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生物質燃料燃燒特性與應用

關鍵詞：生物質燃料、燃燒過程、特性、應用、鍋爐

摘要：生物質燃料是一種可再生能源，介紹其組成成分，燃燒的一般過程和特點。根據多種典型生物質燃料的基本組成，著重分析介紹了生物油的燃燒過程、性能特點及在動力機械中的應用。以鍋爐為例具體分析玉米秸稈在其中的層燃燃燒過程和特性。分析總結了生物質燃燒對鍋爐的影響。

1、 前言

生物質燃料是一種可再生能源，是指依靠太陽光合作用而產生的各種有機物質，是太陽能以化學能的形式存在于生物之中的一種能量形式，直接或間接地來源于植物的光合作用。被認為是第四大能源，分布廣，蘊藏量大。

生物質燃料基本特性

生物質的種類很多，一般可分以下5大類： ①木質素：木塊、木屑、樹皮、樹根等； ②農業廢棄物：秸稈、果核、玉米芯、甘蔗皮渣等； ③水生植物：藻類、水葫蘆等； ④油料作物：棉籽、麻籽、油桐等；⑤生活廢棄物：城市垃圾、人及牲畜的糞便。

生物質作為有機物燃料是由多種復雜的高分子有機化合物組成的復合體，化學組成主要有：纖維素、半纖維素、木質素和提取物等，這些高分子物質在不同種類生物質、同一種類生物質的不同區域其組成也不同，有些甚至有很大差異。

生物質的可燃成分主要是有機元素如碳、氫、氮和硫，雖然就元素的成分而言，生物質燃料的成分和常規燃料煤炭基本上沒什么區別，但正是各成分在數量上的差異導致了生物制燃燒產物與煤炭的差異。生物質的碳含量普遍在 50%左右，低于普通的煙煤，而氫含量則高于煙煤，尤其是揮發份和氧含量遠遠高于普通煙煤，氧含量超過煤10倍左右。由于生物質燃料的可燃組分含量相對比較低，因此生物質燃料的低位發熱量比一般煙煤低。在著火燃燒性能方面，生物質燃料的揮發份含量遠遠高于普通煙煤，導致著火燃燒性能明顯高于普通煙煤。在燃燒污染物生成排放方面，生物質燃料的硫含量僅為0.1 %左右，含氮量和理論氮氣容積也低于煙煤，所以總的 SO2和NOx生成量都遠低于煙煤。根據秸稈生物質燃料高揮發分、高氧量、低硫份和灰份的基本特性，因此相對于煤炭而言，秸稈生物質具有易燃、清潔環保的特點。

2、生物質燃料：

2.1生物質燃料燃燒過程分析：

生物質燃料的燃燒過程主要分為揮發分的析出、燃燒和殘余焦炭的燃燒、燃盡兩個獨立階段。其燃燒過程的特點是：【1】

(1)生物質水分含量較多，燃燒需要較高的干燥溫度和較長的干燥時間，產生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高。

(2)生物質燃料的密度小，結構比較松散，迎風面積大，容易被吹起。懸浮燃燒的比例較大。

(3)由于生物質發熱量低，低位發熱值約為12．6 MJ／kg，爐內溫度偏低，組織穩定的燃燒比較困難。

(4)由于生物質揮發分含量高，燃料著火溫度較低，一般在250～350℃溫度下揮發分就大量析出，并開始劇烈燃燒，此時若空氣供應量不足。將會增大燃料的不完全燃燒損失。

(5)揮發分析出燃盡后，受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，焦炭顆粒燃燒速度緩慢，燃盡困難，如不采取適當的措施，將會導致灰燼中殘留較多的余碳，增大機械不完全燃燒損失。

目前，生物質的利用技術主要有生物質的氣化發電、熱解液化和直接燃燒發電等。在實際應用過程中，生物質直接燃燒發電應用較為廣泛，直接燃燒技術是最簡便可行的高效利用生物質資源的方式之一。 生物質直接燃燒是將生物質直接作為燃料燃燒，燃燒產生的能量主要用于發電或集中供熱等。

2.2、生物質直接燃燒具有如下特點:【2】

一、 生物質燃燒所釋放出的 CO2大體相當于其生長時通過光合作用所吸收的CO2，因此可以認為是CO2的零排放，有助于緩解溫室效應；

二、 生物質的燃燒產物用途廣泛，灰渣可加以綜合利用；

三、 生物質燃料可與礦物質燃料混合燃燒，既可以減少運行成本，提高燃燒效率，又可以降

低SO2、NOx 等有害氣體的排放濃度；

四、 采用生物質燃燒設備可以實現各種生物質資源的減量化、無害化和資源化。 由于生物質燃料特性與化石燃料不同，從而導致了生物質燃料在燃燒過程中的燃燒機理、反應速度以及燃燒產物的成分與化石燃料相比也都存在較大差別，表現出不同于化石燃料的燃燒特性。生物質的 n(H)／n(C)比和n (O)／n(C)值均比煤要高，而且生物質的幾種主要成分中半纖維素在分解，纖維素在分解，木質素在分解 ，因此其著火特性與煤相比存在差異生物質的直接燃燒利用技術，一般是將生物質進行成型預處理，尤其是秸稈類生物質。成型技術是指在一定溫度、壓力下，將分散的、沒有一定形狀的生物質壓制成具有一定形狀、密度較大的成型燃料。生物質成型工藝為：秸稈收集—干燥—破碎—熱壓—成型。成型燃料其密度可達，便于貯存和運輸,燃燒性能好。

為了研究生物質燃料與煤炭著火燃燒特性的差異，以生物油為例進行說明。

生物油性質：

生物油是由不同組分組成的混合物．它是由生物質中的纖維素、半纖維素和木質素解聚和分裂而成。因此，生物油和化石燃料油的元素組成是不同的。與化石燃料油相比。生物油中水分多。氧元素含量較高，粘度較高，密度大，殘炭率高，pH值小，碳元素、氫元素和硫元素含量較低。生物油巾含有酸、醇、醛、酮和酚類等400多種有機物，它們在長時間存放或加熱后會發生化學反應，因此生物油儲存穩定性較差且易老化【3】

生物油燃燒特性：

生物油的理化性質對其燃燒行為有相當大的影響。由于不揮發組分的含量較高，因此生物油是可燃的，但不是易燃的。生物油十六烷值為13—14，熱值約為柴油的1/2。理論上講，生物油可以替代化石燃料成為熱力設備的燃料。

2.3、生物油燃料特性較差：

1、點火困難。生物油中水分、氧元素含量較高，不能壓燃，可用火焰引燃。可采用輕油和生物油雙燃料供應管路。利用輕油燃燒釋放出熱量引燃生物油，也可將十六烷值高的燃料與生物油混合或乳化進行直接燃燒。如何轉化利用生物油中過多的氧是一個亟待解決的問題。

2、設備結焦和腐蝕問題。生物油粘度大。其SM0(沙脫平均直徑。為生物油噴霧霧滴的體積之和與表面積之和的比值)較大，存在燃燒不完全、易析出碳、燃燒器頭部易結焦、管壁易積灰等問題。生物油密度大，火焰輻射面增大，燃燒器頭部

溫度升高，噴嘴更易結焦、堵塞。采用預過濾生物油、加強油霧與空氣的混合、經常更換或清洗噴嘴等方法可解決上述問題。生物油pH值較低，酸性強，在燃燒室內和燃氣輪機葉片上易出現嚴重的腐蝕現象，可將生物油醇酯化后進行燃燒，燃燒設備材料也應更換為耐酸性強的不銹鋼材料。

3、霧化質量問題。生物油粘度大，密度高，殘炭率高．因此應采用預過濾生物油，提高噴射壓力，預熱生物油的方法，降低生物油的粘度，減小液滴尺寸，提高生物油霧化質量，但噴霧量增加，噴霧角度減小，噴霧沖擊力提高。噴嘴磨損加劇。生物油霧化得越細，越有利于蒸發、混合，還能縮短燃燒時間．因此應選擇孔徑較小的噴嘴，并增加噴嘴的數量。

4、合理配置風量問題。生物油中碳、氫元素含量較少，保持一個合理的空氣過量系數十分重要。根據鍋爐爐膛氧量表和排煙氧量表及風量表的變化情況．調整風門開度和油閥開度。通過調節柴油機噴油提前角來調節滯燃期和預混合油量，可以提高生物油燃燒效率。通過燃氣輪機燃料控制系統可以調節燃料供應量，通過進氣導流葉片，可以調節進氣流量。

3、目前生物油燃燒的應用研究：

主要有鍋爐燃燒、柴油機燃燒、燃氣輪機燃燒、斯特林發動機燃燒。

3.1、柴油機燃燒：

柴油機熱效率高。經濟性好。中低速柴油機可以使用低品質的燃料。生物油在柴油機中很難壓燃，柴油機噴射系統出現嚴重的磨損、積炭現象，運行不穩

定，技術上存在很大的障礙。目前主要考慮生物油與其它燃料混合或乳化后在柴油機中的燃燒，而須對柴油機的燃料供應系統和噴射系統進行必要的改造，混合生物油或乳化生物油才能滿足柴油機連續運行的特性和煙氣排放量的要求。

3.2、燃氣輪機燃燒：

燃氣輪機具有效率高、功率大、體積小、運行成本低和使用壽命長等優點。采用燃氣輪機燃燒生物油發電一直是研究人員希望實現的目標。相

關試驗研究表明，燃用生物油后，燃氣輪機運行負荷范圍變小．燃燒腔和葉片出現積炭現象，要對燃氣輪機燃料供應系統進行必要的改造才可以滿足其連續運行的要求。

3.3、鍋爐燃燒：

與柴油機和燃氣輪機相比．鍋爐熱效率較低，燃料適應性較廣只須對鍋爐燃料供應系統進行必要的改造，生物油就能滿足鍋爐連續運行的特性和煙氣排放量的要求，技術上完令可行。生物油和煤共燃不會對鍋爐和設備產生不利的影響，且煙氣排放量減少，最有可能得到大規模應用。

4、玉米秸稈生物質在鍋爐中的層燃燃燒過程分析：【4】

玉米秸稈的燃燒過程主要包括：水分蒸發、揮發分的析出及燃燒和固定碳的燃燒等。隨著升溫速率的提高，著火溫度有較大的增加，揮發分析出和固定碳的燃燒最大時對應的溫度增加較小，燃盡溫度增加最大；DTG．T曲線中揮發分燃燒失重峰項值增加變快，并且最大燃燒速率Vl對應的溫度逐漸變大，燃燒失重峰向后偏移；升溫速率從20℃/min再增加時第二個燃燒失重峰峰頂值和升溫速率關系不大；DTA．T中的兩個放熱峰逐漸向后偏移。玉米秸稈的燃燒過程存在低溫和高溫區間，低溫區的活化能不到高溫區的一半，說明在低溫區只需要較少的熱量就能夠使燃燒反應發生而高溫區則需要的熱量更多：從頻率因子來看，高溫區的燃燒反應要比低溫區劇烈的多；隨著升溫速率的增大，活化能變小，頻率因子也變小；利用雙組分分階段反應模型能夠針對玉米秸稈在不同的溫度區間內運用不同的反應級數描述其反應過程，在低溫區反應級數為一級，而高溫區反應級數為三級。隨著溫升速率的升高，玉米秸稈的最大熱解速率增加較快，同時較高溫升率下的熱解速度也比較低的熱解速率快，有利于揮發分的析出；熱解初析溫度逐漸降低，析出變得更容易；揮發分最大熱解速率逐漸變大，并且變大的越來越快，造成揮發分析出時越劇烈；最大熱解速率時對應的溫度也是變大的，說明較高的溫升率造成DTG曲線失重峰滯后現象；熱解過程中達到最大熱解速率時所需要的時間是迅速變小，說明較高的溫升率利于揮發分的迅速析出。隨著升溫速率的增加，玉米秸稈的活化能將變大，則所需較多的熱量才能夠使秸稈熱解；頻率因子變大但數量級完全相同，則提高熱解時的溫升率能夠使反應更加劇烈，所以較高的溫升率有利于揮發分的快速析出。玉米秸稈的熱解反應為一級的，反應機理方程為f(a)=(1一a)。

玉米秸稈燃燒時能形成兩個燃燒失重峰，前一個為燃燒揮發分的燃燒失重峰，后一個為燃燒固定碳的燃燒失重峰，并且由玉米秸稈的工業分析知道其揮發分含量67％和約17％的固定碳，這就決定了玉米秸稈在鍋爐內剛剛燃燒時，需要迅速提供足夠的氧氣才能夠使揮發分充分燃燒，并且還要有足夠的氧氣使燃燒揮發分后的剩余碳能夠完全燃燒，這就要求爐內有及時的供風系統保證。由于燃料的含水量一般較大并且在進入爐膛前未被加熱干燥，所以進入爐膛的燃料溫度為周圍環境溫度。燃料在三級給料機的推擠下進入爐膛，落在散料管道上散開，隨后在爐膛內高溫煙氣的輻射及熾熱的火焰的直接傳熱下將燃料加熱迅速升溫，析出水分、揮發份、當達到著火溫度后開始著火燃燒，在這個過程是比較短暫的需要大量的熱量。在振動爐排的振動作用下，燃料散開并向爐排后側滾動燃燒；同時從爐排下側補充一次風，滿足燃燒的需要：從爐排上側補充二次風，一方面將火焰壓住，避免火焰過分上飄；另一方面，及時供氧，保證燃料充分燃燒和燃盡，保證鍋爐運行的經濟性。燃料燃盡形成灰渣以后，在爐排的振動作用下排出爐外，生成的高溫煙氣通過各受熱面降溫以后，通過除塵器除塵以后排入大氣。

在燃燒過程中，可以通過調節燃料量的多少、調節爐排的振動頻率和振動時間，一、二次風門開度分配風量大小、送引風機的入口調節擋板進行調節送風大小和爐膛負壓，達到對燃燒控制的目的。

5、生物質燃料燃燒對鍋爐的影響：

由于生物質燃料燃燒過程與煤存在差異：生物質燃料密度小，結構松散，揮發分含量高，揮發分在250—350℃溫度下大部分析出；揮發分析出后疏松的焦炭容易隨著氣流進入煙道，所以通風不能過強；揮發分燃盡后，受到灰燼包裹的焦炭較難燃盡。所以生物質燃料鍋爐的設計要結合生物質燃燒的特點，如爐膛容積要大，燃燒擾動要充分，爐膛內受熱面布置要充分。為了保證鍋爐運行的安全性和經濟性，鍋爐本體各部分形狀、尺寸、相對位置都有一定要求，并且在受熱面的某些部位還應保證一定的煙氣和工質參數，諸如溫度、壓力、流速等，其中，爐膛形狀和容積大小對鍋爐安全經濟運行有很大影響。直接采用DzL型層燃燃煤鍋爐會出現：爐膛容積過小，容積熱負荷過大；爐膛出口溫度過高；煙氣量增加、流速過快，熱交換過強 。【5】

鍋爐的改造可增加爐膛容積，考慮設置前置燃燒室或者在爐膛內增加輻射受熱面和對流受熱面，還可以減小爐膛出口的喉口面積，在出口部位裝設向前吹的二次風，增加燃料在爐內的停留時間，加強擾動使焦炭燃盡。另外還應當減小鼓

風量，防止鍋爐超負荷運行。

6、結論：

生物質是一種可再生能源被認為是第四大能源，我國是一個農業大國，生物質資源分布廣，蘊藏量大，理論上生物質資源每年可達650億噸以上，對環境污染小，具有很好的開發利用前景。在我國可以作為能源利用的生物質主要包括各類秸稈、薪柴、禽畜糞便、生活垃圾和有機廢渣廢水等，其中具有典型意義的是各類秸稈。在相同條件下，秸稈燃料與煤炭的燃燒特性差異較大，燃燒所需的空氣量、三原子氣體生成量和煙氣中氮氣量均明顯低于煤炭。生物質燃料燃燒特性與煤相比較差，需要燃燒設備作相應改進，主要應用于對燃料適應性廣泛的鍋爐。秸稈的直接燃燒利用一般需經過預先成型處理，成型處理后的秸稈便于運輸，能夠滿足爐排鍋爐燃燒利用的要求。

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