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生物质颗粒燃料燃烧设备的研究进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-12-15  浏览次数:74
 APBE2017第六届亚太生物质能展

时间:2017年816-18

地点:广州·中国进出口商品交易会展馆


罗娟1,2,侯书林1,赵立欣2,田宜水2,孟海波2

(1.中国农业大学工学院,北京100083;2.农业部规划设计研究院,北京100125)

 

摘要

 

生物质颗粒燃料是一种优质的清洁燃料,可替代煤炭等化石燃料,广泛应用于炊事、供暖等民用领域和锅炉燃烧、发电等工业领域。文章简述了生物质颗粒燃料的燃烧特性,分析了国内外生物质颗粒燃料燃烧设备的研究进展及应用现状,对3种类型的生物质颗粒燃料燃烧器、进料系统、控制系统、清灰装置以及污染物排放等进行比较,最后指出了目前燃烧器存在的主要问题,并提出了我国生物质颗粒燃料燃烧设备的发展方向。

引言

随着社会经济的发展,人类对化石能源的需求日益增长,但化石燃料的大量消耗导致了严重的环境污染。因此,寻找一种可再生的替代能源,减少CO2等温室气体的排放,已成为世界各国关注的焦点。


生物质能是一种可再生能源,其消耗量仅次于石油、煤炭和天然气,居第4位。生物质能具有可再生和环境友好的双重属性,近年来生物质能的开发和利用越来越受到人们的重视。我国的生物质能资源十分丰富,每年农业废弃物的产量约7.15亿t,其中农作物秸秆占70%。但我国大多数农民仍以直接燃烧的方式利用秸秆、薪柴等资源,秸秆的挥发分含量较高,燃烧时会因助燃空气不足而形成黑烟,既浪费资源,又污染环境,严重损害了人们的身心健康。


生物质固体成型燃料是在一定温度和压力作用下,利用木质素充当粘合剂,将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、块状或颗粒状等成型燃料。生物质成型燃料的能量密度与中质烟煤相当;基本实现CO2零排放,NOx和SO2的排放量远小于煤,颗粒物排放量降低;燃烧特性明显得到改善,利用效率显著提高。因此,生物质固体成型燃料技术是实现生物质高效、清洁利用的有效途径之一。生物质固体成型燃料主要分为颗粒、块状和棒状3种形式,其中颗粒燃料具有流动性强、燃烧效率高等优点,因此得到人们的广泛关注。2005年,世界生物质颗粒燃料产量已经超过了420万t,其中,美洲地区产量为110万t;欧洲地区产量为300万t,现有大型生物质固体燃料厂285个。瑞典生物质颗粒燃料年产量约为141.1万t,年消费量约为171.5万t,位居世界首位。我国生物质颗粒燃料及其燃烧设备的研究刚刚起步,研制方便、环保、高效、节能的生物质颗粒燃料燃烧设备是目前科研人员面临的主要课题。

1生物质颗粒燃料的特性


生物质颗粒燃料通常是指直径小于25mm的圆柱体状固体成型燃料,颗粒密度较压缩前明显增大,可达1.2~1.4kg/m3;体积缩小75%~90%,便于贮存和运输;尺寸均匀,流动性好,便于实现自动化传输和燃烧。


生物质颗粒燃料的挥发分含量很高,通常为60%~70%,远高于煤,故其点火性能和燃烧性能都比煤好,属于高活性燃料;碳含量为35%~42%,远低于煤,这使得其热值比煤低;N含量为0.5%~3%,S含量仅为0.1%~0.5%,燃烧时NOx排放量仅为煤的1/5,SO2的排放量仅为煤的1/10,CO2的净排放量基本为0;与原生物质相比,生物质颗粒燃料燃烧时间明显延长。由此可见,生物质颗粒燃料是一种优质、清洁、高效的燃料,其部分特性参数见表1。


2生物质颗粒燃料燃烧设备研究进展

  

20世纪30年代,国外开始发展生物质成型燃料技术,现已达到商业化应用程度,实现了规模化产业经营。目前,世界各国研究的重点逐渐集中在成型燃料燃烧设备的研究开发上。

  

2.1国内外研究进展


20世纪50年代,日本研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备。20世纪70年代后期,美国出现了木质颗粒燃料及其燃烧设备,随后西欧一些国家,如瑞典、芬兰、丹麦等研制出颗粒成型机及配套的燃烧设备。20世纪80年代,亚洲一些国家,如泰国、菲律宾等也相继研制出相关的燃烧设备。目前,日本、美国及欧洲一些国家的生物质成型燃料燃烧设备已经定型,并实现了产业化发展,在供热、供暖、干燥和发电等领域得到广泛应用。


生物质颗粒燃料燃烧器的应用始于20世纪80年代,但是直到90年代后期才在瑞典、丹麦和奥地利等国家获得一定的市场份额,目前在德国等国家也受到了很大关注,其中木质颗粒燃料燃烧器制造比较规范,具有加工工艺合理、专业化程度高、操作自动化程度高、热效率高、排烟污染小等优点。瑞典等国家的政府、设备制造商和国家检测研究所在研发颗粒燃烧器的过程中,设定了自愿认证系统,为了保证产品质量,销售的燃烧器必须符合一系列技术指标的要求以及严格的排放标准。奥地利还形成了生物质颗粒燃料燃烧设备生产、供应一体化市场和产品质量标准体系。


我国从20世纪80年代开始研究生物质成型燃料技术,但有关成型燃料燃烧特性及燃烧设备的理论研究和应用研究还较少。目前国内也引进一些以生物质颗粒为燃料的燃烧器,但这些燃烧器的燃料适应范围很窄,只适用于木质颗粒,改燃秸秆类颗粒时易出现结渣、碱金属及氯腐蚀、设备内飞灰严重等问题,而且这些燃烧器结构复杂、能耗高、价格昂贵,不适合我国国情,因此没有得到大面积推广。专门燃用秸秆类颗粒燃料的高效燃烧器的研究未见有报道。


2.2燃烧设备的应用

2.2.1炊事、取暖等民用设备

目前,在欧美等国家,家用生物质颗粒燃料(主要为木质颗粒燃料)及配套的高效燃烧设备已经非常普及,颗粒燃料已成为许多家庭首选的生活用燃料。家庭式供热锅炉燃用颗粒燃料的热效率可达80%,住宅区、学校等供热系统中的高效节能燃烧锅炉的热效率可达到90%以上。


​目前,我国已有近2亿农户使用省柴节煤炉灶,其热效率约为25%,与传统炉灶相比,具有使用安全、方便、卫生的优点。同时,不少研发机构已开始研发燃用生物质颗粒燃料的供暖设备,如北京万发炉业中心研发的燃用秸秆类颗粒燃料的暖风壁炉、水暖炉、炊事炉等一系列炉具,吉林华光生态工程技术研究所研发的暖风壁炉和炊事采暖两用炉等。

  

2.2.2生物质发电设备

生物质发电技术的研究始于20世纪70年代末。生物质发电技术主要分为生物质直接燃烧发电、生物质与煤混合燃烧发电和生物质气化发电3种技术。


目前,生物质发电技术在发达国家已受到广泛重视,其技术及相关设备都已比较成熟。奥地利成功建立了木材剩余物的区域供电站;丹麦BWE公司研发的秸秆燃烧发电机组已在丹麦、西班牙、瑞典、法国等国投产运行多年;美国生物质发电设备的装机容量已达10.5GW,其中70%采用生物质与煤的混合燃烧工艺,单机容量为10~30MW,预计到2015年装机容量将达16.3GW。


​1999年,我国的电力生产总量为12600亿kWh,年人均发电量不到1000kWh,年人均生活用电只有110kWh左右。若将目前农林废弃物总量的50%作为电站燃料,可发电4000亿kWh,占目前我国总耗电量的30%左右。与直接燃烧和气化燃烧发电相比,生物质颗粒燃料与煤混烧发电具有技术成熟、热能利用率高、设备投资少、燃料贮运方便等优势。国外运行经验表明,生物质颗粒燃料发电具有利用规模大、成本低等优点,在我国有很大的发展潜力。

  

2.2.3其它工业利用

生物质颗粒燃料的另一大用途是作为工业大型供热、干燥等领域的燃料,工业燃烧技术一般分为固定床、流化床和悬浮燃烧3种形式。


目前,发达国家如英国、法国、意大利等采用大型锅炉集中处理农作物秸秆用于供热、干燥等工业领域,其技术比较成熟,已形成自动化程度较高的大规模工业化生产。


在我国,哈尔滨工业大学较早地进行了生物质燃料的流化床燃烧技术研究,并先后与无锡锅炉厂、杭州锅炉厂合作开发了不同规模、不同炉型的生物质燃烧锅炉。此外,河南农业大学研制出双层炉排生物质成型燃料锅炉,浙江大学研制出燃用生物质秸秆颗粒燃料的双胆反烧锅炉等。


3生物质颗粒燃料燃烧器

使用高效燃烧设备可以明显提高生物质颗粒燃料燃烧效率。生物质颗粒燃料尺寸较为单一、均匀,因此可以实现自动进料连续燃烧,燃烧效率通常能达到86%以上。通过与不同用途的设备(如锅炉、壁炉、热风炉等)配套使用,燃烧器可以应用到取暖、炊事、干燥等各个领域。图1为典型的颗粒燃料燃烧系统示意图。


  

3.1燃烧器分类

生物质颗粒燃料燃烧器的形式较多,分类方式也有多种。根据喂料方式的不同,可将燃烧器分为3种类型:上进料式、底部进料式和水平进料式。

  

3.1.1上进料式

上进料式燃烧器使用最为广泛,此类燃烧器通常用于锅炉或炉具中。绝大多数上进料式燃烧设备内壁上会设有落料通道(图2,表2),颗粒燃料由此落入燃烧室进行燃烧;一次空气和自动点火所需的热空气由燃烧室底部进入,二次空气由燃烧室壁上的小孔进入。常采用鼓风机提供助燃空气并促进炉具与周围空气的热交换。为简化清灰过程,将炉排设计为手动或自动移动式,以便灰分随炉排移动落到集灰装置中。

  

3.1.2底部进料式

底部进料式燃烧器最初用于木片的燃烧,后来逐渐发展用于颗粒燃料。颗粒燃料在进料装置的作用下,由燃烧器底部的管道进入燃烧床进行燃烧。一次空气由进料装置或燃烧床上的小孔进入燃烧室,二次空气由燃烧床上方的气孔进入燃烧室。此类燃烧器不需要单独的集灰装置,燃烧后的灰分逐渐被颗粒燃料挤落入下方的集灰装置或灰分传送系统中。

  

3.1.3水平进料式

​水平进料式燃烧器的原理与底部进料式燃烧器基本相同,唯一的区别在于燃烧床的形式不同,另外水平进料式常需要额外的集灰装置。

  

3.2进料系统

​在多数情况下,燃烧器与料仓是分置的,因此在燃烧器和料仓之间须要设置进料系统。进料系统的主要功能是将燃料输送到燃烧室,进料速度主要与热量需求的多少有关。进料方式很多,常见的主要有螺旋输送和气流输送。

  

3.2.1螺旋输送机

​螺旋输送机是最常见的进料装置,它具有结构简单,体积小而紧凑,操作管理方便,使用安全可靠,密闭性好,价格相对低廉等优点,适于短距离输送,但其消耗功率相对较高,对燃料中的金属和矿物杂质等比较敏感,要求输送的生物质颗粒燃料相对均匀、清洁且符合规定的粒度。

  

3.2.2气流输送系统

​当燃烧器与料仓的距离较大时,建议采用气流输送系统。此输送方式类似于真空吸尘器,颗粒在气动装置的强大吸力下,沿着管道进入燃烧器的燃烧室中。气流输送系统可实现小颗粒及小块状物料的长距离连续输送,能进行水平、倾斜输送,设备结构简单、密封性能好、安装维修方便;其缺点是不易获得均匀恒定的输送速度,排气噪音较大,价格相对较高。

  

3.3燃烧器的控制

3.3.1点火

​点火方式主要有2种:一是采用电子点火装置,二是使用引燃火焰。电子点火比引燃火焰的污染物排放量低,控制简单。

  

3.3.2运行

为了保证燃烧器清洁排放,应尽可能避免多次启动或使用引燃火焰,同时还须保证稳定的燃烧条件。设计良好的燃烧器在输出额定热量时效率能达到90%以上,当在低负荷下运行或负荷发生变化时,效率会有所下降,但一般也在86%以上。


燃烧器可根据热量需求来精确控制进料量,通过调整助燃空气量来控制燃烧过程。根据热量需求,通常将颗粒燃烧器设定几个不同的固定热输出档,当输出热量低于设定值时,燃烧器会自动启动运行,直至达到设定的热量输出值。常采用温度传感器来监控热量输出,助燃空气由鼓风机供给,通过λ传感器来监测和控制助燃空气供给量,保证高效清洁燃烧。小型燃烧设备常通过开、关自动调温器来控制热量输出,大型燃烧设备则使用复杂的控制方式来控制热量输出。


​燃烧器的运行模式主要分为两类:一类以瑞典为代表,燃烧器为一个独立的单元,常与标准锅炉匹配,进料、点火和燃烧均为自动化,但其热量输出不可控或只有2种选择,即全输出(100%)和半输出(50%);另一类以奥地利为代表,进料、点火、燃烧、清灰均为自动化,其热量输出可在某一范围内自行调节(如30%~100%),使用极为方便,但价格也相对较高,要比前者高出50%左右。

  

3.4清灰装置

清灰装置的除灰方式分为机械刮除式和机械振动式,也有其它的方式。有些燃烧器中还配有灰分压缩机,以满足长时间自动运行的需求。设计良好的燃烧器所需的维护和保养很少,目前大多数燃烧器的清灰装置均能满足燃烧器运行一周清灰一次的要求。


3.5污染物排放

生物质颗粒燃烧器的烟气中污染物主要包括不完全燃烧颗粒CxHy和有害气体CO,它们主要是由燃料不充分燃烧产生的,也与颗粒燃料的组成有关。燃烧器的烟气排放量非常低,尤其是配有进风及排风装置的燃烧器。由于生物质颗粒燃料中N,S含量比较低,因此其NOx,SOx排放量比煤低许多。


4存在的问题

​虽然我国的生物质成型燃料产业发展很快,成型燃料技术已相对比较成熟,但相关的燃烧设备尚处于研究开发阶段,特别是秸秆类颗粒燃料燃烧器,目前的产品规格单一,应用范围有限,存在许多亟待解决的问题。

  

4.1灰分沉积率高,结渣现象严重

秸秆类生物质中Si含量较高,秸秆灰的变形温度通常为750~1000℃,秸秆类颗粒燃料的灰分沉积速度一般都高于木质颗粒。因此,设计生物质颗粒燃烧器时要考虑清灰问题,此外,积灰中通常存在大量碱性成分和氯化物,会产生结垢、结渣等危害,结渣不仅影响燃烧设备的热性能,甚至会危及燃烧设备的安全。


​宋鸿伟分析了生物质燃烧过程中的积灰结渣特性,认为K,Cl,S3种元素对积灰结渣特性有很大影响。王淮东利用专用炉灶研究了成型燃料的结渣特性,得出了结渣率随着温度升高、炉膛增大、燃料层厚度增加会有不同程度增加的结论。ShaojunXiong的研究表明,直接燃烧秸秆颗粒燃料时结渣很严重,灰渣大小约为网球直径(6.35~6.67cm)的1~2倍,当在燃料中添加高岭土、方解石等添加剂时,能有效降低秸秆颗粒的结渣趋势。

  

4.2氯腐蚀

​秸秆类生物质燃料中碱金属、氯的含量比较高,在燃烧过程中Cl几乎完全蒸发,形成HCl,Cl2和碱金属氯化物。随着烟气温度的降低,碱和碱金属氯化物冷凝在飞灰颗粒或换热器表面上,与烟气反应形成硫酸盐,并释放出氯化物。氯化物具有较强的氧化能力,加快高温腐蚀速率和金属损耗速率,降低传热效率,甚至会使局部传热表面丧失传热性能。因此,秸秆类颗粒燃料比木质颗粒燃料更易损坏设备,对设备的材质要求更严格。

  

4.3自动化程度低

​目前国内的燃烧设备一般都采用人工或半自动进料系统,整套设备的自动化程度不高,不利于颗粒燃料的大规模推广和应用。许多小型设备采用自然通风,因此常存在不完全燃烧产生的污染物排放量过高等问题。

  

5结束语

①国外生物质固体成型燃料燃烧设备污染物排放量低、热效率高、自动化程度高,已在供暖、发电等多个领域广泛应用。我国生物质固体成型燃料燃烧设备目前正处于研究开发阶段,存在积灰结渣严重、燃料适应性差、污染物排放高、自动化程度低等问题。


②随着我国生物质颗粒燃料需求量的大幅增加及成型技术的日益成熟,生物质颗粒燃料将占有越来越大的市场份额,因此,须加紧研究与之相配套的、适应我国国情的秸秆类颗粒燃料燃烧设备,并进一步推广普及。


③针对现有设备积灰结渣严重等问题,可借鉴国外先进的燃烧技术,对燃烧设备的关键部件进行结构优化,降低积灰结渣程度,提高燃料适应性。


④应用先进的污染物控制技术,监控燃烧设备内部温度、气体浓度等变化,减少污染物排放,提高燃烧效率。


⑤设计自动进料系统,利用自动控制器件对设备的热量输出进行控制,满足用户需求,提高设备的自动化程度。

 

 

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