生物质与煤直接共燃技术

能源研究与信息第25卷第3期Energy Research and Informationol.25No.32009文章编号:1008-8857(2009)03-012505生物质与煤直接共燃技术倪昊,汪军,樊冲(上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093)摘要:由于化石然料的使用而带来的能源危机和环境污染问题,生物质能因其特性(可再生性和环境友好性)受到广泛关注,各种生物质利用技术应运而生,主要介绍了生物质与煤共燃技术,特别是悬浮然烧技术和流化床燃烧技术。两种燃烧技术各有特点,在实际应用中应充分考虑实际条件选择合适的燃烧方式。虽然生物质与煤共燃的优点显而易见,但是同时存在的缺点也不可忽视,我国在大规模利用生物质领城的技术还不成熟,应该总结前人的经验的同时结合自身特点利用先进技术更好地利用生物质资源关键词:生物质;混合燃烧;悬浮燃烧;流化床燃烧中图分类号:TK6文献标识码能源是人类赖以生存和发展的基础,是社会经济可持续发展的物质保障。但是现在人类正面临着巨大的能源和环境压力。当今的能源主要来自矿物燃料,包括煤、石油、天然气等。一方面,矿物能源的应用推进了社会的发展,但其不可再生性使其日益耗尽;另一方面,由于矿物能源的过量使用已引起了日益严重的环境问题,如全球气候变暖、臭氧层破坏、生态圈失衡、有害物质排放、酸雨等自然灾害。因此,开发和寻找新的可替代能源已成为人类社会急需解决的重大问题之一。在各类可再生能源中,具有广泛使用价值的能源是生物质能。生物质能具有可再生和环境友好的双重属性,使得生物质能源的开发利用成为新能源技术领域研究的重要方向之生物质能源转换技术可大体上分为热转换、生物转换和化学转换三种形式。具体可分为:直接燃烧、热解、气化、液化、流化萃取、厌氧消化、发酵、酸化水解、酶水解和酯化等叫。1生物质直接燃烧技术在各项生物质能利用技术中,直接燃烧是最为成熟、应用最广泛的生物质能转换利用技术。燃烧是燃料和氧化剂(一般是空气中的氧气)之间进行的剧烈、放热的化学反应过程。1.1生物质燃料特性生物质燃料一般具有以下特性:(1)髙挥发分着火温度低。与煤混合燃烧能使YHe挡改的着火性能。CNMHG收稿日期:200902-10作者简介:倪昊(1984-),女(汉),硕士研究生,candy99536@hotmail.com126能源研究与信息2009年第25卷(2)低热值单独作为燃料燃用时效率低。例如农村使用的木柴炉燃烧效率通常仅为10-20%,即使先进的木柴炉效率也只有30%。生物质燃料的热值低,在燃烧过程中的放热比较均匀,而煤燃烧的放热则几乎全部集中于燃烧过程后期。因此,在煤中加入生物质后,可改善燃烧放热的分布状况,对于燃烧前期的放热有增进作用,可以提高生物质的利用率(3)低硫分燃烧产生硫化物型的污染物少,与煤共燃时能有效减少硫氧化物排放(4)高碱金属含量燃烧产生的灰渣中所含碱金属氧化物熔点低,易在低温受热面造成积灰结渣问题。上述特点决定了生物质燃料并不适合单独燃用。国内外生物质燃料燃烧技术的研究表明,生物质与煤共燃具有显著的优点,引起人们很大的兴趣,相关的共燃技术也得到了大力开发和利用。12生物质与煤共燃技术当生物质作为固体燃料与煤共燃时,可供选择的燃烧方式主要有两种,即以煤粉炉为代表的悬浮燃烧和循环流化床锅炉为代表的流态化燃烧。两种燃烧方式各有特点,也各有不同的适用范围。1.2.1悬浮燃烧在悬浮燃烧系统中实现生物质与煤的混烧时,锅炉是先通过辅助燃烧器启动的。当锅炉达到一定的燃烧温度时,关闭辅助燃烧器,同时开始喷入性质均匀的生物质燃料和煤粉。炉膛火焰中心温度平均在1000~1200℃(可避免局部高温、结焦和高温型NO3的形成5)。H. Splietho和 K.R. G heir利用炉膛上部布置05MW燃烧器的柱状悬浮炉实验装置,进行了生物质一煤粉混燃研究,分析了生物质颗粒尺寸及燃料在炉膛内停留时间对燃烧效率的影响。研究表明,混烧时生物质燃料颗粒尺寸应在2~4mm范围;CO生成量与燃烧效率是相关的,但是混烧过程中随着生物质份额的增加并没有引起CO排放量的增加。这意味着在合适的生物质燃料颗粒尺寸和份额范围内,生物质份额的增加并不影响燃烧效率悬浮炉中SO2排放与燃料的S含量是相关环形间隙喷入燃料的。燃料的S含量和SO2排放呈线性关系。随旋流二次风中间喷入燃料着生物质份额增加,SO2排放减少。这是由于生物质本身含S量较煤低,同时生物质灰中碱金属氧化物如CaO、MgO有吸收SO2作用,生物质份额越高,发现灰中捕获的S越多。悬浮炉中燃烧器的喷射方式(图1)对NO3排放有很大影响。如果高N燃料通过燃烧器中心管喷入,进入低当量空气系数的回流区,则NO排放较低;若高N燃料从燃烧器环形间隙喷入,则高N燃料在高当量空气系数条件下热解,增加燃料中N向NO3的转换。因此,含N量高的燃料应该从燃烧器中心管中喷入从而减少NO2的排放。这一结论中国煤化工特性与 H. Spliethof1所做的实验结果是吻合的。CN MHGwirlbumer第3期,等:生物质与煤直接共燃技术生物质与煤粉悬浮燃烧过程中,除了布置低NO3燃烧器能减少NO排放,利用再燃技术减少NO受到人们越来越多的关注。再燃技术是指在炉膛内设置一次燃料欠氧燃烧的NO还原区段,以控制NO生成量,亦称为燃料分级燃烧技术。炉膛自下而上分为:主燃区(a>1)、再燃区(a<1)和燃尽区(a>1)影响再燃技术效率的主要因素有:(1)再燃燃料种类再燃区域内有利于NO3还原的是烃类,因此再燃燃料燃烧时应该能产生大量烃类而不是含氮物质。 Rudiger指出影响NOx排放量最重要因素是燃料挥发分含量,其次是N含量。高挥发分含量可有效降低NO3排放。生物质作为再燃燃料时产生高浓度CO,方面维持了再燃区的还原气氛,另一方面甚至直接参与NO的还原。(2)再燃区温度炉膛温度对NO3还原效率具有重要影响。Biba通过研究发现,炉膛温度对再燃区中烃类的形成有很大影响,同时也影响含氮中间物质向氮分子的进一步转化。较高的温度(1200℃C)有利于硝的还原,但应注意1300℃是热力型NO生成的转折点。通常再燃区的温度要控制在1200℃左右,以保持较高的NO转换率。(3)再燃区过量空气系数韩奎华叫通过生物质再燃实验指出,在一定温度和停留时间下,存在一个最佳过量空气系数。在过量空气系数为06时,得到最大脱硝率54%。过量空气系数在06-0.8范围内,脱硝率均在53%以上;当过量空气系数超过08时,脱硝效率明显降低。这与 H. Spliethoff的生物质再燃脱硝实验得出的结论是一致的。(4)再燃比例再燃比是再燃燃料燃烧放岀的热量与主燃燃料和再燃燃料燃烧所放出热量之和的比值。在一定范围内,再燃比越高,再燃燃料热解的还原性基团及中间产物C、CO和烃类物质量越多,NO还原率越高。韩奎华认为生物质最佳再燃比是15%~25%。牛胜利通过多种生物质再燃实验研究发现,秸秆类生物质的最佳再燃比为25%。而杨木屑的NO3还原率是随着再燃比的增加而提高的。这是杨木屑热解挥发分速度比较慢的缘故。当再燃比小于最佳值时,再燃燃料产生的还原性基团少,NO3反应不充分;当再燃比大于最佳值时,由于再燃停留时间是一定的,过多的再燃燃料还没来得及发生反应就进入燃尽区,没有起到再燃效果。(5)再燃区停留时间停留时间越长,NO3还原效率越高。栾积毅在再燃实验中发现秸秆在空气过量系数为09、10,停留时间在500~700ms之间可获得40%的脱硝效率。当过量空气系数降低到07,0.8时,脱硝效果明显提高。在约970ms时达到最大脱硝率,分别是82%和76%。800ms内脱硝率呈线性增加,900ms后增加趋势平缓。在悬浮炉中,再燃比为15%时,再燃停留时间分别为0438、0.95s和14s,脱硝效率分别可达254%、53.1%和547%9。可见较长的停留时间能提高脱硝效率,但是时间超过1s后脱硝效率没有明显提高。(6)主燃区NO3浓度根据质量作用定律,较高的NO2浓度是有利于进行还原NO反应的。NO2浓度太低时,在有限反应时间内,反应物混合及反应速率都将得到限制。李戈2的实验研究结果证实了上述结论。1.2.2流态化燃烧流化床燃烧技术自1960年开始用于城市和工业废物的焚烧。流化床由带有多孔盘的圆柱形容器构成,以加热的惰性颗粒(一般为石英砂和中国煤化工占总物质量的90%~98%。一次风从下部通过配风装置进入燃烧室并CNMH凉是低温燃烧,良好的气一固、固一固混合,燃料适应性强,燃烧可控性能好。正是由于流态化燃烧这些固有能源研究与信息2009年第25卷特点,以流态化燃烧为基本形式的循环流化床燃烧技术得到了迅猛的发展,它不但成功地在中小规模的热电机组中得到广泛应用,而且趋于逐步大型化、高参数化,逐渐进入电站锅炉领域。采用循环流化床进行生物质的燃烧也逐步得到关注。在循环流化床燃煤中掺入生物质的比例对燃烧效率有着非常明显的影响。 ChaiwatPrompubess3在循环流化床中分别对煤与0、35%、7%(质量百分比)稻草的混燃工况(一次风速为20ms1,无二次风),进行了实验研究。结果发现,随着稻草质量百分比的增加,炉膛平均温度呈上升趋势,特别是在给料口的上方区域。这意味着,掺入的稻草在降低着火温度的同时也提高了燃烧效率。同时,稻草较煤具有更高的反应活性,所以稻草很快即燃尽。此外, Chaiwat Prompubess在研究煤与稻壳混烧时发现:①Co随着炉膛高度的增加显著减少,在13m高度上基本保持稳定,这与温度随炉膛高度方向的变化趋势是一致的。CO浓度越低,燃烧越充分,对应的炉膛温度越髙。②SO2排放随着稻草份额的增加而减少。这是因为稻草较煤含硫量低,同时生物质灰中碱金属氧化(MgO、CaO等)具有一定的固硫能力在稻草占燃料总质量3.5%的情况下,SO2只有全部燃煤时排放的一半。③NO3的排放在稻草占燃料总质量3.5%的情况下是显著减少的。随着稻草百分比继续增加,NO3排放的减少会变得很轻微。Liu14.1认为,通常在低温燃烧时,NO,并不主要是热力型NO2(主要由空气中氮气生成),而主要是由挥发分中含氮物质生成的。生物质含氮量要比煤高,但随着稻草所占份额的增加,NOx排放是减少的。这可能是因为燃烧过程中生物质释放出的挥发分与煤相比更富NH3,而后者则更富HCN。NH3能够分解成NH2和NH,它们能够将NO还原成N2,从而起到降低NO3作用;而HCN能在O2的作用下分解成NCO,它进一步与NO反应会生成污染物N2O当氯含量高的生物质掺烧比例达到60%时,烟气中氯含量是煤单独燃烧时的20倍。污染物二恶英、呋喃浓度也随掺烧量的增加而增加5,这是值得注意的问题。I. Werther1在80MW流化床锅炉运行中发现,对流烟道中过热器腐蚀和积灰结渣严重。分析认为:由于流化床燃烧温度较低(850~900℃),生物质灰碱金属含量高,灰熔点低,易造成积灰结渣问题,而氯是引起腐蚀的主要原因。2结论生物质与煤粉混合燃烧是生物质利用的主要方向,混合燃烧可以从两种不同类型燃料中获得最大利益。我国在能源工业中大规模利用生物质的时间不长,技术经验少,有必要深入研究和近一步开发生物质燃料的燃烧技术,从而更好地利用生物质能源。参考文献[1] DEMIRBAS Ayhan. Potential applications of renewable energy sources, biomass combustion problemsboiler power systems and combustion related environmental issues[J]. Progress in Energy and combustieScience,2005,31:171l-192[2]田宜水,姚向君.生物质燃烧与混合燃烧技术手册[M].北京:化学工业出版社,2008[3] MA Peiyong, TANG Zhiguo, LIN Qizhao. Research on an approach to high temperature flameless combustionhnology of biomassLA. International conference on F凵中国煤化工 hou, China.2071094-1098CNMHG]程树仁,刘亮.生物质与煤混燃研究分析[门.科技情报井发与济,20%,1m):140-142.第3期倪昊,等:生物质与煤直接共燃技术5]徐向乾,路春美,张梦珠,等.生物质与煤共燃技术[J].热力发电,2008,37(5):50-53.(6] SPLIETHOFF H, HEIN K R G. Effect of co-combustion of biomass on emissions inpulverized fuelfurnaces[J]. 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In engineering practice, the disadvantages of biomass-coal co-combustion cannot beignored despite its advantages in application. Technologies for a large-scale unilization of biomassenergy in China remain to be further developedKey Words: biomass; co-combustion; suspension combustion technology; fluidized-bedcombustionV凵中国煤化工CNMHG欢迎投稿《能源研马诘