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生物质能利用

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不同形态生物质燃烧技术现状和展望

《新能源产业专辑》杂志2007年第四期刘圣勇，刘小二，王森[河南农业大学机电工程学院]2007-10-31

　摘要：

介绍了生物质燃料燃烧特性，生物质成型燃料、生物质草捆、生物质粉体和生物质燃气这几种不同形态生物质燃烧技术的现状，分析了生物质燃烧过程中的沉积腐蚀问题，并展望了生物质燃烧技术的发展方向。

　　关键词：

生物质；秸秆；燃烧技术；现状；展望

　　Currentsituationandprospectof

　　combustiontechnologiesfordifferentformsofbiomass

　　LiuShengyong,LiuXiao’er,WangSen

　　（KeyLaboratoryofRenewableEnergyofMinistryofAgriculture,ElectricalandMechanical?

EngineeringCollege,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou,450002,China）

　　Abstract：

Inthispaper，thecharacteristicsofbiomassfuels，andcurrentsituationofcombustiontechnologiesforbiomassbriquette，biomassbale，biomasspowderandbiomassgaswereintroduced.Theproblemofdepositandcorrosionduringbiomasscombustionwasanalyzed.Atlast，theprospectforthedevelopmenttrendofbiomasscombustiontechnologieswasforecasted.

　　Keywords：

biomass;straw;combustiontechnologies;currentsituation;prospect

　　0引言

　　生物质能与化石能源相比，具有可再生和低污染的优势，因此受到全世界普遍的重视，并已成为新能源的发展方向之一。

生物质能主要通过直接燃烧、气化、液化和厌氧发酵加以利用。

生物质因具有挥发分高、炭活性高、N和S含量低，灰分低，生命周期内燃烧过程CO2零排放等特点，特别适合燃烧转化利用，是一种优质燃料[1]。

生物质燃烧技术按其形态的不同可分为生物质成型燃料的燃烧技术、生物质捆烧技术、生物质粉体燃烧技术和生物质燃气燃烧技术等，就中国的基本国情和生物质利用水平而言，生物质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

　　生物质作为燃料与煤相比有许多差别，其差别列于表1中。

由表1可看出，生物质的挥发分远高于煤，灰分和含碳量远小于煤，其热值小于煤，生物质这种燃料特点就决定了它的燃烧具有一定的特性。

表1　生物质燃料与煤的成分区别

燃料种类

C/%

O/%

H/%

S/%

A/%

V/%

密度/t.m-3

生物质

燃料

38～50

30～44

5～6

0.10～0.20

4～14

65～70

0.47～0.64

煤炭

55～90

3～20?

3～5

0.40～0.60

5～25

7～38

0.80～1.00

　　生物质燃料的燃烧过程主要分为挥发分的析出、燃烧和残余焦炭的燃烧、燃尽两个独立阶段[2]，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问，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℃温度下挥发分就大量析出并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足，将会增大燃料的不完全燃烧损失；

　　（5）挥发分析出燃尽后，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不同形态生物质燃烧技术

　　2.1生物质成型燃料燃烧技术

　　生物质成型燃料是将秸秆、稻壳、锯末、木屑等生物质废弃物，用机械加压的方法，使原来松散、无定形的原料压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料，其具有体积小、密度大、储运方便；燃烧稳定、周期长；燃烧效率高；灰渣及烟气中污染物含量小等优点。

　　美国在20世纪30年代就开始研究压缩成型燃料技术及燃烧技术，并研制了螺旋压缩机及相应的燃烧设备[3]；日本在20世纪30年代开始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃物，1954年研制成棒状燃料成型机及相关的燃烧设备；70年代后期，西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等国家也开始重视压缩成型技术及燃烧技术的研究，各国先后有了各类成型机及配套的燃烧设备；20世纪80年代，亚洲除日本外，泰国、印度、菲律宾、韩国、马来西亚已建了不少固化、碳化专业生产厂，并已研制出相关的燃烧设备。

到20世纪90年代，日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型，并形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已普遍推广应用。

但国外的这些燃烧设备与中国相比，存在着价格高、使用燃料品种单一、易结渣、电耗高等缺点，不适合引进中国。

　　从20世纪80年代引进螺旋推进式秸秆成型机，中国生物质压缩成型技术的研究开发已有二十多年的历史。

到目前为止，中国已研制出机械冲压成型机、活塞式成型机、液压式成型机、辊压式成型机等多种成型机械。

但是，相应的专用生物质成型燃料燃烧设备的研制还很少。

一些单位为燃用生物质成型燃料，在未弄清生物质成型燃料燃烧特性的情况下，盲目把原有的燃煤燃烧设备改为生物质成型燃料燃烧设备。

改造后的燃烧设备仍存在着空气流动场分布、炉膛温度场分布、浓度场分布、过量空气系数大小、受热面布置等不合理现象，严重影响了生物质成型燃料燃烧正常速度与正常状况[4，5]，致使改造后的燃烧设备存在着热效率低，排烟中的污染物含量高，易结渣等问题[6，7]。

　　2003年河南农业大学[8]提出了生物质成型燃料燃烧的理论，研制出一台双层炉排生物质成型燃料锅炉。

该燃烧设备采用双层炉排结构，即在手烧炉排一定高度另加一道水冷却的钢管式炉排。

双层炉排的上炉门常开，作为投燃料与供应空气之用；中炉门用于调整下炉排上燃料的燃烧和清除灰渣，仅在点火及清渣时打开；下炉门用于排灰及供给少量空气，正常运行时微开，开度视下炉排上的燃烧情况而定。

上炉排以上的空间相当于风室，上下炉排之间的空间为炉膛，其后墙上设有烟气出口。

烟气出口不宜过高，以免烟气短路，影响可燃气体的燃烧和火焰充满炉膛，但也不宜过低，以保证下炉排有必要的灰渣层厚度（100mm～200mm）。

这种燃烧方式，实现了生物质成型燃料的分步燃烧，缓解生物质燃烧速度，达到燃烧需氧与供氧的匹配，使生物质成型燃料稳定、持续、完全燃烧，起到了消烟除尘作用。

　　2.2生物质捆烧技术

　　欧盟许多成员国具有丰富的可再生能源，生物质秸秆捆烧技术发展迅速，以丹麦、比利时、法国的生物质草捆燃烧技术发展最为成熟。

美国、日本等国也已发展起生物质捆烧技术，并形成产品系列化，在一些区域得到推广应用。

丹麦具有各种小型、中型及大型打捆机，能生产各种型号的生物质秸秆捆，适应不同层次的燃烧设备。

生物质锅炉型号也比较齐全，主要有以下三种锅炉系统[9]：

　　1）以片状草捆为燃料的系统

　　整个草捆被液压切片机切成片后由活塞式输送机推入锅炉。

在切片之前，将草捆举至与液压切片机垂直的位置，然后从草捆底部开始切片。

　　2）连续燃烧（cigar）整个草捆的系统

　　此类锅炉没有把草捆切碎，而是将多个完整草捆排成一列连续不断地推入炉膛内首先起重机把草捆置于料箱中，由液压驱动的活塞式输送机将其推入通道中，然后再把草捆推至位于炉墙上的燃烧器处。

秸秆在此释放出挥发分，并通入大量的二次空气将其完全燃烬。

此时仍然向前推进草捆，没有燃烬的秸秆和产生的灰分落在了水冷炉排上最后燃烬。

　　3）燃烧整个草捆的锅炉系统

　　起重机将秸秆放入防火通道中，将其运至料箱中，随后预热室的炉门打开，草捆进入预热室。

预热室几乎是一个“气化室”，草捆在预热室内被已有的燃料点燃。

根据引入空气位置的不同，草捆的前部或顶部开始部分燃烧。

根据烟气温度和浓度来控制空气量。

安装在预热室底部的传输设备将正在燃烧的草捆运送至灰室出口处。

　　国外燃烧打捆生物质的设备由于价格昂贵、关键技术不轻易转让、型号过大，不适合中国当地秸秆分散的实际情况等原因，不适合大规模引进中国。

中国对生物质秸秆捆烧技术理论及应用研究才刚刚起步，燃烧打捆生物质的设备还很少，很多技术问题还有待解决。

我国已经具有了发展生物质秸秆捆烧锅炉技术的基础条件。

各种型号的打捆机已经市场化，设备也已定型，专业化秸秆打捆机生产厂家也很多，如：

山东广饶石油机械股份有限公司、中收新疆分公司、上海电气现代农业装备成套有限公司、石家庄农牧机械厂等[7]。

打捆机的种类也很多，有小麦秸秆打捆机、玉米秸秆打捆机、牧草打捆机等多种类型。

打捆的秸秆一部分用作畜牧厂的饲料，但由于秸秆资源量大，除作畜牧饲料外，还有较多的剩余，必有一部分打捆秸秆用作燃料。

　　北京龙基电力有限公司[10]引进了丹麦BWE公司的秸秆生物发电技术,并在国内独家代理、生产BWE公司的生物质能发电锅炉及全部配套设备[8]，其燃料燃烧技术即为生物质捆烧技术。

中国计划在河北晋州、山东单县、江苏海安、江苏如东县、河南鹿邑、河南浚县、黑龙江庆安、北京平谷区、山东寿光、博兴、东营、高密、德州、历城等地先后建立示范项目。

　　2.3?

生物质粉体燃烧技术

　　为了改善积灰结渣给燃烧炉带来的负面影响，超细化煤粉已广泛用于煤的再燃烧和提高燃煤效率等领域。

同时，生物质燃烧中也存在积灰结渣的问题，为了改善其在生物质燃烧设备中带来的负面影响，华中科技大学[11]结合国内生物质能的开发现状，研制出一种生物质粉体燃烧技术。

将农业废弃物用破碎机破碎成粉体后，由进料装置喷入研制的立式双回旋燃烧炉直接燃烧。

一次风为输料进风，与粉体均匀混合形成风粉气流；二次风切向进入，主要用于改善炉内气流状态。

5支镍铬一镍硅热电偶自下而上依次测点火室、主燃室、扩散室、回流室和炉膛的温度，温度由SWJ一Ⅲk精密数字温度计显示，不同点温度由换位器转换触点测得。

此装置能最大限度地提高燃烧温度和燃烧效率，并能减轻结渣腐蚀对燃烧产生的不利影响，且其控制可以借鉴燃气控制方式，操作简便。

　　通过华中科技大学实验结果与分析，生物质粉体燃烧的主要结论有：

（1）生物质粉体比表面积大，加速了挥发分的析出速度，减小了固定碳的粒径，提高了燃烧速度和效率。

（2）生物质粉体在燃烧炉中悬浮燃烧，燃烧性状近似于气体燃料，因而可考虑类似于气体燃料的燃烧和控制方式。

同时燃烧炉体积参数很关键，要特别防止出现粉体燃烧量超过燃烧炉容量极限的情况。

（3）次风对燃烧效果没有显著影响，但作为风粉浓度的微调机制，现场燃烧状况的辅助调节是非常必要的。

（4）风粉的体积参数和粉体粒径对燃烧至关重要。

风粉浓度控制在250g/m3左右，粉体粒径为0.177mm时，燃烧充分，温度高，结渣现象得到改善，且经济合理。

（5）粉体燃烧模型可概括为三段式燃烧即点火和挥发分的析出、挥发分的燃烧和固定碳的回流燃烧。

　　2.4?

生物质燃气燃烧技术

　　生物质气化是以农作物秸秆、林业废弃物等为原料，在缺氧或无氧环境中通过热化学反应制取可燃性气体的技术。

农作物秸秆和林业废弃物经气化炉产生的可燃性气体通过净化、储存稳压和管道输送，为用户提供气体燃料。

目前生物质气化技术的应用领域主要是农村炊事用能和燃气发电。

对于直接供热利用，虽有文字报道具备可行性，但具体技术设备还很少。

生物质燃气供热利用的关键技术在于燃气燃烧装置的开发。

由于生物质气化技术的使用范围远远小于其它气体燃料，使得该类气体燃烧器的开发也相对落后。

开发大负荷生物质燃气燃烧装置成为生物质气化技术向大规模工业化应用发展的基本前提。

　　生物质燃气是一种特殊的燃气。

其特点是热值较低而密度较大，其流量特性及燃烧特性有其自身的规律性，不同于一般的城市用燃气。

生物质燃气成分如表2所示。

　　表2生物质燃气成分

　　气体名称H2COCH4C2H4

　　体积百分比13.0～19.018.6～19.81.8～4.00.2～0.76

　　气体名称C3H6CO2O2N2

　　体积百分比0.1～0.1410.6～12.21.6～1.944.1～52.2

　　由表2可以看出，生物质燃气的主要可燃成分是一氧化碳、氢气、少量甲烷和烃类。

其所含的氮气主要是由作为气化介质的空气带入,对燃气来说是无效成分。

　　根据上述生物质燃气特性，河南农业大学[12]研制的BCT-1型生物质燃气燃烧器采用鼓风扩散式燃烧，使用柴油作为点火介质,燃烧过程实现自动控制。

该燃烧器适用于多种生物质气化燃气，试验表明燃烧器在稳定工作条件下燃烧效率为98%，烟气CO含量小于1×10-6，各项性能指标达到燃气燃烧器的基本要求。

东北林业大学[13]按照其燃烧特性设计出一种工业用的大功率生物质燃气燃烧器。

该燃烧器属于低压引射大气式燃烧器，可用于工业直接供热。

该燃烧器燃烧充分，燃烧效率达到95%以上，符合燃气燃烧器的基本要求，热负荷达到900kW以上，高效节能、低污染、通用性好、易于点火、燃烧稳定。

该燃烧器功率大，可用于工业直接供热，是一种大功率生物质燃气专用燃烧器。

　　3生物质燃烧过程中的问题

　　在生物质燃烧过程中，因生物质含有较多的氯和碱性物质（尤其是农作物秸秆），燃烧时易在受热面上形成沉积腐蚀问题，即生物质在燃烧过程中，含有较多碱金属等矿物质成分的飞灰颗粒粘结在燃烧设备各部分受热面上形成沉积，造成受热面的沾污，继而带来受热面的腐蚀问题。

　　对于秸秆燃烧过程中在燃烧设备受热面上形成的沉积腐蚀问题，在国外，尤其是发达国家，如丹麦、美国等，由于这些国家对秸秆直接燃烧技术开发、利用较早，较先遇到这个问题，研究得较多；在发展中国家，这方面的工作开展得较晚，资料很少

　　Baxter[14]等研究了原生秸秆燃烧时形成的沉积，认为沉积率在燃烧早期最大，然后会单调递减。

丹麦S·renKnudsenK.R[15]利用CDF模型分析后认为：

秸秆燃烧后所引起的积灰、结焦与燃烧器和化学反应模式及燃烧过程中释放的气体和飞灰颗粒有关。

B.M.Jenkins[16]等通过试验发现，通过煤与生物质共燃，可以大大降低生物质燃烧带来的熔渣和灰污问题，但是混和燃烧的比例还没解决。

宋鸿伟[17]认为在燃烧过程中，硫元素可以被钙元素捕捉，硫酸钙是过热器管表面灰颗粒的粘合剂，能够加重积灰结渣的程度。

为防止沉积腐蚀问题的发生，可以考虑如下措施：

1）对生物质燃料采用水洗法的预处理方式，这样可有效去除生物质（秸秆）中的碱金属和氯；2）将添加剂与生物质混烧，目前采用的添加剂有：

煤、石灰石、AL2O3、CaO、MgO、白云土、高岭土、硅藻土等；3）在受热面的表面上喷涂耐腐蚀材料及采用吹灰、刮板法等机械方式。

　　4生物质燃烧技术的展望

　　为进一步加快生物质秸秆的利用步伐，各地政府也都出台了相关扶持政策。

生物质秸秆利用研究已成为科研单位及企业科研攻关的热点，其利用途径主要包括：

秸秆发酵、秸秆气化及秸秆燃烧等利用途径。

其中秸秆发酵利用由于生产效率低、木质素降解度低及温度要求高、冬季无法利用等原因，已成为秸秆发酵利用的瓶颈，研究进展缓慢；秸秆气化虽然生产效率提高了，冬季也可以利用，但由于气化的成分中主要成分是无色无味的剧毒气体CO，安全隐患巨大，许多地方已经禁止使用该技术；而秸秆燃烧由于生产效率高，适应性强等优点，成为科研单位主要研究方向。

但秸秆直接散烧，由于秸秆单位体积能量低，密度小（20kg/m3～40kg/m3），散烧时费力费时，运输不方便成本高等，限制了散烧的规模化应用。

秸秆成型燃料虽然单位体积能量高，但密度过大（密度可达800kg/m3～1100kg/m3），再者由于生物质秸秆经过成型机压缩成型时，要耗费大量的优质电力资源（90kW·h/～120kW·h/t），而且生产效率低（50kg/h～80kg/h）以及成型机成本和维修费用过高等问题，影响了秸秆成型燃料燃烧推广应用。

而秸秆打捆整体捆烧技术是散烧和成型燃烧发展的必然产物，它摒弃了前两者的不足，集两者的优点于一身，具有秸秆打捆密度适中（密度为90kg/m3～100kg/m3），耗电少（30kW·h/t），与秸秆成型燃料相比每吨燃料可节省60～90度电，节约燃料费30～45元/t，同时生产效率高，燃烧效果好，易利用等优点，成为秸秆燃烧利用技术的主要发展方向。

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生物质致密成型技术研究现状与发展

《新能源产业专辑》杂志2007年第四期赵廷林，舒伟，邓大军，曹冬辉，王鹏[河南农业大学机电工程学院]2007-10-31

　摘要：

综述了生物致密成型技术的原理、类别和特点，介绍了生物质致密成型技术在国内外的发展现状，阐明了生物质致密成型技术需要解决的问题，提出了中国生物质致密成型技术的发展方向。

　　关键词：

生物质成型；成型机；影响因素；发展方向

　　Presentresearchstatusanddevelopment

　　ofbiomassbriquettetechnologies

　　ZhaoTinglin,ShuWei,DengDajun,CaoDonghui,WangPeng

　　（KeyLaboratoryofRenewableEnergyofMinistryofAgriculture,MechanicalandElectricalEngineeringCollege,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou,450002,China）

　　Abstract：

Theprinciple,classificationandpropertyofbiomassbriquettetechnologiesandtheinfluencingfactorsofbiomassbriquettewerereviewed.Thepresentdevelopmentofbiomassbriquettetechnologiesabroadandathomewasintroduced,theproblemsthatshouldbesolvedforbiomassbriquettetechnologiesweredescribed,andthedevelopmentdirectionofbiomassbriquettetechnologiesinChinawaspresented.

　　Keywords：

biomassbriquette;briquettemachine;influencingfactordevelopmentdirection

　　1生物质致密成型技术的原理及工艺

　　1.1生物质致密成型原理

　　生物质致密成型技术是指具有一定粒度的农林废弃物（锯屑、稻壳、树枝、秸秆等）干燥后在一定的压力作用下（加热或不加热），可连续挤压制成棒状、粒状、块状等各种成型燃料的加工工艺，有些致密成型技术还需要加入一定的添加剂或黏结剂。

一般生物质致密成型主要是利用木质素的胶黏作用。

农林废弃物主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，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，是高分子物质，在植物