生物质燃烧技术

陈汉平华中科技大学煤燃烧国家重点实验室煤燃烧国家重点实验室副主任陈汉平

博士教授博导地址：湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号邮编：430074电话8305，87544779-8305（O），87544640（H）手机：传真邮：，，主要内容——《BP世界能源统计2006》

全球石油探明储量可供生产40多年，天然气和煤炭则分别可以供应65年和155年我国石油探明储量可供生产15年、天然气仅可供生产30年、煤炭81年

世界中国化石燃料，储量有限，不可再生！背景自工业革命以来，人类燃烧化石燃料使二氧化碳含量急剧增加。背景海平面上涨冰川消融背景背景生物质资源现状能源作物和能源植物产业仍未形成！农业秸秆总量6.5亿吨，其中50%可作开发利用，约2.1亿吨标准煤林业及木材加工废弃物约2.7亿吨，30%可开发利用，约0.5亿吨标准煤畜禽粪便及污水资源可转化沼气约1.0亿吨标准煤城市生活垃圾清运量约1.55亿吨，可用量约0.25亿吨标准煤我国生物质可用资源量约4.0亿吨标煤背景我国发展生物质能的地域图景我国农作物种植面积情况统计图(2005)我国主要农作物种植结构图(2005)农作物以粮食作物为主数据来源：国家统计局背景我国林业资源面积情况统计图(2006)生物质以农业废弃物为主我国发展生物质能的地域图景数据来源：国家统计局背景我国生物质能利用重点领域和总体布局表注：表格由《可再生能源发展“十一五”规划》整理而成背景背景24.423.190.510.992.6465.6565.137.8519.028.00无烟煤24.307.160.460.933.8157.4231.3038.4821.378.85烟煤13.6737.310.060.706.1538.0914.5467.7713.564.13稻草15.4137.850.000.076.7445.7615.8274.63.476.11松木屑16.2834.040.122.246.5443.5317.9968.484.698.84花生壳13.3835.360.091.775.4335.3425.1051.9816.926.00稻壳15.5052.820.261.183.2742.4716.3068.097.098.52玉米杆18.4035.470.001.207.5044.9016.8973.003.186.93棉花秆15.8340.720.080.285.2444.6516.6572.481.859.02麦秆OSNHCFCVAW低位热值/MJ·kg-1元素组成/%工业分析/%燃料种类典型生物质与煤的常规分析（ad）采用煤的测试标准，需调整生物质燃烧特性试样K2ONa2OAl2O3Fe2O3CaOMgOTiO2SiO2木屑10.451.504.971.2117.544.910.7752.66花生16.841.716.784.6610.786.321.3549.61谷壳3.500.051.232.461.570.760.7883.15稻秸15.581.400.765.638.333.901.6555.39试样K2ONa2OAl2O3Fe2O3CaOMgOTiO2SiO2木屑9.550.335.071.6819.207.620.2251.28花生9.180.209.675.959.845.660.6252.34谷壳4.850.080.482.361.643.540.0975.72稻秸12.420.211.853.826.263.240.2662.27ASTM方法下生物质的灰成分分析(%)

GB方法下生物质的灰成分分析(%)

生物质燃烧特性玉米秆空气气氛失重曲线

某贫煤空气气氛失重曲线生物质燃烧特性在100℃左右均有一个水分的析出峰，且玉米秆的挥发分开始析出温度和析出峰值温度都远低于煤。燃烧设备的设计与运行方式的选择须从其燃烧特性出发！生物质燃烧特性受热面积灰、结渣未来发展方向直燃发电的两种不同燃烧方式比较燃烧方式主要优点主要缺点发展水平典型炉型示意图层燃结构简单,操作方便,磨损较小,投资与运行费用相对较低燃料分布不均匀,空气容易短路,燃烧温度高,燃烧效率低等丹麦BWE公司技术领先,国产化步伐加快流化床燃烧温度低,燃料适应广(高水分、低热值),燃烧效率高,环境污染小,负荷调节范围大燃料尺寸要求严格;生物质灰分含量少,需添加床料;床料烧结团聚;磨损、粘结和腐蚀;灰渣因掺杂床料难以利用;耗电量大,运行费用较高尚无国际通用示范技术,各研究机构各自推进

成型机类型特点适用对象应用状况示意结构螺旋挤压式运行平稳,生产连续性好,但螺杆磨损严重,使用寿命短以及单位产品能耗高成型温度220-280℃;原料含水率控制在8-12%,成型压力在4900-12740Pa之间生产空心燃料棒,直径50-60mm,密度介于1.0-1.4t/m3

活塞冲压式机械式和液压式;不用电加热,成型部件磨损较螺旋式有明显改善,但振动负荷较大,运行稳定性差,噪音较大,润滑油污染较严重成型物密度稍低,容易松散,液压式对原料的含水率的要求不高,允许原料含水率高达20%生产实心燃料棒或燃料块,密度介于0.8-1.1t/m3

压辊式由压辊和压模组成,根据压模形状的不同,可分为平模成型机和环模成型机;设备比较简单,易操作,不需外部加热,但成型部件磨损较快可根据原料状况添加少量粘结剂,对原料含水率要求较宽(10-40%),但烘干费用高，燃烧性能较差用于大型木材加工厂木屑加工或造纸厂秸秆碎屑加工.密度为1.0-1.4t/m3

生物质固体成型机型式分类表

*指未进行初投资分摊的净收益固体成型燃料数据来源：相关文献整理初投资不高，经济收益较好生物质的特点不利于长距离运输季节性、区域性生物质与煤混烧克服生物质原料供应波动影响，克服纯烧的缺点能够利用大型电厂的规模经济，热效率高低成本、低风险，污染物排放减少国外对秸秆类高碱金属生物质的掺混比例一般限制在10-20%（能量基）连续、稳定供应困难效率经济性

直燃发电混烧发电固体成型生物质与煤混烧垃圾及污泥焚烧资源供给充足、符合目前农村用能习惯、成型机械不能高效经济、持续稳定运行，制约推广应用生物质燃烧发电概况我国生物质直燃发电项目列表（不完全统计）直燃发电发展迅速秸秆直燃发电厂三大主机参数表以下以2×1.2万千瓦秸秆直燃发电厂为例，采用净现值方法对系统经济性做一简单分析。所谓净现值(netpresentvalue,通常用NPV表示)是指项目寿命期内每年发生的现金流量,按一定的折现率将各年净现金流量折现到同一时点（通常是初期）的现值累加值。其表达式为：直燃发电数据来源：相关文献整理秸秆直燃电厂投资收益表*指未进行初投资分摊的净收益数据来源：相关文献整理直燃发电年净现值流图直燃发电投资回收期较长受秸秆价格波动影响大生物质与煤间接混烧发电示意图我国首台煤粉秸秆混燃发电机组于2005年12月16日在华电国际电力股份有限公司所属的十里泉发电厂成功投产。该公司在1台14万千瓦原燃煤锅炉（400吨/小时）基础上加装了两台从丹麦BWE公司进口的输入热负荷为3万千瓦的秸秆专用燃烧器，并对供风系统及相关控制系统进行了优化，同时增加了1套秸秆收购、储存、粉碎和输送设备。然在实际运行过程中却面临着诸多困境：秸秆价格飞涨（由原100元/吨飚升到400元/吨）；不享受补贴电价；灰粉难以分离，对粮食生产造成一定影响。生物质与煤混烧发电循环流化床垃圾焚烧利用系统流程图垃圾及污泥焚烧发电存在发展空间面临污染挑战污泥干燥焚烧利用系统流程图[59]垃圾及污泥焚烧发电1.生物质的收集、储运与预处理能量密度低，分布分散区域性、季节性纤维结构，预处理困难其他问题：生物质电厂密集程度增大，已出现无序建设苗头其他行业对原料的争夺（如农业、畜牧业、造纸和家具建材等）锅炉容量盲目求大存在的问题及解决方法解决措施：生物质发电项目建设时，应因地制宜，合理规划和布局，防止盲目布点根据当地生物质资源储量和分布特点，确定经济收集半径，据此选择合适的生物质燃烧电厂的规模配套合理的生物质收集、储运和预处理，保证原料的稳定供应，提高系统的经济性1.生物质的收集、储运与预处理存在的问题及解决方法生物质能资源供应系统研究生物质资源供应体系的模块组成生物质能资源供应体系结构图主要农作物生长周期表主要生物质供应系统价格分摊表数据来源：相关文献整理季节性分散性生长阶段收购阶段运输阶段储存阶段收集半径计算参数表理论上收集半径是由生物质能利用系统所需资源量来决定的，而实际运营中则是由市场条件来决定的。存在的问题及解决方法1.生物质的收集、储运与预处理收集半径确定典型生物质秸秆压结特性参数表挤压后体积可变为自然状态1/8-1/3存在的问题及解决方法1.生物质的收集、储运与预处理收集模型比较2.碱金属问题生物质灰高碱金属含量碱金属熔点低、易挥发碱金属易与床料等反应积灰、结渣、聚团特点：燃烧过程中不可避免造成锅炉寿命、热效率降低严重影响锅炉的安全、稳定、经济运行存在的问题及解决方法结渣主要是由烟气中夹带的熔化或半熔化的灰粒（碱金属盐）接触到受热面凝结下来，并在受热面上不断生长、积聚而成，它的表面往往堆积较坚硬的灰渣烧结层，多发生在炉内辐射受热面上

积灰则是由生物质中易挥发物质（主要是碱金属盐）在高温下挥发进入气相后,与烟气、飞灰一起流过烟道和受热面(主要是过热器和再热器)等设备时，会通过一系列的气固相之间的复杂的物理和化学过程以不同的形态在对流受热面上发生凝结、沾附或者沉降

2.碱金属问题存在的问题及解决方法燃烧秸杆炉排炉炉膛结渣情况2.碱金属问题存在的问题及解决方法聚团：生物质原料中的碱金属在流化床床料中在一定高温条件下反应形成低熔点的共晶化合物而引起颗粒聚团，妨碍流化，甚至造成流化失败颗粒被覆层包裹，覆层间相互粘结灰中的低温共晶体熔融粘结流化失败床料形态2SiO2+Na2CO3=Na2O•2SiO2+CO24SiO2+K2CO3=K2O•4SiO2+CO22.碱金属问题存在的问题及解决方法床料中大块聚团样造成床结渣的几个关键因素：燃料特性温度床料的选择覆盖层常用结渣指标：灰熔点、灰成分和灰粘度灰熔点并不适合作为生物质积灰结渣的单一判别指标还应综合考虑基于灰成分和灰粘度的生物质积灰结渣特性指标：碱酸比、硅比、硅铝比、碱性指数、灰沾污指数等2.碱金属问题存在的问题及解决方法酸性氧化物一般具有较高的熔点，碱性氧化物构成的矿物质多属于低熔点化合物，故这两种氧化物的比值，可反映燃料中的原生的及燃烧生成的低熔点盐类的多少。

2.碱金属问题存在的问题及解决方法碱酸比：碱酸比指标判别结渣的分级界限

Rb/a<0.50.5-1.01.0-1.75>1.75结渣倾向低中高严重硅比是一个权衡液态渣粘度的指标。硅比G增加，渣的粘度也增加，其计算公式如下：2.碱金属问题存在的问题及解决方法硅比：式中：当量Fe2O3=Fe2O3+1.1FeO+1.43Fe若：G>78.8，轻微结渣；，中等结渣；G<66.1，严重结渣硅铝比：硅铝比的大致判别界限：(SiO2/Al2O3)<1.87时属轻微结渣；(SiO2/Al2O3)在之间属中等结渣；(SiO2/Al2O3)>2.65时属严重结渣。

定义：燃料的单位发热量中的碱金属氧化物(K2O+Na2O)的质量含量(kg/GJ)。其表达式如下：

Yt·(YK2O+YNa2O)/Q2.碱金属问题存在的问题及解决方法碱性指数：Q—燃料在干燥基和定容条件下的高位发热量，GJ/KgYt—燃料中的灰分百分含量，％YK2O、YNa2O—灰分中碱性氧化物K2O+Na2O的百分含量，％其判别条件为：当碱性指数小于0.17时，发生结渣的可能性极小；当碱性指数在0.17~0.34之间，发生结渣的可能性增加；当碱性指数大于0.34时，发生结渣2.碱金属问题存在的问题及解决方法灰沾污指数(略）生物质试样碱酸比硅比硅铝比碱金属含量碱性指数沾污指数木屑0.72368.999.58411.943>>0.341.496花生壳0.75869.527.61118.552>>0.341.712谷壳0.09894.5565.683.545>>0.340.004886稻秸0.53275.6275.9516.982>>0.341.402生物质的结渣指标计算值

综合各指标可得出，稻秸和花生壳的结渣倾向严重，木屑次之，谷壳相对轻微。

防止炉内积灰、结渣、聚团的对策与煤混烧，降低燃料碱金属含量对流化床，寻找适宜的惰性床料。可以选择富含抑制聚团烧结元素的床料，提高了烧结发生的温度，以保证正常流化合理的风速和一二次风比，控制密相区燃烧份额和合理的床温采用烟气再循环控制床温及时排出大渣，保证均匀流化监视炉内各点温度和控制风量2.碱金属问题存在的问题及解决方法3.氯腐蚀问题生物质中氯含量相对较高（如稻草），氯在燃烧过程中的挥发及其与锅炉受热面的反应会引起锅炉的腐蚀。生物质燃料锅炉发生高温氯腐蚀的原因主要是生物质中的氯在燃烧过程中以HCl形式挥发出来，与锅炉的金属壁面发生反应：Fe+2HCl→FeCl2+H22Fe+6HCl→2FeCl3+3H22FeCl2+Cl2→2FeCl32Fe+3Cl2→2FeCl34FeCl3+3O2→2Fe2O3+6Cl24FeCl2+3O2→3Fe2O3+4Cl2Fe2O3(保护膜)+6HCl→2FeCl3+3H2O4FeCl2+O2→2FeCl3+2FeOCl4FeOCl+O2→2Fe2O3+2Cl2只要HCl和Cl2不断补充，腐蚀反应就会一直进行，而且，FeCl3熔点很低。仅为282℃，较易挥发，对保护膜的破坏较为严重。存在的问题及解决方法除了对Fe、Fe2O3的侵蚀外，氯与氯化物还可在一定条件下对Cr2O3保护膜构成腐蚀：

2Cr2O3+4Cl2+O2→4CrO2Cl2Cr2O3+4HCl+H2→2CrCl2+3H2O2Cr2O3+8NaCl+5O2→4Na2CrO4+4Cl24CrCl2+3O2→Cr2O3+4Cl22MCl+SO3+H2O→M2SO4+2HCl2MCl+SO2+O2→M2SO4+Cl2当氯、硫化合物共存时：

存在的问题及解决方法3.氯腐蚀问题氯、硫化物+H2O、O2，加速高温腐蚀过程。除了以上高温气体腐蚀和熔融盐腐蚀之外，HCl气体还易在烟道出口处形成露点腐蚀。合理调整工况加入钙基吸收剂脱氯过热器材料选耐腐蚀的不锈钢容易腐蚀区加保护套管在管壁采用高温喷涂各部分过热器布置有效吹灰器，加强吹灰高温氯腐蚀防治措施：存在的问