第26卷第2期上海電力學院學報Vol 26. No. 22010年4月Journal of Shanghai UniversityElectric PowerApr. 2010文章編號:1006-4729(2010)02-0131-04秸稈生物質(zhì)燃料燃燒特性分析潘雯瑞,任建興(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院,上海200000摘要:通過分析秸稈生物質(zhì)燃料與煤炭燃料燃燒特性,找出影響其安全穩(wěn)定燃燒的因素,并比較了具有代表性的秸稈生物質(zhì)的結渣特性,總結了主要堿金屬以及氯對于生物質(zhì)燃燒設備所產(chǎn)生的不利影響,并提出了相應的對策關鍵詞:秸稈生物質(zhì);燃料特性;燃燒分析中圖分類號:S216.2文獻標識碼:AAnalysis of Straw Biomass Combustion CharacteristicsPAN Wen-rui, reN Jian-xingSchool of Thermal Pooer and Environmental Engineering, Shanghai University ofElectric Poer, Shanghai 200090, China)Abstract: The factors affecting the security and stability of combustion are found out by thelysis of the straw biomass and the characteristics of coal fuel combustion, and the slaggingharacteristics of representative straw biomass are comparedadverse effects ofalkalimetals and chlorine on biomass combustion equipmentanalysed, and appropriateKey words: straw biomass; combustion characteristics; combustion analysis生物質(zhì)是一種貯存太陽能的可再生能源,用用尚處于起步階段,其中約有145×105t用作畜現(xiàn)代技術可以轉(zhuǎn)化成固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料在我牧飼料,91×10t用作還田肥料,1,4x10t用國是僅次于煤炭石油和天然氣的能源,并占有重作工業(yè)原料28×103t作為農(nóng)民傳統(tǒng)的生活燃要地位.生物質(zhì)資源包括薪柴、農(nóng)林作物,尤其料余下的1.0×10°t左右在田間地頭被直接焚是為了生產(chǎn)能源而種植的能源作物,以及農(nóng)業(yè)和燒了這不僅污染環(huán)境還造成能源浪費,因林業(yè)殘剩物,食品加工和林產(chǎn)品加工的下腳料城此積極開發(fā)利用生物質(zhì)能對解決能源短缺和協(xié)市固體廢棄物、生活污水和水生植物等21調(diào)環(huán)境發(fā)展有重要意義歐洲主要國家生物質(zhì)能的開發(fā)利用均以豐富1生物質(zhì)燃料特性分析的森林資源為基礎而我國有豐富的農(nóng)作物秸稈資源,國內(nèi)現(xiàn)有的生物質(zhì)鍋爐主要以燃燒農(nóng)作物根據(jù)發(fā)電燃燒的特點,農(nóng)作物秸稈一般分為秸稈為主但由于我國秸稈生物質(zhì)資源的開發(fā)利兩類:一類為黃色秸稈又稱軟質(zhì)秸稈,主要包括麥中國煤化工收稿日期:200907-08CNMHG作者簡介:潘雯瑞(1985-),女在讀碩士河南正陽人主要研究方向為燃燒與污染物控制Eml:2008 pane@163.com上海電力學院學報2010年秸、玉米秸和稻草等,在生物質(zhì)秸稈燃燒應用中占對象,分析其燃料特性,并判別其燃燒過程中的結很大比重;另一類為灰色秸稈又稱硬質(zhì)秸稈,主要渣特性通過表161和表267可以明顯看出,不包括棉稈、麻稈等.本文以我國常見的有代表同生物質(zhì)的元素分析結果不同,灰分組成也有明性的3種黃色秸稈(稻草、麥秸和玉米秸)為研究顯的差異1常見生物質(zhì)燃料和煙煤的工業(yè)成分分析及元素構成分析工業(yè)分析成分/%元素組成/%低位發(fā)熱值HQ小kg1116.048.305.300.000.8113980673619.3549.60070.6115370玉米稻4.875.9371.9517.7549.300.70156800.98表2常見生物質(zhì)燃料和煙煤的灰分組成生物質(zhì)灰分灰分含量SO2A2O3To2Fe2O,Ca00 K20 sO55.31.93.0玉米秸72.20.250.111.719.61323.80.4生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較多,特別是玉米秸的熔點;Si元素在燃燒過程中容易與K元素形成低揮發(fā)分高達70%,遠遠超過煙煤;生物質(zhì)固定碳熔點化合物生物質(zhì)灰中的K,Na含量遠遠高于含量較低,不到20%,而煙煤的固定碳含量超過煙煤,所以灰熔點較低無機元素的含量直接影響生物質(zhì)的兩倍;另外,生物質(zhì)的含硫量和熱值明顯灰熔點.通過對生物質(zhì)灰分的分析可以看出,生物低于煙煤3種生物質(zhì)中灰分含量相差很大,玉米質(zhì)比煙煤的灰熔點低且易結渣.據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計,秸的灰分含量最低,稻草的灰分含量最高,麥秸和質(zhì)生物質(zhì)灰的熔融溫度為1200~1250℃,麥玉米秸的灰分含量遠低于煙煤;生物質(zhì)灰分中秸農(nóng)作物的熔融溫度為750~1100℃。.各生SiO2和CaO含量較高,均超過煙煤,其中SiO2含物質(zhì)的灰熔點如表4所示.量超過總灰分的50%;另外,生物質(zhì)灰中的堿金屬氧化物(K20+Na2O)的含量遠遠高于煙煤表4生物質(zhì)的灰熔點生物質(zhì)灰熔點的高低和灰的成分有關,不同生物質(zhì)變形溫度軟化溫度流動溫度的生物質(zhì)種類和不同的產(chǎn)地都對其有影響表3麥秸1080列出了灰分中常見化合物的熔化溫度稻13701400衰3灰分中常見化合物的熔化溫度/℃化溫度化合物熔化溫度由表4可以看出,生物質(zhì)灰熔點從低到高的171620432799順序是麥秸、稻草、玉米秸TiO21837800-1000生物質(zhì)特性對燃燒的主要影響有以下4點1566800-1000是含水量高、熱值低,產(chǎn)生的煙氣體積較大,排煙熱扌中國煤化工燃燒效率也較由表3可以看出,生物質(zhì)中低熔點的成分低;三CNMH,燃料在爐內(nèi)(如Fe2O3)含量越多,灰熔點就越低而生物質(zhì)中能快速看火燃燒燃燒時需補充大量空氣,否則會的K和Na可以降低灰熔點Ca和Mg會提高灰造成空氣供給量不足,難以保證生物質(zhì)燃料充分潘雯瑞,等:秸稈生物質(zhì)燃料燃燒特性分析燃燒,從而影響鍋爐的燃燒效率;三是固定碳的含0.5時為低結渣傾向;B/A=0.5~1.0時為中等量遠小于煙煤,由于固定碳的燃點高,其含量越高結渣傾向;B/A>1.0~1.75時為嚴重結渣傾向越難燃燒,因此生物質(zhì)很容易燃燒;四是生物質(zhì)燃根據(jù)上述結渣特性的判別方法對典型的秸稈料中的硫氮、碳含量較低,可以降低電廠SO2和生物質(zhì)燃料和煙煤進行判別,相關計算結果如表NO,的排放CO2近似零排放5所示2生物質(zhì)結渣特性的判別表5常用生物質(zhì)和煙煤的堿性指數(shù)和酸堿比判定煤的結渣性能的主要依據(jù)有灰熔點(L2)生物質(zhì)堿性指數(shù)酸堿比kg·GJ結渣性和煤灰化學組成(包括堿酸比B/A,硅比G,硅鋁比S/A)等判別指數(shù)由于生物質(zhì)灰與煤灰渣的差0.249強玉米秸異較大,并非已有的判別煤結渣指數(shù)均能可靠地0.416預測生物質(zhì)結渣特性,如灰熔點判定法就不適合作為生物質(zhì)燃料積灰結渣的指標由表5可知,稻草的結渣性最強,其次是麥目前,主要是根據(jù)灰成分,采用堿性指數(shù)、堿秸,玉米稈的結渣可能性較小.由堿酸比判別法得酸比的方法評價生物質(zhì)積灰結渣的特性到的結果與堿性指數(shù)法相比存在一些差異,對于2.1堿性指數(shù)生物質(zhì)而言,說明用酸堿比判別法判別結渣特性有待進一步研究堿性指數(shù)是根據(jù)生物質(zhì)燃料的單位發(fā)熱量中的堿金屬氧化物(K2O+Na2O)質(zhì)量含量(kg/GJ3生物質(zhì)鍋爐燃燒存在的主要問題的高低來判別生物質(zhì)的結渣特性,堿性指數(shù)的計生物質(zhì)是清潔的可再生能源,這是生物質(zhì)鍋算式為:爐發(fā)展的主要優(yōu)勢之一.然而由于秸稈生物質(zhì)自(1)身的燃料特性,以及堿金屬和氯的存在,使得生物質(zhì)直燃鍋爐比燃煤鍋爐更容易產(chǎn)生積灰、結渣和式中:Q燃料在干燥基和定容條件下的高位腐蝕等問題目前生物質(zhì)利用中普遍存在的堿金發(fā)熱量,GJ/kg屬問題,直接制約了生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展這已引起Y—燃料中的灰分百分含量,%國內(nèi)外學者的廣泛關注k20,N20灰分中堿性氧化物(K2O,Na2O)的百分含量,%3.1主要堿金屬對結渣的影響根據(jù)式(1)的計算結果,其判別標準是當堿結渣是個復雜的物理化學過程,其主要形態(tài)性指數(shù)小于017時,發(fā)生結渣的可能性極小;當是以黏稠或熔融的沉淀物形式出現(xiàn),而造成結渣堿性指數(shù)為0.17~0.34時,發(fā)生結渣的可能性增的一個重要原因是燃料層的溫度高于灰的軟化溫加;當堿性指數(shù)大于0.34時,發(fā)生結渣現(xiàn)象度在燃煤鍋爐的燃燒過程中,過量空氣系數(shù)、爐膛溫度等參數(shù)對結渣率有重要影響,而生物質(zhì)具2.2堿酸比有區(qū)別于煤炭的燃料特性,除了以上參數(shù)的影響判別生物質(zhì)結渣特性的另一種方法為酸堿外堿金屬特別是K,C1,S元素對積灰結渣和腐通過堿性氧化物(Fe2O3,Ca0,Mg0,K2O,蝕有重要影響Na2O)與酸性氧化物(SiO2,TO2,A2O3)的比值K元素在秸稈生物質(zhì)中含量較高,主要形成來判別,表達式為:氧化物氯化物和硫酸鹽,這些化合物都表現(xiàn)為低Fe, 0,+Ca0 Mg0 Na,0+K,O(2)參點茸化合物凝結在飛灰顆粒上時具有SiO2 +A,,+TiO2黏性中國煤化工·散速率對灰粒式中,各種氧化物的分子式代表其在灰分中的百熔點CNMHG分含量Cl元素在生物質(zhì)燃燒中起著傳輸作用,有助根據(jù)式(2)的計算結果可以判別,當B/A<于堿金屬元素從燃料顆粒內(nèi)部遷移到顆粒表面與134上海電力學院學報2010年其他物質(zhì)發(fā)生化學反應,而且C元素有助于堿金直接受到HCl的腐蝕,同時,由于氧化膜遭到破屬元素的氣化,與堿金屬物質(zhì)反應生成相對穩(wěn)定壞,使得H2S也能到達金屬表面,加快了管壁金且易揮發(fā)的堿金屬氯化物。.另外,C元素,特別屬的腐蝕速度是K元素的化合物,還有助于增加無機化合物的由表2可知,稻草和麥秸灰分中的C含量分流動性堿金屬,S,Cl元素揮發(fā)出來,相互之間發(fā)別為1.2%和1.3%,而玉米則高達22.8%.可生化學反應,然后以硫酸鹽或氯化物的形式凝結見,在玉米稈的燃燒過程中Cl對腐蝕的影響會更在飛灰顆粒和受熱面壁面上,多數(shù)硫酸鹽呈熔融加嚴重狀態(tài),增加了沉積層表面的黏性,加劇結渣程度隨著堿金屬元素氣化程度增加沉積物數(shù)量及黏4結束語性也不斷增加同時,還會發(fā)生氣體和沉積物灰渣我國的生物質(zhì)直燃技術主要以燃燒農(nóng)作物秸本身的反應使結渣層更厚稈為主,而秸稈生物質(zhì)的燃料特性和煤炭有很大我國常見的3種秸稈生物質(zhì)(稻草、麥秸和差距,這些燃料特性導致不同生物質(zhì)結渣特性的玉米秸)的灰分(表2)中,稻草的堿金屬氧化物差異在我國具有代表性的3類生物質(zhì)秸稈(稻(K2O+SiO2+SO3)含量約為88.2%,麥秸約為草麥秸和玉米秸)中,稻草的結渣性遠高于玉米853%,玉米稈約為76.7%.通過以上堿金屬對秸生物質(zhì)中堿金屬和Cl的含量會加劇結渣和腐結渣影響的分析可以看出,稻草的結渣性大于其蝕的可能因此研究生物質(zhì)燃料特性有利于減輕他兩種秸稈燃燒中存在的結渣腐蝕等問題,并可促進生物質(zhì)燃燒技術的發(fā)展.3.2氯對腐蝕的影響生物質(zhì)燃料的Cl含量比煤炭高,Cl元素可以參考文獻將K從穩(wěn)定的硅酸鹽中吸收出來,形成低熔點腐]鄧可蘊.21世紀我國生物質(zhì)能發(fā)展戰(zhàn)略[J]中國電力,蝕性強的硫酸鹽.一方面,這些硫酸鹽在管壁上結2000,(9):8284成釉瓷狀的渣膜,該渣層在表面溫度升高融化時[2]張明寰益超劉傘拯生物質(zhì)直接燃燒技術的發(fā)展研究[刀].能源研究與信息,2005,21(1):15-20.放出SO3并向內(nèi)外擴散使管壁氧化層破壞另一(3]馬洪儒,張運真生物質(zhì)秸稈發(fā)電技術研究進展與分析方面,這些硫酸鹽再吸收SO3并與Fe2O3,A2O3[冂].水利電力機械,2006,28(12):913生成焦硫酸鹽6,該鹽通常在管壁溫度下呈熔融4]朱萬斌邱化蛟程序秸秤直燃發(fā)電的問題與建議[J狀態(tài),對管壁的氧化膜造成腐蝕科技導報,200722(6):78另外,HC也是Cl析出的一種重要形式,它5紅類,朝延杰圓外生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗及啟示對于金屬的高溫腐蝕有重要影響發(fā)生氯腐蝕的[6]楊勇平,董長青,張俊姣生物質(zhì)發(fā)電技術[M]北京:中原因是由于燃料中存在一定量的NaCl和KCl,國水利水電出版社,2007:321NaCl在高溫下以氣態(tài)形式存在,在爐膛內(nèi)發(fā)生如7]中國華電集團公司生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)行業(yè)大聚焦[EB下反應Ol].(2009-02-12),http://www.chd.com.cn.NaCl+H2O→NaOH+HCl[8]維平,陳吟穎.TK6生物質(zhì)燃料結渣特性分析與判別[J].華北電力大學學報2007,34(1):4952NaCl+$02+02+H,0-Na, S04+2HCI9]樂園,李龍生精稈類生物質(zhì)燃燒特性的研究[門]能源工.2NaCl+Si02+H,0-Na, Si0,+2HCI[10]宋鴻偉郭民臣,王欣生物質(zhì)燃燒過程中的積灰結渣特性生成的HCl使管壁氧化膜遭到破壞,生成氣[].節(jié)能與環(huán)保,2003,(9):231化點很低的FeCl2并隨即揮發(fā),從而使管壁金屬中國煤化工CNMHG