生物质型煤的燃烧与固硫特性研究 生物质型煤的燃烧与固硫特性研究热能工程工学硕士学位论文Word格式.docx
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摘要
本文首先分析了我国的能源情况，指出了我们需要化石燃料的洁净燃烧，尤其是煤的洁净燃烧来实现能源利用的可持续发展的问题，结合我国的生物质资源情况和燃烧特点，分析了生物质型煤的发展前景和重要意义。
结合工业型煤的制作方法和工艺，分析了生物质型煤的成型机理，制作了一套型煤成型模具，以吉林当地秸秆、稻壳、锯末和辽宁抚顺煤为原料加工成了试验用的生物质型煤。
在生物质型煤燃烧特性研究中，本文分析了生物质的含量、类型对生物质型煤的发热量、燃烧速度、灰融点的影响，使用热重分析仪测定了生物质单质、煤及生物质型煤的燃烧时的热重和微商热重曲线，对试样的燃烧动力学特型及生物质型煤的燃烧特性进行了研究，通过一系列的试验，基本掌握了生物质型煤的燃烧特性。
对生物质型煤的固硫特性进行了试验研究，将生物质型煤硫分的析出分为三个阶段，分析了生物质的含量、型煤的燃烧温度、Ca/S、固硫剂添加剂对生物质型煤固硫效果的影响，当生物质含量为20%，Ca/S为2，燃烧温度为850℃时，生物质型煤的固硫率可以达到63%，当添加Fe2O3作为添加剂时，固硫率能够达到70%。
关键词：
生物质型煤；
燃烧特性；
固硫率
Abstract
Onthebasisofanalyzingourcountryenergysourcescharacteristics,thepapershowstheproblemthatweneedtousefossilfuelsespeciallycoalcleanlyandsustainablly.Combinedwiththebiomassresourcessituationofourcountryandcombustioncharacteristics,thispaperalsoanalyzesthedevelopmentprospectandimportantmeaningofbio-briquette.
Combinedwiththeproductionmethodsandtechnologyofindustrialbriquette
andstudiedthemoldingmechanismofbio-briquette.Theauthordesignedabriquettemould,madethebio-briquettesfortheexperimentuseingstraw,ricehulls,sawdustinJinlincityandcoalinFushunLiaoningprovince.
Inbio-briquettecombustioncharactersresearch,theauthormainlystudiedthebiomass’sinfluenceoncaloricvalue,combustionspeedandashmeltingpointofbio-briquette,andtestedcombustioncontoursofTG,DTGofbio-briquette,andaccountedcombustionkineticsparameteranddetermineignitionpointsbycontours.Bytheseexperiments,thecombustioncharactersofbio-briquettewereacquired.
Dividedthesulfurprecipitationintothreeprocessinthebio-briquettesulfurfixationresearch,thepaperanalyzedthebiomass,combustiontemperature,Ca/S,sulfurretentionadditive’sinfluenceoncapturedsulfurresult.Whenthebiomasscontentis20%,thecombustiontemperatureis850℃andtheCa/Sis2,thesulfurfixationratioofbio-briquetteis63%,andaddedsulfurretentionadditiveFe2O3theratiocanbeachieved70%.
KeyWords:
bio-briquette;
combustioncharacters;
sulfurfixationratio
主要符号表
英文字母
A
灰分，频率因子
C
碳
FC
固定碳
M
水分
N
氮
O
氧
R
通用气体常数
S
硫
T
温度，K
t
时间，s
V
挥发份
W
质量
希腊字母
上、下标
初始值
ad
空气干燥基
max
最大值
温度为T时的
第1章绪论
1.1课题研究的意义与背景
1.1.1我国目前存在的能源与环境问题
在相当长的时期里，化石能源还是人类的主要能源，但化石能源的日益衰竭和越来越严重的污染问题也制约人类的发展。
据预测，地球上蕴藏的可以开发的煤和石油能源将分别在200年、40年内耗竭，而天然气也只能用60年左右[1]，而我国又是世界第二大能源消费国，并且一次能源以煤为主，目前其生产与消费在一次能源构成中占75%以上，成为世界上最大的煤炭生产和消费国。
面对目前常规能源资源约束、过分依赖煤炭、污染严重、能源利用效率低等问题，我国未来能源结构政策的基本方针是“煤为基础、多元发展”。
维持以煤炭为主体、电力为中心，油气、新能源全面发展的一次能源结构[2]。
所以根据我国能源资源的特点和社会经济状况可以预测，在未来相当长的时间里，我国仍将是煤炭主要的生产和消费国。
在能源的利用过程中，化石燃料的燃烧要排放出各种污染物。
在排放到大
气的污染物中，99%的氮氧化物、99%的一氧化碳、91%的二氧化硫、78%的二氧化碳、60%的粉尘和43%的碳化氢是化石燃料燃烧过程中产生的，其中煤燃烧所产生的大气污染物占污染物排放总量的比例较大，二氧化硫占87%，氮氧化物占67%，一氧化碳占71%，烟尘占60%。
燃煤是我国大气污染物的主要来源[3]。
2007年中国的二氧化硫排量为2639亿吨，比2000年增长了28%，居世界第一位。
大气中的二氧化硫又是形成酸雨的主要原因。
近几年中国环境质量状况调查显示，全国酸雨污染呈加重趋势，有62.3%的城市环境空气二氧化硫年平均浓度超过国家环境空气质量二级标准。
酸雨面积已超过国土面积的1/3，由酸雨所造成的经济损失约占GDP的2%。
2007年我国的二氧化碳的排量为50亿吨，居世界第二。
二氧化碳又是形成温室效应，导致气候变暖的主要原因。
因此如何清洁、高效的利用煤炭资源，已成为我国能源工作者面临的首要问题。
1.1.2生物质资源与利用现状
生物质能源是世界第四大能源，是一种可再生的能源，它是指蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过光合作用把太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量。
生物质能是人类最早利用的能源之一，是化石能源大规模开发利用之前人类赖以生存的主要能源。
我国又是一个农业大国，生物质能资源十分丰富，每年的产量约为7亿吨左右，而目前年实际使用量为2.2亿吨左右。
因此，我国的生物质资源的利用还有很大的开发潜力[4]。
生物质能在我国商业用能结构所占的比例极小。
植物约有一半弃于荒野未予利用甚至焚烧，不但利用水平低，造成资源的严重浪费，且污染环境。
所以充分合理开发使用生物质能，改善我国的能源利用环境和人类的生态环境，加大生物质能源的高品位利用具有重要的意义[5]。
我国也已经开始重视对生物质能源的利用，连续在三个五年计划中将生物质能技术的研究与应用列为重点科技研究项目[6]，并于2006年1月1日起施行《中华人民共和国可再生能源法》，将可再生能源的利用、改善能源结构、保障能源安全、保护环境和实现社会经济的可持续发展纳入了法制轨道。
针对我国现阶段的能源现状[7]和我国未来能源结构政策[8]，如何有效的利用可再生的生物质能，有效的将生物质与传统一次能源煤巧妙地结合在一起，不仅为生物质能大规模工业化利用提供可能的有效途径，开辟能源新领域，而且更加合理高效地利用现有能源将是一个重要的研究方向。
目前生物质的利用方式除了直接燃烧外主要有三个方面：
（1）将生物质原料降解为液体燃料；
（2）将生物质原料气化成可燃气体；
（3）将生物质加工成便于运输和贮存的一定形状燃料并提高其燃烧效率。
前两种生产方法主要是通过生物降解、化学反应方式，产生氢、沼气、乙醇、合成汽油等。
生产成本相对较高，并没有大量应用于生产和日常生活。
而第三种方式采用致密成型技术，其成型燃料具有加工简单、成本较低、便于储存和运输、易着火、燃烧性能好、热效率高的优点，并且技术本身一方面解决环境保护问题，另一方面又能生产代用燃料，近年来越来越受到人们的广泛重视。
生物质型煤就是一种将生物质和煤有效的结合起来，实现能源可持续发展的有效措施[9-10]。
1.2生物质型煤技术及研究现状
1.2.1生物质型煤及其成型技术
生物质型煤（Bio-briqutte）是指将破碎成一定粒度和干燥到一定程度的煤和可燃生物质，按一定比例掺混，在高压下压制而成的型煤[11]。
生物质和煤的燃烧特性不同，生物质挥发分高、易点火、易燃烬、灰渣中残留的碳少，煤中挥发份比生物质低，不易着火，未燃损失大。
将二者制成复合燃料，二者优势互补，能够获得具有煤、生物质单独所不具备的燃烧特性的固态燃料。
生物质复合型煤可望获得比煤和生物质单独燃烧均优越的燃烧特性。
实践证明生物质型煤具有易着火、高效燃烧、低污染、易燃烬等优点[12-13]。
无论从技术方面还是从经济方面，生物质型煤都有比较好的市场前景。
植物质原料中含有纤维素、木质素、树脂等物质。
木质素为光合作用形成的天然聚合体，具有复杂的三维结构，属于高分子化合物，在植物中的含量一般为15%~30%。
由X射线衍射知道，木质素属于非晶体，没有熔点但有软化点，经过试验当温度在70~100℃时其粘合力开始增加，温度在200~300℃时可以熔融，黏度高，此时施加一定的压力增强分子间的内聚力，可将它与纤维素紧密粘结并与相邻颗粒相互粘结，由于植物生理方面的原因，生物质原料的结构通常都比较疏松，密度较小。
这些质地松散的生物质原料在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒机械变形和苏醒流变等阶段，体积大幅度减小，密度显著增大。
由于非弹性或粘性的纤维分子之间的相互缠绕和绞合，在除去外部压力后，一般不能恢复原来的结构和形状。
在冷却以后强度增加，成为成型燃料。
生物质成型有这些优势，使得生物质型煤成型是可以不加粘合剂，对成型压力的要求也比较小。
生物质型煤的形状以圆柱形为主，目前发展的主要压缩成型机可分为两种，螺杆成型机和冲压成型机。
螺杆式成型机是最早研制生产的生物质热压成型机，该机已运行平稳、生产连续等特性在市场中一直占据着主导地位。
但制约其发展的主要有两个问题，一是成型部件，尤其是螺杆磨损严重，使用寿命短；
二是单位产品能耗高。
并且生产率相对较低，成型过程对物料含水率，颗粒大小等有严格的要求，因此成型工艺不好掌握。
图1-1螺杆式成型机
冲压式成型机通常不用加热，原料的成型是靠活塞的往复运动实现的，通常用于生产燃料棒，允许原料含水率高达20%，粒度范围也相对较广。
与螺杆式成型机相比，明显改善了成型部件磨损严重的现象，使其使用寿命有所提高。
单位产品能耗也有所下降，但由于存在较大振动负荷，所以一方面造成机器运行稳定性差，另一方面导致噪声较大，另外还存在比较严重的润滑油污染问题。
图1-2冲压成型机
国外对生物质型煤技术研究的比较早，日本早在1985年就在北海道建成了一座年产6000吨生物质型煤的工厂，日本还试验生产了生物质型煤的小型燃烧装置和专用燃烧设备。
德国、土耳其等国研究用糖浆[14]作粘结剂，同时掺锯末和造纸厂废纸生产型煤。
土耳其把褐煤和糖蜜、松果、橄榄树废物、锯木、造纸废液和废棉等混合，在50MPa~25MPa成型压力下制取燃料型煤[15-16]。
尼泊尔利用废棉和褐煤成型制取燃料型煤[17]，俄罗斯、乌克兰、美国、英国、匈牙利等国用生物质水解产物作为粘结剂生产型煤[18]。
美国、瑞典等国还用脱水泥炭和磨细的生物质混合、挤压、切割成型生产型煤[19]。
国内也已经建立不少应用于生产的生物质型煤厂，1995年由日本捐助的生物质型煤厂在山东临沂投产运行，该厂生物质型煤的设计年产量为3万吨（5吨/h，每年以250天计，24h运转，实际年产量1万吨），每个型煤均呈枕型，40×
40×
25mm。
含生物质燃料10%～30%。
型煤的崩溃强度大于392N，热值为12.12～18.48MJ/kg，脱硫率大于50%。
煤末粉碎至3mm，经干燥，使其水分达1%左右；
生物质燃料切碎至2～3mm，干燥后水分约10%；
消石灰脱硫剂粉颗粒小于0.1mm，水分小于3%[20]。
重庆市由日本国际善邻协会赠送的价值数百万元人民币的高压成型机，安装调试成功后压制出的四种配方的生物质固硫型煤和非生物质固硫型煤，初步燃烧测试和实验室测试表明，民用型煤可获得较高的固硫率，工业固硫型煤也有希望获得50～70%的固硫率；
日本的高压成型机性能优异，运转平稳、压力可调、设计科学、结构合理、基本无噪声，但存在因成型水分≤5%，致使扬尘较大的问题。
中日两国共同研究的目的是进一步改进并完善生物质固硫型煤技术，使其具有优良的防潮抗水性、较高的冷热强度和高温下维持较高的固硫率、固灰率的优点。
中日共同研究的生物质固硫型煤试验厂在1997年建成，达到年产1万吨生物质固硫型煤，试验成功后将在重庆普及推广，使重庆日益严重的酸雨问题得到有效的控制[21-22]。
成都市由日本庆应大学提供技术（主要是生物质型煤成型主机装置及其相关技术），中日合作在成都市进行研究、试验生产生物质型煤，以成都环保科研所的杨治敏为组长的中日合作课题是成都市政府计划科研项目（9901），他们深入研究了生物质型煤的生产工艺流程及其固硫技术，试验生产的生物质活性型煤是在粉煤中添加有机活性物（如农作物秸秆等），脱硫剂（氧化钙）等，将其混合后经由日本庆应大学提供的K-123A轴压缩式成型机压制成具有易燃、脱硫效果显著、未燃损失小等特点的型煤[23-24]。
由日本技术提供给我国建立的这几家生物质型煤生产工厂，虽然在生物质型煤的生产和使用过程中还存在一些问题，但是该技术已经在当地取得了一定的能源利用和环境保护效益，对缓解我国西南地区的酸雨问题做出了贡献。
1.2.2生物质型煤的燃烧特性及研究现状
生物质型煤中添加了秸秆、锯末等高挥发分的燃料使型煤的着火点降低，大大缩短了着火启动时间，即使量少、燃烧强度弱，也不会造成灭火，有利于改善型煤着火性能[25]。
生物质型煤的燃烧是静态渗透式扩散燃烧，以挥发分为主的易燃生物质首先燃烧，使型煤内部产生均匀的空隙，可以阻止煤粒燃后结渣，型煤燃尽度高，灰渣中几乎不含未燃物[26]。
哈尔滨理工大学的刘伟军对生物质型煤的制备、燃烧特性、污染特性做了比较详尽的研究，研究发现，生物质型煤的着火温度明显低于普通型煤，一般低30%~40%，随着生物质比例提高，着火温度有下降的趋势，生物质型煤点火的延迟时间比原煤有明显加快,一般着火延迟时间比原煤快6~7倍[27-28]。
河南理工大学的黄光许、张如意等对使用小麦秸秆作生物质型煤粘结剂做了试验研究，取得理想的效果[29]。
贵州工业大学的李水娥等进行了“生物质型煤的制备及燃烧性能研究”。
对生物质型煤试验研究中的成型机理，所采用的成型工艺，成型设备，成型过程，燃烧性能做了描述[13]。
1.2.3生物质型煤的污染特性及研究现状
生物质型煤可以有效降低CO2的排放，降低温室效应。
生物质型煤的燃烧不影响自然界中碳的循环，即使不燃烧，生物质也会在自然消化中释放出CO2，而由植物周期性的生长和衰亡维持自然界的平衡。
可以说生物质的燃烧过程具有CO2零排放的特点[30-31]。
降低NOx排放，生物质本身N含量就比煤少得多。
生物质含有大量挥发分，在低温下迅速析出进而燃烧，形成生物质挥发分与煤抢氧燃烧，从而形成较低氧气浓度，有利于还原物质（C和CO等）对NOx的还原分解反应，减少NOx的生成。
生物质型煤的燃烧属于低温燃烧，所以氮氧化物产物很少[32]。
最重要的是燃用生物质型煤能显著降低SOx的排放量，固硫添加剂的使用使释放的硫氧化物大大减少，生物质燃烧形成的微孔组织增大了固硫剂和硫氧化物接触的时间[33]；
低温燃烧时，硫酸钙生成反应起主要作用，其分解很少；
生物质本身具有一定的木质素和腐植酸，它们对二氧化硫有较强的吸附能力和具有巨大的比表面积，延缓二氧化硫的析出速度，增加反应表面[34]；
生物质型煤燃烧形成的灰壳中含有碱金属与碱土金属的化合物，它们也能起到一定的固硫作用[12]；
生物质本身含硫量就低于煤，基于这些因素，燃用生物质型煤可以有效降低硫氧化物的排量。
浙江大学的蒋林对生物质型煤的固硫和成形原理进行了相关的研究[33]，论述了中国发展生物质型煤技术的重要性和工业化应用中存在的问题。
清华大学的徐康福等人[35-36]对生物质型煤的成型技术和固硫添加剂做了相关的研究，并提出并验证了完全利用生物质纤维的交联作用实现成型的新机制。
昆明理工大学的何方等人对生物质型煤的燃烧和固硫特性做了相关研究[37-38]。
我国目前约有43万台工业锅炉、11万台工业炉窑[12]，这些燃烧设备由于型煤的不足而大量燃烧散煤,致使燃烧效率低下、污染严重[39]。
中外专家组对我国GEF（全球环境基金会）项目的论证报告中明确指出[40]：
“影响中国燃煤工业锅炉效率和污染的根本问题在于大量的小型锅炉，目前不得不燃用煤质多变，粒度不限及灰分高的原煤”。
该报告还进一步指出：
“解决工业锅炉燃煤的主要出路在于颗粒分级和型煤化”。
利用生物质型煤技术可以削减污染物排放，减免除尘脱硫设备及其运行维护费用，节约能源；
还能有效的解决工业型煤需求量大与生产水平有限、技术不过关的矛盾，加速中国工业型煤的发展,提高研制、生产、使用的积极性,为中国工业型煤的加速推广应用注入新的活力。
生物质型煤作为一种新型能源利用方式，自身优势和外部应用的大好环境使其拥有良好的发展前景。
但是我国在生物质型煤方面的研究与国外相比还存在着较大的差距，生物质的种类和煤的特性的差别也很大，需要对本地区生物质的种类、资源量及生物质型煤的燃烧特性、燃烧技术和环保特性等方面做大量工作。
1.3本课题研究的内容
本课题主要研究了生物质型煤的燃烧和固硫特性。
实验所采用的生物质均为吉林市本地的秸秆、稻壳和锯末，煤采用的是辽宁抚顺的烟煤。
本课题的主要研究内容包括以下几个方面：
（1）生物质型煤的燃烧特性实验研究，主要分析了生物质型煤的发热量，燃烧速度、灰熔点等参数，分析了生物质型煤的燃烧动力学特性，并通过热重分析实验研究了生物质型煤的着火点。
在生物质型煤的发热量研究中，主要讨论了不同煤种以及生物质的加入量对生物质型煤发热量的影响。
在燃烧速度的实验中，主要考虑了不同的生物质以及生物质的加入量对生物质型煤燃烧速度的影响。
在生物质型煤的灰熔点测试试验中，主要考虑了不同煤种以及生物质的加入量对生物质型煤灰熔点的影响。
这部分内容将在论文的第二章介绍。
（2）生物质型煤的固硫特性实验研究，实验中采用氢氧化钙作为固硫剂，分析了不同生物质含量、钙硫比、燃烧温度对生物质型煤固硫率的影响，并采用氧化铁作为固硫添加剂讨论了使用固硫添加剂对生物质型煤固硫效果的影响。
这部分内容将在论文的第三章介绍。
第2章生物质型煤燃烧特性的实验研究
由于生物质本身的性质和煤有很大的不同，生物质的加入会改变型煤的燃烧特性，本章通过实验对生物质型煤的发热量、燃烧动力学特性、燃烧速度和灰融特性进行了研究，希望能为生物质型煤的研究及其燃烧设备的研制和应用提供有用的依据。
2.1生物质型煤的制备
本文结合试验室条件，制作了两个模具，利用试验室的平板压力机制作生物质型煤。
制得的生物质型煤的高大约为12mm，直径为14mm，成型模具如下图：
图2-1模具结构图
2.1.1试验
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