能源研究與信息第25卷第3期Energy Research and Informationol.25No.32009文章編號:1008-8857(2009)03-012505生物質(zhì)與煤直接共燃技術(shù)倪昊,汪軍,樊沖(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200093)摘要:由于化石然料的使用而帶來的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題,生物質(zhì)能因其特性(可再生性和環(huán)境友好性)受到廣泛關(guān)注,各種生物質(zhì)利用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,主要介紹了生物質(zhì)與煤共燃技術(shù),特別是懸浮然燒技術(shù)和流化床燃燒技術(shù)。兩種燃燒技術(shù)各有特點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分考慮實(shí)際條件選擇合適的燃燒方式。雖然生物質(zhì)與煤共燃的優(yōu)點(diǎn)顯而易見,但是同時(shí)存在的缺點(diǎn)也不可忽視,我國在大規(guī)模利用生物質(zhì)領(lǐng)城的技術(shù)還不成熟,應(yīng)該總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)結(jié)合自身特點(diǎn)利用先進(jìn)技術(shù)更好地利用生物質(zhì)資源關(guān)鍵詞:生物質(zhì);混合燃燒;懸浮燃燒;流化床燃燒中圖分類號:TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)保障。但是現(xiàn)在人類正面臨著巨大的能源和環(huán)境壓力。當(dāng)今的能源主要來自礦物燃料,包括煤、石油、天然氣等。一方面,礦物能源的應(yīng)用推進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展,但其不可再生性使其日益耗盡;另一方面,由于礦物能源的過量使用已引起了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題,如全球氣候變暖、臭氧層破壞、生態(tài)圈失衡、有害物質(zhì)排放、酸雨等自然災(zāi)害。因此,開發(fā)和尋找新的可替代能源已成為人類社會(huì)急需解決的重大問題之一。在各類可再生能源中,具有廣泛使用價(jià)值的能源是生物質(zhì)能。生物質(zhì)能具有可再生和環(huán)境友好的雙重屬性,使得生物質(zhì)能源的開發(fā)利用成為新能源技術(shù)領(lǐng)域研究的重要方向之生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)可大體上分為熱轉(zhuǎn)換、生物轉(zhuǎn)換和化學(xué)轉(zhuǎn)換三種形式。具體可分為:直接燃燒、熱解、氣化、液化、流化萃取、厭氧消化、發(fā)酵、酸化水解、酶水解和酯化等叫。1生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)在各項(xiàng)生物質(zhì)能利用技術(shù)中,直接燃燒是最為成熟、應(yīng)用最廣泛的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換利用技術(shù)。燃燒是燃料和氧化劑(一般是空氣中的氧氣)之間進(jìn)行的劇烈、放熱的化學(xué)反應(yīng)過程。1.1生物質(zhì)燃料特性生物質(zhì)燃料一般具有以下特性:(1)髙揮發(fā)分著火溫度低。與煤混合燃燒能使YHe擋改的著火性能。CNMHG收稿日期:200902-10作者簡介:倪昊(1984-),女(漢),碩士研究生,candy99536@hotmail.com126能源研究與信息2009年第25卷(2)低熱值單獨(dú)作為燃料燃用時(shí)效率低。例如農(nóng)村使用的木柴爐燃燒效率通常僅為10-20%,即使先進(jìn)的木柴爐效率也只有30%。生物質(zhì)燃料的熱值低,在燃燒過程中的放熱比較均勻,而煤燃燒的放熱則幾乎全部集中于燃燒過程后期。因此,在煤中加入生物質(zhì)后,可改善燃燒放熱的分布狀況,對于燃燒前期的放熱有增進(jìn)作用,可以提高生物質(zhì)的利用率(3)低硫分燃燒產(chǎn)生硫化物型的污染物少,與煤共燃時(shí)能有效減少硫氧化物排放(4)高堿金屬含量燃燒產(chǎn)生的灰渣中所含堿金屬氧化物熔點(diǎn)低,易在低溫受熱面造成積灰結(jié)渣問題。上述特點(diǎn)決定了生物質(zhì)燃料并不適合單獨(dú)燃用。國內(nèi)外生物質(zhì)燃料燃燒技術(shù)的研究表明,生物質(zhì)與煤共燃具有顯著的優(yōu)點(diǎn),引起人們很大的興趣,相關(guān)的共燃技術(shù)也得到了大力開發(fā)和利用。12生物質(zhì)與煤共燃技術(shù)當(dāng)生物質(zhì)作為固體燃料與煤共燃時(shí),可供選擇的燃燒方式主要有兩種,即以煤粉爐為代表的懸浮燃燒和循環(huán)流化床鍋爐為代表的流態(tài)化燃燒。兩種燃燒方式各有特點(diǎn),也各有不同的適用范圍。1.2.1懸浮燃燒在懸浮燃燒系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)與煤的混燒時(shí),鍋爐是先通過輔助燃燒器啟動(dòng)的。當(dāng)鍋爐達(dá)到一定的燃燒溫度時(shí),關(guān)閉輔助燃燒器,同時(shí)開始噴入性質(zhì)均勻的生物質(zhì)燃料和煤粉。爐膛火焰中心溫度平均在1000~1200℃(可避免局部高溫、結(jié)焦和高溫型NO3的形成5)。H. Splietho和 K.R. G heir利用爐膛上部布置05MW燃燒器的柱狀懸浮爐實(shí)驗(yàn)裝置,進(jìn)行了生物質(zhì)一煤粉混燃研究,分析了生物質(zhì)顆粒尺寸及燃料在爐膛內(nèi)停留時(shí)間對燃燒效率的影響。研究表明,混燒時(shí)生物質(zhì)燃料顆粒尺寸應(yīng)在2~4mm范圍;CO生成量與燃燒效率是相關(guān)的,但是混燒過程中隨著生物質(zhì)份額的增加并沒有引起CO排放量的增加。這意味著在合適的生物質(zhì)燃料顆粒尺寸和份額范圍內(nèi),生物質(zhì)份額的增加并不影響燃燒效率懸浮爐中SO2排放與燃料的S含量是相關(guān)環(huán)形間隙噴入燃料的。燃料的S含量和SO2排放呈線性關(guān)系。隨旋流二次風(fēng)中間噴入燃料著生物質(zhì)份額增加,SO2排放減少。這是由于生物質(zhì)本身含S量較煤低,同時(shí)生物質(zhì)灰中堿金屬氧化物如CaO、MgO有吸收SO2作用,生物質(zhì)份額越高,發(fā)現(xiàn)灰中捕獲的S越多。懸浮爐中燃燒器的噴射方式(圖1)對NO3排放有很大影響。如果高N燃料通過燃燒器中心管噴入,進(jìn)入低當(dāng)量空氣系數(shù)的回流區(qū),則NO排放較低;若高N燃料從燃燒器環(huán)形間隙噴入,則高N燃料在高當(dāng)量空氣系數(shù)條件下熱解,增加燃料中N向NO3的轉(zhuǎn)換。因此,含N量高的燃料應(yīng)該從燃燒器中心管中噴入從而減少NO2的排放。這一結(jié)論中國煤化工特性與 H. Spliethof1所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是吻合的。CN MHGwirlbumer第3期,等:生物質(zhì)與煤直接共燃技術(shù)生物質(zhì)與煤粉懸浮燃燒過程中,除了布置低NO3燃燒器能減少NO排放,利用再燃技術(shù)減少NO受到人們越來越多的關(guān)注。再燃技術(shù)是指在爐膛內(nèi)設(shè)置一次燃料欠氧燃燒的NO還原區(qū)段,以控制NO生成量,亦稱為燃料分級燃燒技術(shù)。爐膛自下而上分為:主燃區(qū)(a>1)、再燃區(qū)(a<1)和燃盡區(qū)(a>1)影響再燃技術(shù)效率的主要因素有:(1)再燃燃料種類再燃區(qū)域內(nèi)有利于NO3還原的是烴類,因此再燃燃料燃燒時(shí)應(yīng)該能產(chǎn)生大量烴類而不是含氮物質(zhì)。 Rudiger指出影響NOx排放量最重要因素是燃料揮發(fā)分含量,其次是N含量。高揮發(fā)分含量可有效降低NO3排放。生物質(zhì)作為再燃燃料時(shí)產(chǎn)生高濃度CO,方面維持了再燃區(qū)的還原氣氛,另一方面甚至直接參與NO的還原。(2)再燃區(qū)溫度爐膛溫度對NO3還原效率具有重要影響。Biba通過研究發(fā)現(xiàn),爐膛溫度對再燃區(qū)中烴類的形成有很大影響,同時(shí)也影響含氮中間物質(zhì)向氮分子的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。較高的溫度(1200℃C)有利于硝的還原,但應(yīng)注意1300℃是熱力型NO生成的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通常再燃區(qū)的溫度要控制在1200℃左右,以保持較高的NO轉(zhuǎn)換率。(3)再燃區(qū)過量空氣系數(shù)韓奎華叫通過生物質(zhì)再燃實(shí)驗(yàn)指出,在一定溫度和停留時(shí)間下,存在一個(gè)最佳過量空氣系數(shù)。在過量空氣系數(shù)為06時(shí),得到最大脫硝率54%。過量空氣系數(shù)在06-0.8范圍內(nèi),脫硝率均在53%以上;當(dāng)過量空氣系數(shù)超過08時(shí),脫硝效率明顯降低。這與 H. Spliethoff的生物質(zhì)再燃脫硝實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是一致的。(4)再燃比例再燃比是再燃燃料燃燒放岀的熱量與主燃燃料和再燃燃料燃燒所放出熱量之和的比值。在一定范圍內(nèi),再燃比越高,再燃燃料熱解的還原性基團(tuán)及中間產(chǎn)物C、CO和烴類物質(zhì)量越多,NO還原率越高。韓奎華認(rèn)為生物質(zhì)最佳再燃比是15%~25%。牛勝利通過多種生物質(zhì)再燃實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),秸稈類生物質(zhì)的最佳再燃比為25%。而楊木屑的NO3還原率是隨著再燃比的增加而提高的。這是楊木屑熱解揮發(fā)分速度比較慢的緣故。當(dāng)再燃比小于最佳值時(shí),再燃燃料產(chǎn)生的還原性基團(tuán)少,NO3反應(yīng)不充分;當(dāng)再燃比大于最佳值時(shí),由于再燃停留時(shí)間是一定的,過多的再燃燃料還沒來得及發(fā)生反應(yīng)就進(jìn)入燃盡區(qū),沒有起到再燃效果。(5)再燃區(qū)停留時(shí)間停留時(shí)間越長,NO3還原效率越高。欒積毅在再燃實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)秸稈在空氣過量系數(shù)為09、10,停留時(shí)間在500~700ms之間可獲得40%的脫硝效率。當(dāng)過量空氣系數(shù)降低到07,0.8時(shí),脫硝效果明顯提高。在約970ms時(shí)達(dá)到最大脫硝率,分別是82%和76%。800ms內(nèi)脫硝率呈線性增加,900ms后增加趨勢平緩。在懸浮爐中,再燃比為15%時(shí),再燃停留時(shí)間分別為0438、0.95s和14s,脫硝效率分別可達(dá)254%、53.1%和547%9。可見較長的停留時(shí)間能提高脫硝效率,但是時(shí)間超過1s后脫硝效率沒有明顯提高。(6)主燃區(qū)NO3濃度根據(jù)質(zhì)量作用定律,較高的NO2濃度是有利于進(jìn)行還原NO反應(yīng)的。NO2濃度太低時(shí),在有限反應(yīng)時(shí)間內(nèi),反應(yīng)物混合及反應(yīng)速率都將得到限制。李戈2的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證實(shí)了上述結(jié)論。1.2.2流態(tài)化燃燒流化床燃燒技術(shù)自1960年開始用于城市和工業(yè)廢物的焚燒。流化床由帶有多孔盤的圓柱形容器構(gòu)成,以加熱的惰性顆粒(一般為石英砂和中國煤化工占總物質(zhì)量的90%~98%。一次風(fēng)從下部通過配風(fēng)裝置進(jìn)入燃燒室并CNMH涼是低溫燃燒,良好的氣一固、固一固混合,燃料適應(yīng)性強(qiáng),燃燒可控性能好。正是由于流態(tài)化燃燒這些固有能源研究與信息2009年第25卷特點(diǎn),以流態(tài)化燃燒為基本形式的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展,它不但成功地在中小規(guī)模的熱電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用,而且趨于逐步大型化、高參數(shù)化,逐漸進(jìn)入電站鍋爐領(lǐng)域。采用循環(huán)流化床進(jìn)行生物質(zhì)的燃燒也逐步得到關(guān)注。在循環(huán)流化床燃煤中摻入生物質(zhì)的比例對燃燒效率有著非常明顯的影響。 ChaiwatPrompubess3在循環(huán)流化床中分別對煤與0、35%、7%(質(zhì)量百分比)稻草的混燃工況(一次風(fēng)速為20ms1,無二次風(fēng)),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著稻草質(zhì)量百分比的增加,爐膛平均溫度呈上升趨勢,特別是在給料口的上方區(qū)域。這意味著,摻入的稻草在降低著火溫度的同時(shí)也提高了燃燒效率。同時(shí),稻草較煤具有更高的反應(yīng)活性,所以稻草很快即燃盡。此外, Chaiwat Prompubess在研究煤與稻殼混燒時(shí)發(fā)現(xiàn):①Co隨著爐膛高度的增加顯著減少,在13m高度上基本保持穩(wěn)定,這與溫度隨爐膛高度方向的變化趨勢是一致的。CO濃度越低,燃燒越充分,對應(yīng)的爐膛溫度越髙。②SO2排放隨著稻草份額的增加而減少。這是因?yàn)榈静葺^煤含硫量低,同時(shí)生物質(zhì)灰中堿金屬氧化(MgO、CaO等)具有一定的固硫能力在稻草占燃料總質(zhì)量3.5%的情況下,SO2只有全部燃煤時(shí)排放的一半。③NO3的排放在稻草占燃料總質(zhì)量3.5%的情況下是顯著減少的。隨著稻草百分比繼續(xù)增加,NO3排放的減少會(huì)變得很輕微。Liu14.1認(rèn)為,通常在低溫燃燒時(shí),NO,并不主要是熱力型NO2(主要由空氣中氮?dú)馍?,而主要是由揮發(fā)分中含氮物質(zhì)生成的。生物質(zhì)含氮量要比煤高,但隨著稻草所占份額的增加,NOx排放是減少的。這可能是因?yàn)槿紵^程中生物質(zhì)釋放出的揮發(fā)分與煤相比更富NH3,而后者則更富HCN。NH3能夠分解成NH2和NH,它們能夠?qū)O還原成N2,從而起到降低NO3作用;而HCN能在O2的作用下分解成NCO,它進(jìn)一步與NO反應(yīng)會(huì)生成污染物N2O當(dāng)氯含量高的生物質(zhì)摻燒比例達(dá)到60%時(shí),煙氣中氯含量是煤單獨(dú)燃燒時(shí)的20倍。污染物二惡英、呋喃濃度也隨摻燒量的增加而增加5,這是值得注意的問題。I. Werther1在80MW流化床鍋爐運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),對流煙道中過熱器腐蝕和積灰結(jié)渣嚴(yán)重。分析認(rèn)為:由于流化床燃燒溫度較低(850~900℃),生物質(zhì)灰堿金屬含量高,灰熔點(diǎn)低,易造成積灰結(jié)渣問題,而氯是引起腐蝕的主要原因。2結(jié)論生物質(zhì)與煤粉混合燃燒是生物質(zhì)利用的主要方向,混合燃燒可以從兩種不同類型燃料中獲得最大利益。我國在能源工業(yè)中大規(guī)模利用生物質(zhì)的時(shí)間不長,技術(shù)經(jīng)驗(yàn)少,有必要深入研究和近一步開發(fā)生物質(zhì)燃料的燃燒技術(shù),從而更好地利用生物質(zhì)能源。參考文獻(xiàn)[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.生物質(zhì)燃燒與混合燃燒技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)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凵中國煤化工 hou, China.2071094-1098CNMHG]程樹仁,劉亮.生物質(zhì)與煤混燃研究分析[門.科技情報(bào)井發(fā)與濟(jì),20%,1m):140-142.第3期倪昊,等:生物質(zhì)與煤直接共燃技術(shù)5]徐向乾,路春美,張夢珠,等.生物質(zhì)與煤共燃技術(shù)[J].熱力發(fā)電,2008,37(5):50-53.(6] SPLIETHOFF H, HEIN K R G. Effect of co-combustion of biomass on emissions inpulverized fuelfurnaces[J]. Fuel Processing Technology, 1998,54:189-205[7 RUGIDER H, KICHERE A, GRENL U Investigation in combined combustion of biomass and coal in powerplant technology [J]. Energy and Fuels, 1996, 10(3):789-796[8] BIBAO Rafacl, MILLERA Angela, Maria U. Evolution of the use of different fuels for gas reburning[]. Fuel,997,76(14/15):1401-14079]韓奎華,劉志超,高攀,等.生物質(zhì)再燃脫硝特性的試驗(yàn)研究[冂.煤炭學(xué)報(bào),2008,33(5):570-574.[10]欒積毅,孫銳,路軍鋒,等.生物質(zhì)再燃脫硝的試驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(14):73-79[I]l牛勝利,路春美,高攀,等.生物質(zhì)再燃降低NO3排放的實(shí)驗(yàn)研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(5):583-587[12】李戈池作和斯東坡,等.生物質(zhì)廢棄物再燃降低NO排放的試驗(yàn)研究盯].熱力發(fā)電,2004,(2):41-44[13] PROMPUBESS Chaiwat, MEKASUT Lursuang, PIUMSOMBOON Pormpote. Co-combustion of coal andbiomass in a circulating fluidized bed combustor[J]. Korean J Chem Eng, 2007, 24 (6): 989-995[14] LIU DC, MI T, SHEN B X Reduction N20 Emission by Co-Combustion of Coal and Biomass [J]. Energy andFwel,2002,16(314):602-603.[15] LIU D C, ZHANG C L, Mi B Reduction of N2O and NO emissions by co-combustion of coal and biomass]inst Energy, 2002, 75: 81-4[16] WERTHER J, SAENGER M, HARTGE E U, et al. Combustion of agricultural residues[J]. Progress in Energyand Combustion Science. 2000. 26(1): 1-27Co-combustion technologies for biomass and coalNI Hao, WANG Jun, Fan ChongCollege of Energy Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)Abstract: The use of fossil fuels has been leading to serious energy crisis and environmentalproblems. In order to cope with the situation, utilization of biomass energy has been receiving wideattention for its unique features (e.g. renewable and environment-friendly)and biomass utilizationtechnologies have emerged as the times demand This paper gives an overview of the technologiesfor co-combustion of biomass and coal, especially the suspension and the fluidized-bed combustiontechnologies. 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凵中國煤化工CNMHG歡迎投稿《能源研馬詰