作用下使粉塵與氣流相分離，一般分為濕式和乾式兩種形式。,4.7 主要污染物與控制技術,4.7.2 NOx的生成與控制技術燃燒過程中生產的NOx主要為NO和NO2。
28、NO是無色無嗅氣體，與血紅蛋白的親和力約為CO的1000倍，當其濃度較大時，容易引起缺氧性中樞神經麻痹。,4.7 主要污染物與控制技術,生物質燃燒過程中的NOx主要為NO，占90%，NO2占10%，且NO2可通過NO在大氣中轉化而來。根據燃料種類和燃燒條件的不同，NOx可分成兩類。(1)温度型NOx。空氣中的N2在高温條件下氧化而產生的氮氧化物，稱為温度型NOx，其生成過程可用以下反應加以說明 O2OO ON2NON NO2NOO,4.7 主要污染物與控制技術,(2)燃料型NOx。在生物質中含有0.1%1%的N，以氮的有機物形式存在。在燃燒過程中，有機化合物的氮原子容易分解出來，從而生成大量的NOx，稱為燃料型NOx。,4.7 主要污染物與控制技術,影響燃料型NOx生成量的主要因素是燃料含氮量、氧濃度和過量空氣係數，抑制燃料型NOx的生成的方法有如下。(1)二段燃燒法。(2)流化床燃燒技術。,
