生物质直接燃烧技术的发展研究

（张 明，袁益超，刘聿拯(上海理工大学 动力工程学院，上海 200093;)  　　摘要:随着能源危机和环境问题的日益严重，人们不断致力于开发研究低污染、可再生的新能源。在众多的可再生能源中，生物质能是一种储量丰富、清洁方便的绿色可再生能源，具有极大的开发潜力。为了大力开发利用生物质资源，分析比较了国内外生物质直接燃烧技术发展现状，提出应根据生物质燃料的燃烧特性，开发相应的燃烧技术和燃烧设备，以实现生物质资源的大规模集中高效利用。 　　众所周知，人类的生存和发展离不开能源。随着世界能源需求量的迅猛增长，以煤、石油、天然气为代表的常规能源将最终被开采殆尽，同时大量使用这些化石燃料会导致一系列严重的环境污染问题。因此，大力提高能源的利用效率，以高新技术开发低污染、可再生的新能源，逐步取代石油、煤、天然气等不可再生能源，是解决能源危机和环境问题的重要途径。在众多的可再生能源中，生物质能以其资源储量丰富、清洁方便和可再生的特点，具有极大的开发潜力。  　　生物质能是指绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量，其主要来源是：农林废弃物、工业废水和废渣、城市生活垃圾以及人畜粪便等。目前，生物质的开发利用技术主要包括生物质的固化、气化、液化，以及生物质直接燃烧。国外许多国家都相继制定了各自的生物质能源研究开发计划[1~3]，如美国的能源农场、日本的阳光计划、巴西的酒精能源计划以及印度的绿色能源工程等。就我国的基本国情和生物质利用开发水平而言，生物质直接燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。 　　1生物质燃料的燃烧特性 　　研究生物质燃料的组成成分，掌握其燃烧特性，有利于进一步科学、合理地开发利用生物质能。从刘建禹、翟国勋等[4]对生物质燃料特性的研究可以发现，生物质燃料与化石燃料相比存在明显的差异，如表1所示。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。生物质燃料的燃烧过程主要分为挥发份的析出、燃烧和残余焦炭的燃烧、燃尽两个独立阶段，其燃烧过程的特点是： 　　(1)生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高； 　　(2)生物质燃料的密度小，结构比较松散，迎风面积大，容易被吹起，悬浮燃烧的比例较大； 　　(3)由于生物质发热量低，炉内温度场偏低，组织稳定的燃烧比较困难； 　　(4)由于生物质挥发份含量高，燃料着火温度较低，一般在250℃~350℃温度下挥发份就大量析出并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足，将会增大燃料的化学不完全燃烧损失； 　　(5)挥发份析出燃尽后，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，焦炭颗粒燃烧速度缓慢、燃尽困难，如不采取适当的必要措施，将会导致灰烬中残留较多的余碳，增大机械不完全燃烧损失。 　　由此可见，生物质燃烧设备的设计和运行方式的选择应从不同种类生物质的燃烧特性出发，才能保证生物质燃烧设备运行的经济性和可靠性，提高生物质开发利用的效率。 　　2生物质直接燃烧技术的发展现状 　　2.1生物质直接燃烧技术的特点  　　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。作为最早采用的一种生物质开发利用方式，生物质直接燃烧具有如下特点： 　　(1)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； 　　(2)生物质的燃烧产物用途广泛，灰渣可加以综合利用； 　　(3)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，又可以降低SOx、NOx等有害气体的排放浓度； 　　(4)采用生物质燃烧设备可以最快速度地实现各种生物质资源的大规模减量化、无害化、资源化利用，而且成本较低，因而生物质直接燃烧技术具有良好的经济性和开发潜力。 　　2.2生物质直接燃烧技术 　　生物质直接燃烧主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。炉灶燃烧操作简便、投资较省，但燃烧效率普遍偏低，从而造成生物质资源的严重浪费；而锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效率，适用于相对集中、大规模地利用生物质资源。生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃用生物质品种的不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉、层燃炉等。  　　2.2.1生物质直接燃烧流化床技术 　　目前，国外采用流化床技术开发生物质能已具有相当的规模和一定的运行经验。美国爱达 荷能源产品公司已经开发生产出燃生物质媒体流化床锅炉，蒸汽锅炉出力为4.5 t·h-1~50 t·h-1， 供热锅炉出力为36.67MW；美国CE公司利用鲁奇技术研制的大型燃废木循环流化床发电锅炉出力为100 t·h-1，蒸汽压力为8.7MPa；美国B&W公司制造的燃木柴流化床锅炉也于20世纪80年代末至90年代初投入运行[5]。此外，瑞典以树枝、树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以利用，锅炉热效率可达到80%；丹麦采用高倍率循环流化床锅炉，将干草与煤按照6:4的比例送入炉内进行燃烧，锅炉出力为100 t·h-1，热功率达80MW[5]。 　　我国自20世纪80年代末开始，别如山、鲍亦令等[5,6]对燃生物质流化床锅炉进行了深入细致地研究。为了提高锅炉燃烧效率，研究人员采用细砂等颗粒作为媒体床料，以保证形成稳定的密相区料层，为生物质燃料提供充分的预热和干燥热源；采用稀相区强旋转切向二次风形成强烈旋转上升气流，加强高温烟气、空气与生物质物料颗粒的混合，促进可燃气体和固体颗粒进一步充分燃烧。根据以上研究成果，哈尔滨工业大学分别与国内四家锅炉厂合作开发了一系列燃用甘蔗渣、稻壳、果穗、木屑等生物废料的流化床锅炉，投入生产后运行效果良好，深受用户的好评。 　　刘皓、黄琳等[7~8]根据稻壳的物理、化学性质和燃烧特性，设计出以流化床燃烧方式为主，辅之以悬浮燃烧和固定床燃烧的组合燃烧式流化床锅炉，并且为配合三段组合燃烧采取了四段送风的方式。采用这种独特的燃烧方式和配风方式，其优点在于：流化床中燃料颗粒的流化速度较低，有利于减少稻壳随烟气飞出流化床的份额，延长了稻壳在床层的停留时间；提供了足够的悬浮燃烧空间，有利于挥发份中的可燃物在悬浮段进一步充分燃烧。通过试验研究证明，该锅炉具有流化性能良好、燃烧稳定、不易结焦等优点，已经获得国家专利。  　　陈冠益、方梦祥等[9]在试验研究的基础上， 与无锡锅炉厂合作设计开发了35 t·h-1燃稻壳流化床锅炉。该锅炉设计的主要特点是：采用气力输送装置输送稻壳，不但输送量大，而且输送安全，避免了因给料机堵塞引起的给料中断现象；采用厚壁管的防磨环用以防止床层埋管的磨损，尾部加吹灰器吹风防止受热面积灰；通过调整一、二次风风量大小与烟气再循环实现炉内风速的改变，扩大了锅炉的燃料适用范围。 　　2.2.2生物质直接燃烧层燃技术 　　(1) 农林废弃物开发利用技术 　　生物质层燃技术被广泛应用在农林业废弃物的开发利用方面。丹麦ELSAM公司[10]出资改造的Benson型锅炉采用两段式加热，由四个并行的供料器供给物料，秸秆、木屑可以在炉栅上充分燃烧，并且炉膛和管道内还设置有纤维过滤器以减轻烟气中有害物质对设备的磨损和腐蚀。经实践运行证明，改造后的生物质锅炉运行稳定，并取得了良好的社会和经济效益。 　　在我国，田宜水、张鉴铭等[11]通过对秸秆本身特性的分析研究，在秸秆直燃热水锅炉燃烧室的设计中，采用双燃烧室结构。第一燃烧室为主燃区，设置于炉膛前部；第二燃烧室为辅助燃烧区，设置于炉膛后部，两者间由挡火拱分隔。该布置方式加强了秸秆与高温烟气、空气地相互混合，同时延长了物料在炉内燃烧的停留时间，确保了秸秆燃烧的充分完全，取得了良好的运行效果。 　　翟学民[12]根据甘蔗渣的燃烧机理，研制出了一种采用闭式炉膛结构的甘蔗渣锅炉。该锅炉将燃烧室与辐射受热面分开布置，甘蔗渣在炉内进行半层燃半悬浮燃烧，既有助于甘蔗渣的着火和燃尽，又可以布置足够的受热面，满足了燃烧和传热两方面的要求；炉膛内布置人字型前后拱，通过前后拱的相互配合加强了高温烟气对甘蔗渣的辐射，有利于甘蔗渣的及时着火和稳定燃烧。甘蔗渣作为生物质燃料有一定的代表性，因此该炉型对稻壳、树皮等生物质燃料具有一定的通用性。 　　何育恒[13]开发设计了燃木屑、木粉、树皮等废料的层燃锅炉。该锅炉结构设计新颖，前墙及炉膛布置少量水冷壁管，保证炉膛具有较高的温度，以便木屑、木粉的燃烬；炉膛内布置有防爆门，防止木粉爆燃；锅炉为负压燃烧，保证木粉在燃烧时不向炉外喷火。锅炉投入运行后，经测试达到了预期的设计要求，为燃木屑、木粉等林业废弃物锅炉的开发设计提供了宝贵的经验。 　　(2) 城市生活垃圾焚烧技术 　　进入21世纪以后，随着我国城市建设的发展和社会的进步，城市生活垃圾的产量逐年递增，其构成也逐步向“灰分少、高热值”的方向发展。因此，以焚烧技术为代表的新型垃圾处理技术正飞速发展，成为新兴的环保产业。该技术与传统的垃圾填埋方式相比，在环境保护和资源利用方面都具有明显的优势。 　　20世纪80年代末，深圳市从日本引进了两台“三菱——马丁”型垃圾焚烧炉，单台日处理垃圾150t，在我国率先采用焚烧技术处理生活垃圾[14]。1996年深圳市又扩建了第一台国产化垃圾焚烧炉，该炉采用单锅筒自然循环，烟道四周布满膜式水冷壁，烟气处理系统采用静电除尘器处理装置[15]。作为首台国产垃圾焚烧锅炉建成投产后，各项主要技术性能指标均达到设计要求，为我国城市生活垃圾处理找到了一条行之有效的既经济、又清洁的途径。上海浦东新区御桥生活垃圾焚烧厂设置了三条垃圾焚烧生产线，每条生产线主要由焚烧炉、余热锅炉、烟气处理反映塔和除尘器组成[16]。除上海浦东御桥以外，北京市、广州市、厦门市也都在进行千吨级垃圾焚烧厂的建设[17]。垃圾焚烧具有减少环境污染，节省大量土地资源等显著优点。因此垃圾焚烧技术将成为我国大城市生活垃圾处理的主流技术，但在尾气处理避免二次污染和提高焚烧炉燃烧效率等方面，还需进一步结合基本国情不断改进和完善我国的垃圾焚烧技术。  　　3生物质直接燃烧技术存在的问题 　　从国内外生物质直接燃烧技术的发展状况来看，流化床锅炉对生物质燃料的适应性较好，负荷调节范围较大。床内工质颗粒扰动剧烈，传热和传质工况十分优越，有利于高温烟气、空气与燃料地混合充分，为高水分、低热值的生物质燃料提供极佳的着火条件，同时由于燃料在床内停留的时间较长，可以确保生物质燃料地完全燃烧，从而提高了燃生物质锅炉的效率。另外，流化床锅炉能够较好地维持生物质在850℃左右的稳定燃烧，所以燃料燃尽后不易结渣，并且减少了NOx、SOx等有害气体的生成，具有显著的经济效益和环保效益。 　　但是，流化床对入炉的燃料颗粒尺寸要求严格，因此需对生物质进行筛选、干燥、粉碎等一系列预处理，使其尺寸、状况均一化，以保证生物质燃料的正常流化。对于类似稻壳、木屑等比重较小、结构松散、蓄热能力比较差的生物质，就必须不断地添加石英砂等以维持正常燃烧所需的蓄热床料[9,18]，燃烧后产生的生物质飞灰较硬，容易磨损锅炉受热面，并且灰渣混入了石英砂等床料很难加以综合利用。此外，为了维持一定的流化床床温，锅炉的耗电量较大，运行费用也相对较高。 　　采用层燃技术开发生物质能，锅炉结构简单、操作方便、投资与运行费用都相对较低。由于锅炉的炉排面积较大，炉排速度可以调整，并且炉膛容积有足够的悬浮空间，能延长生物质在炉内燃烧的停留时间，有利于生物质燃料的充分完全燃烧。但生物质燃料的挥发分析出速度很快，燃烧时需要补充大量的空气，如不及时将燃料与空气充分混合，会造成空气供给量不足，难以保证生物质燃料地充分燃烧，从而影响锅炉的燃烧效率。 　　在垃圾焚烧技术方面，城市生活垃圾的水分较多、热值偏低，其组成成分和热值高低随地区、季节的变化而变化，导致垃圾焚烧时不易着火、燃烧和燃烬困难。此外，由于受到经济发展、生活水平以及城市管理等因素的影响，我国城市生活垃圾的成分和热值与发达国家相比存在着较大的差异，直接采用国外的焚烧设备处理我国的城市生活垃圾，无法取得较好的运行效果。因此，在借鉴国外先进技术和运行经验的基础上，应大力加强我国城市生活垃圾焚烧技术的研究，开发研制出符合我国国情的垃圾焚烧设备。 　　鉴于生物质层燃技术在某些生物质燃烧中存在的问题，上海理工大学[19]根据五粮液酒厂酒糟的燃烧特性，设计研制出燃酒糟锅炉。该锅炉采用了层燃与室燃相结合的燃烧方式，酒糟在炉内下落过程中逐步加热干燥，挥发分逐步析出，在炉膛空间悬浮燃烧，较难燃尽的固定碳落在炉排上继续燃烧，燃烧后灰渣还可作为橡胶工业的添加剂原料。因此，该项技术同时实现了节能、环保以及灰渣的综合利用，还适用于其它生物质废弃物的回收利用，收到了良好的社会和经济效益。 　　4结论 　　通过分析比较生物质直接燃烧技术的发展现状，可以得出以下结论： 　　(1)生物质的种类繁杂，不同种类生物质之间外貌、组分、物性和燃烧性能千差万别，不可能找到一种统一的燃烧方式，以实现其资源化利用； 　　(2)应根据不同种类生物质燃料的燃烧特性，开发不同类型的燃烧技术，并研制相应的燃烧设备，有利于提高生物质燃料的燃烧效率； 　　(3)目前，关于生物质燃烧设备空气动力场的研究较少。因此，需要加强生物质燃烧设备空气动力场的理论分析和试验研究，为生物质燃烧设备的优化设计与高效运行提供科学的参考依据。 　　参考文献: 　　[1] 蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景[J].林产化学与工业，2002，(2)：75-80. 　　[2] KAYGUSUZ K，TUKER M F.Biomass energy potential in Turkey[J].Renewable Energy，2002，(26):661-678. 　　[3] AKINBAMI J F K，IIORI M O，et al.Biogas energy use in Nigeria：current status，future prospects and policyimplications[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2001，(5)：97-112. 　　[4] 刘建禹，翟国勋，陈荣耀.生物质燃料直接燃烧过程特性的分析[J].东北农业大学学报，2001，32(3)：290-294. 　　[5] 别如山，李炳熙，陆慧林，等.燃生物质废料流化床锅炉[J].热能动力工程，2000，15(4)：344-347. 　　[6] 别如山，鲍亦令，杨励丹，等.燃生物质流化床锅炉[J].节能技术，1997，(2)：5-7. 　　[7] 刘 皓，黄琳，林志杰，等.稻谷壳的高效低污染综合利用前景[J].能源研究与利用，1995，(4)：15-17. 　　[8] 林志杰，刘 皓，黄 琳，等.稻谷壳流化床的燃烧特性[J].华中理工大学学报，1994，22(3)：21-24. 　　[9] 陈冠益，方梦祥，骆仲泱，等.燃用稻壳流化床锅炉的试验研究及35 t·h-1锅炉的设计[J].动力工程，1997， 17(6)：47-54. 　　[10] 何泓玉，马孝琴，陈学军.生物质锅炉在火电厂的安装使用[J].农村能源，2001，(1)：21-22. 　　[11] 田宜水，张鉴铭，陈晓夫，等.秸秆直燃热水锅炉供热系统的研究设计[J].农业工程学报，2002，18(2):87-90.[12] 翟学民.甘蔗渣锅炉设计新构思[J].工业锅炉，2000，(2)：9-12. 　　[13] 何育恒.燃烧油、木屑、木粉绿色新型锅炉的开发设计[J].工业锅炉，2001，(3)：20-23. 　　[14] 毛玉如，武全平，夏同棠.城市生活垃圾焚烧发电的现状、分析与展望[J].新能源，1999，21(6)：33-37. 　　[15] 孙超凡.首台国产垃圾焚烧炉的调试及完善化建议[J].中国电力，1998，31(10)：59-61. 　　[16] 王建勇，施耀新，郝福民.上海市垃圾焚烧和发电技术分析[J].锅炉技术，2002，33(11)：29-32. 　　[17] 张 静.浦东新区生活垃圾焚烧厂工程实例[J].上海环境科学，2000，19(1)：37-39. 　　[18] 张子栋，别如山，杨励丹，等.SZF4-1.25-D型稻壳流化床锅炉的研制[J].节能技术，1995，(5)：8-12. 　　[19] 刘聿拯，袁益超，曹建峰，等.酒糟燃烧机理及燃酒糟锅炉研究[J].锅炉技术，2001，32(11)：26-29.