生物质清洁燃烧技术

1、生物质清洁燃烧技术及燃烧设备李春荣韦锦然黄仁焕广西口风能源发展有限公司摘要：生物质的燃烧方式不合理将产生大量的烟尘和氮氧化物，加剧大气污染，対形成雾霾天气有 极大影响。推广使川牛物质清洁燃烧技术和空气分级的低no,旋流燃烧设备可以有效抑制氮氧化物 的形成，减少烟囱烟气中烟尘和氮氧化物的含量。关键词：清洁燃烧阶段燃烧抑制氮氧化还原氮氧化物 co、hc燃尽排放0引言当前，在我国能源消耗的快速增长和环保要求的双重压力下，我国实 现节能减排目标正面临着十分严峻的形势，可再生能源替代化石能源势在 必行。在水能、太阳能、风能、生物质能的可再生能源行列中，生物质能 的储存量、加工、运输、资源成本等因素是比较

2、符合现实市场需要的，由 于低硫或近似于无硫排放的清洁性，和低于水能、风能和太阳能的开发利 用成本的经济性，使资源丰富的生物质再生能源再清洁新能源行列中拥有 无限的市场前景。在生物质燃烧技术领域里，新技术、新材料、新设备不 断涌现，在节能减排中发挥着十分重要的作用，开展生物质燃料代油代煤 节能技改项目，可以节省用户因环保耍求更换锅炉而产生的巨额资金，还 可以有效实现节能、减排、环保三大目的。但就目前现状，大部分的生物 质燃烧方式（尤其是城区范围内小于10吨/时锅炉）将会产生大量的烟尘 和氮氧化物，加重大气污染，对形成雾霾天气产生较大影响。推广使用生 物质清洁燃烧技术和空气分级的低nox旋流燃烧设

3、备可以有效抑制氮氧化 物的形成，减少烟尘和氮氧化物的排放量。1、生物质固体燃料的燃烧特性及存在问题生物质固体燃料主要有薪柴、秸杆、树皮、锯末、蔗渣等农林业生产 边角料及废弃物，生物质直接燃烧生产热能的方式就是利用生物质固体燃 料通过在薪炉、锅炉中燃烧时行热交换，燃烧过程中产生的热能用于生产、 生活或再次转换为电能。生物质固体燃料在锅炉中的燃烧过程存在以下 几点问题：（1）未经处理的生物质燃料因为含水量高。如树皮、蔗渣水份50% 以上，薪柴、刨花、刨板边角料等含水量25-40%不等，燃烧时需要较高 的干燥温度和较长的干燥时间，同时要吸收大量热能，烟气中含水量大， 对锅炉热交换产生极大影响，因而会

4、降低锅炉岀力；（2）未经压缩的生物质固体燃料密度小，结构松散，热值低，入料量 较难稳定控制，因而造成炉内温度场偏低，难以组织稳定的燃烧，锅炉出 力不稳定。（3）挥发份高，固定碳含量低，含氧量高，着火温度低。生物质燃料 （干基）在250°c-350°c时挥发份大量析出并剧烈燃烧，而固定碳含量低,在燃烧过程中受到外层已燃灰烬的包裹后焦碳颗粒难以燃尽，易造成大量 热能流失并污染空气。（4）锅炉炉膛温度高，生物质燃料中的碱金属和氯熔解结焦，对锅炉 对流管和锅筒腐蚀问题突出。（5）在锅炉炉膛高温富氧氛围中，生物质燃料中析出的氮与氧结合产 生大量no和no?,形成氮氧化物排入大气。综上

5、所述，生物质燃料直接燃烧燃料利用率低、烟气含尘量大、氮氧 化物含量高，对环境影响程度大、大气污染严重。有鉴于此，国家环保部 在环发2001j37号文关于划分高污染燃料的规定中将直接燃用的生物 质燃料（树木、秸秆、锯末、稻壳、蔗渣等）列为高污染燃料。2、氮氧化物的危害和生成机理氮氧化物是酸性氧化物，是造成雾霾天气的原因之，形成的酸雨酸 雾污染大气，与空气中的碳氢化合物结合形成光化学烟雾，同时参与臭氧 层的破坏。氮氧化物（nox）对人体和动植物都有极大的伤害作用，吸入 人体可能引起呼吸道疾病、皮肤和粘膜病变；对植物叶面产生破坏，造成 植物腐烂、发黄、病虫害增加、导致农作物大幅度减速产。烟囱排放的氮

6、氧化物称之nox，由约95%的no和5%的no?所组成， nox排放对于所有利用空气的燃烧过程是相同的。由于空气中氮的重量占 四分之三以上，所以燃烧空气是形成nox的基本因素，nox是由于燃烧过 程中的多种反应产生的。氮氧化物的两个主要来源是燃料型nox和热力型 nox，燃料型nox是由燃料加热后析出氮氧化形成的，但如果燃料中氮的 释放是在无氧或欠氧氛围中发生的，则nox的形成能受到抑制;热力型nox 是由燃烧空气中的氮气同有效的氧气之间的反应生成的，但只有燃烧温度 达到1500°c以上时才会迅速形成，如果燃烧温度低于1500°c则no,的形成 会受到抑制。3、生物质清洁燃

7、烧技术生物质能源是口然界中存量最大、成木故低的可再生能源，而生物质 直接燃烧是生物质能最廉价、最方便的利用方式，只要解决了生物质燃料 直接燃烧中存在的燃料利用率低、烟气含尘量大、氮氧化物含量高三个主 要因素，生物质能源的利用将会有长足发展。用物理方法将生物质经干燥、粉碎、压缩成型，密度0.8-13,作为 燃料后其中水份可以降低至8-25%,可以解决生物质直接燃烧过程中燃料 干燥时间长、燃烧不充分、锅炉出力不足、烟气含尘量大的问题。但由于 生物质燃料（包括压缩燃料）在普通燃煤锅炉中的燃烧方式为层燃-半裂 解燃烧，需要在高温富氧氛围中进行，燃料中的氮析出后迅速氧化形成 n0xo如前所述，对燃烧区域

8、nox的形成，两个最重要的影响因素是氧气 和温度，其次燃料和空气的比例、富氧燃烧的时间对nox的形成也有很大 的影响，因此合理控制燃料一空气一温度一时间的比例是控制nox形成的 关键因素，显然生物质燃料（包括压缩燃料）在普通燃烧机和普通锅炉中 是难以做到的，需要在专门设计的低nox燃烧器（燃烧机或锅炉）中才能 实现。生物质清洁燃烧采用阶段燃烧方式来合理控制燃料一空气一温度一时 间的比例，达到提高燃料利用率、降低烟气中烟尘和nox含量、清洁排放 的目的。（1）第一阶段燃料在250°c-400°c低温中裂解，在缺氧氛围中燃烧。 该燃烧区域内的燃烧状态在燃料富集、氧气不足的工况下

9、进行，由于氧气 不足，火焰温度较低，燃料中析出的氮生成的nch和nh3等很难与空气中 的氧反应形成nox, nox生成就较少。(2) 第二阶段燃料在第一阶段中裂解燃烧而末燃尽的挥发份和固 定碳400°c-600°c中温、缺氧氛围中继续燃烧，火焰在欠氧氛围中述原已 经生成的nox为n2n在第二阶段末适当补充空气，使火焰中的可燃气体 和炭粒在足氧氛围中燃烧。(3) 第三阶段 在避开第二阶段焰区的同时补充过量空气，使火焰 在高温富氧氛围下进行第三阶段燃烧，第二阶段末燃尽的挥发份和炭粒燃 尽，完成燃烧过程。尽管在此阶段燃烧过程中仍然会生成nox,由于火焰在 炉膛内燃烧时间极短，限制

10、nox主成，其结果就是减少了 nox的排放量。有实验数据表明，生物质燃烧过程中采用三次配风、阶段燃烧的方式, 可有效降低烟气中nox的质量浓度，在合理的配风工况下，nox的排放浓 度最低位可以达到83.45mg/m3(11o4、生物质清洁燃烧机的设计原则生物质清洁燃烧技术就是通过固定碳燃尽、抑制nox形成的燃烧方式 达到清洁排放的目的。广西日风能源发展有限公司参照美国b&w低nox 旋流煤粉燃烧器原理、根据生物质的燃烧特性研发出一种生物质清洁燃烧 机，其设计原则就是从生物质燃料的燃烧特性与生物质清洁燃烧技术出 发，对燃烧机的炉内空气场、温度场、过量空气系数、受热面分配等进行 全面、合理

11、的布置。生物质清洁燃烧机对燃料的选择、助燃空气的温度、 各阶段焰区的供氧量、燃烧方式均有严格的考量。(1) 燃料选择 选取经t燥、粉碎处理的粉状生物质为燃料，要求含 水量w15%、粒径因为粉状物体表面积比大、水份低，在缺氧氛 围中300°c-400°c时挥发份仍可大量析出并燃烧；在采用半裂解、全悬浮 方式燃烧时可以通过分级供氧方法来控制和布局燃烧机的炉内空气场、温 度场，这是其他形态的生物质燃料无法做到的。（2）助燃空气 低nox旋流燃烧机的助燃空气温度需用常温空气。 虽然回收锅炉尾气作为助燃空气可以提高炉内温度、节约燃料，但也有可 能增加nox的排放，有资料显示，在生物质

12、燃烧过程中，当燃烧空气的温 度从27°c预热到315°c时，nox排放量增加3倍。（3）燃烧方式 低nox旋流燃烧机釆用分级供氧、阶段燃烧、缺氧 裂解、高温燃尽的燃烧方式，通过合理控制燃料一空气一温度一时间达到 提高燃料利用率、降低烟气中烟尘和nox含量的冃的，有试验数据显示， nox的烟囱排放量低至450 mg/m331o5、低nox旋流燃烧机的工作机理燃烧机的给料及各级配风均釆用变频控制技术，可根据燃料的性质和 工况随时调整、控制给料量和供氧量，调整各焰区温度和火焰停留时间， 从而抑制nox形成和还原已形成的nox。（1）燃料从喷咀进入燃烧机内，送料风机进行第一次供氧并

13、形成旋 流，供氧量为燃料燃烧需氧量的65%,燃料在富料、缺氧氛围中进行第一 阶段裂解并燃烧形成第一焰区，一焰区温度在250°c-400°c之间。由于低 温缺氧，燃料中析出的n转化为nox的程度极低。（2）第一焰区的火焰在一次风的作用下以旋流悬浮方式进入第二阶 段燃烧形成第二焰区，由于一焰区燃烧已经耗去大量氧气，二焰区在深度 缺氧氛围中进行不完全燃烧，温度在400°c-600°c之间，形成低氧还原区, 还原已生成的nox。风机在燃烧机喷火口处进行第二次供氧，将燃料燃烧 需要的其余35%空气输入二焰区末端，在二次供氧助燃的作用下，从燃烧 机喷出的火焰温度达到

14、900°c-1100°c（3）第二焰区火焰从燃烧机喷火口喷入锅炉炉膛进行第三阶段燃烧 形成第三温区。风机在锅炉炉门或炉排处进行第三次供氧，将燃料燃烧需 要的过量空气输入锅炉炉膛内助燃，在燃烧机内末燃尽的可燃气体和固定 碳在锅炉炉膛内再燃烧并燃尽，完成整个燃烧过程。三温区温度在noo°c -1300°c之间，在燃烧过程中仍会生成少量nox,该温区的温度和nox生成量与过量空气系数成指数关系，过量空气系数低，则温度升高、nox生成 量低，过量空气系数高则温度降低、nox生成量高，过量空气系数可通过 第三次供氧量来控制。燃烧机锅炉-1 燃料/一次风入口乙一焰区

15、3二焰区4喷火口/二次风入口 5炉门/三次风入口 6三焰区图例： 比少 燃料和一次风形成旋流|(4) 由于燃料的裂解和燃烧基本上是在燃烧机内进行的，燃料中的 碱金属和氯熔解结焦过程均在燃烧机炉膛内完成，不会在锅炉炉膛内结 焦，对锅炉对流管和锅筒没有影响。二次风和三次风风向生物质清洁燃烧机与锅炉对接运行示意图6、生物质清洁燃烧机运行实践广四日风能源发展有限公司于2012年11月对广四大学农大食品厂 3t/h燃油锅炉进行改造运行，改用生物质粉状燃料，使用由广西日风能源 发展有限公司研发的*物质清洁燃烧机与锅炉对接运行。连续运行-年后 于2013年12月20日委托广西绿保环境监测有限公司对锅炉运行情

16、况进 行检测，检测结果为锅炉烟囱排放物达标。现将部份有关检测数据附下：表7.1-1锅炉废气监测结果监测日期监测点位监测项目单位监测结果执行标准值达标情况inm范围/均值12月30日除尘后过量空气系数3. 002. 882. 922. 93标况干烟气量m3/h4069377744934113烟尘实测浓度mg/m330.624.225.326.7烟尘排放浓度mg/m351.038.74143.6200达标烟尘排放量kg/h0.120. 090.110.11s02实测浓度mg/m3<15<15<15<15s02排放浓度mg/m3900达标s02排放量kg/hnox实测浓度mg

17、/m3271280287279nox排放浓度mg/m3452448466455达标nox排放圭kg/h1. 101.061.291.15烟囱出口处烟气黑度级<1<1<1<11达标表8.7-1锅炉废气污染物排放总量情况表锅炉废气排放污染物烟尘so2nox排放速率（kg/h）0.101.29排放时间（h/a）240024002400年排放量（t/a）0.24<0. 153.10批复总量控制指标年排放量（t/a）1.24.7总量控制达标情况达标达标从检测结果可知，该项目锅炉废气经旋风除尘+布袋除尘器处理后， 烟（粉）尘排放浓度、氮氧化物排放浓度、二氧化硫排放浓度和烟气黑