生物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)

1、生物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)及燃燒設(shè)備李春榮韋錦然黃仁煥廣西口風能源發(fā)展有限公司摘要：生物質(zhì)的燃燒方式不合理將產(chǎn)生大量的煙塵和氮氧化物，加劇大氣污染，対形成霧霾天氣有 極大影響。推廣使川牛物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)和空氣分級的低no,旋流燃燒設(shè)備可以有效抑制氮氧化物 的形成，減少煙囪煙氣中煙塵和氮氧化物的含量。關(guān)鍵詞：清潔燃燒階段燃燒抑制氮氧化還原氮氧化物 co、hc燃盡排放0引言當前，在我國能源消耗的快速增長和環(huán)保要求的雙重壓力下，我國實 現(xiàn)節(jié)能減排目標正面臨著十分嚴峻的形勢，可再生能源替代化石能源勢在 必行。在水能、太陽能、風能、生物質(zhì)能的可再生能源行列中，生物質(zhì)能 的儲存量、加工、運輸、資源成本等因素是比較

2、符合現(xiàn)實市場需要的，由 于低硫或近似于無硫排放的清潔性，和低于水能、風能和太陽能的開發(fā)利 用成本的經(jīng)濟性，使資源豐富的生物質(zhì)再生能源再清潔新能源行列中擁有 無限的市場前景。在生物質(zhì)燃燒技術(shù)領(lǐng)域里，新技術(shù)、新材料、新設(shè)備不 斷涌現(xiàn)，在節(jié)能減排中發(fā)揮著十分重要的作用，開展生物質(zhì)燃料代油代煤 節(jié)能技改項目，可以節(jié)省用戶因環(huán)保耍求更換鍋爐而產(chǎn)生的巨額資金，還 可以有效實現(xiàn)節(jié)能、減排、環(huán)保三大目的。但就目前現(xiàn)狀，大部分的生物 質(zhì)燃燒方式（尤其是城區(qū)范圍內(nèi)小于10噸/時鍋爐）將會產(chǎn)生大量的煙塵 和氮氧化物，加重大氣污染，對形成霧霾天氣產(chǎn)生較大影響。推廣使用生 物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)和空氣分級的低nox旋流燃燒設(shè)

3、備可以有效抑制氮氧化 物的形成，減少煙塵和氮氧化物的排放量。1、生物質(zhì)固體燃料的燃燒特性及存在問題生物質(zhì)固體燃料主要有薪柴、秸桿、樹皮、鋸末、蔗渣等農(nóng)林業(yè)生產(chǎn) 邊角料及廢棄物，生物質(zhì)直接燃燒生產(chǎn)熱能的方式就是利用生物質(zhì)固體燃 料通過在薪爐、鍋爐中燃燒時行熱交換，燃燒過程中產(chǎn)生的熱能用于生產(chǎn)、 生活或再次轉(zhuǎn)換為電能。生物質(zhì)固體燃料在鍋爐中的燃燒過程存在以下 幾點問題：（1）未經(jīng)處理的生物質(zhì)燃料因為含水量高。如樹皮、蔗渣水份50% 以上，薪柴、刨花、刨板邊角料等含水量25-40%不等，燃燒時需要較高 的干燥溫度和較長的干燥時間，同時要吸收大量熱能，煙氣中含水量大， 對鍋爐熱交換產(chǎn)生極大影響，因而會

4、降低鍋爐岀力；（2）未經(jīng)壓縮的生物質(zhì)固體燃料密度小，結(jié)構(gòu)松散，熱值低，入料量 較難穩(wěn)定控制，因而造成爐內(nèi)溫度場偏低，難以組織穩(wěn)定的燃燒，鍋爐出 力不穩(wěn)定。（3）揮發(fā)份高，固定碳含量低，含氧量高，著火溫度低。生物質(zhì)燃料 （干基）在250°c-350°c時揮發(fā)份大量析出并劇烈燃燒，而固定碳含量低,在燃燒過程中受到外層已燃灰燼的包裹后焦碳顆粒難以燃盡，易造成大量 熱能流失并污染空氣。（4）鍋爐爐膛溫度高，生物質(zhì)燃料中的堿金屬和氯熔解結(jié)焦，對鍋爐 對流管和鍋筒腐蝕問題突出。（5）在鍋爐爐膛高溫富氧氛圍中，生物質(zhì)燃料中析出的氮與氧結(jié)合產(chǎn) 生大量no和no?,形成氮氧化物排入大氣。綜上

5、所述，生物質(zhì)燃料直接燃燒燃料利用率低、煙氣含塵量大、氮氧 化物含量高，對環(huán)境影響程度大、大氣污染嚴重。有鑒于此，國家環(huán)保部 在環(huán)發(fā)2001j37號文關(guān)于劃分高污染燃料的規(guī)定中將直接燃用的生物 質(zhì)燃料（樹木、秸稈、鋸末、稻殼、蔗渣等）列為高污染燃料。2、氮氧化物的危害和生成機理氮氧化物是酸性氧化物，是造成霧霾天氣的原因之，形成的酸雨酸 霧污染大氣，與空氣中的碳氫化合物結(jié)合形成光化學(xué)煙霧，同時參與臭氧 層的破壞。氮氧化物（nox）對人體和動植物都有極大的傷害作用，吸入 人體可能引起呼吸道疾病、皮膚和粘膜病變；對植物葉面產(chǎn)生破壞，造成 植物腐爛、發(fā)黃、病蟲害增加、導(dǎo)致農(nóng)作物大幅度減速產(chǎn)。煙囪排放的氮

6、氧化物稱之nox，由約95%的no和5%的no?所組成， nox排放對于所有利用空氣的燃燒過程是相同的。由于空氣中氮的重量占 四分之三以上，所以燃燒空氣是形成nox的基本因素，nox是由于燃燒過 程中的多種反應(yīng)產(chǎn)生的。氮氧化物的兩個主要來源是燃料型nox和熱力型 nox，燃料型nox是由燃料加熱后析出氮氧化形成的，但如果燃料中氮的 釋放是在無氧或欠氧氛圍中發(fā)生的，則nox的形成能受到抑制;熱力型nox 是由燃燒空氣中的氮氣同有效的氧氣之間的反應(yīng)生成的，但只有燃燒溫度 達到1500°c以上時才會迅速形成，如果燃燒溫度低于1500°c則no,的形成 會受到抑制。3、生物質(zhì)清潔燃

7、燒技術(shù)生物質(zhì)能源是口然界中存量最大、成木故低的可再生能源，而生物質(zhì) 直接燃燒是生物質(zhì)能最廉價、最方便的利用方式，只要解決了生物質(zhì)燃料 直接燃燒中存在的燃料利用率低、煙氣含塵量大、氮氧化物含量高三個主 要因素，生物質(zhì)能源的利用將會有長足發(fā)展。用物理方法將生物質(zhì)經(jīng)干燥、粉碎、壓縮成型，密度0.8-13,作為 燃料后其中水份可以降低至8-25%,可以解決生物質(zhì)直接燃燒過程中燃料 干燥時間長、燃燒不充分、鍋爐出力不足、煙氣含塵量大的問題。但由于 生物質(zhì)燃料（包括壓縮燃料）在普通燃煤鍋爐中的燃燒方式為層燃-半裂 解燃燒，需要在高溫富氧氛圍中進行，燃料中的氮析出后迅速氧化形成 n0xo如前所述，對燃燒區(qū)域

8、nox的形成，兩個最重要的影響因素是氧氣 和溫度，其次燃料和空氣的比例、富氧燃燒的時間對nox的形成也有很大 的影響，因此合理控制燃料一空氣一溫度一時間的比例是控制nox形成的 關(guān)鍵因素，顯然生物質(zhì)燃料（包括壓縮燃料）在普通燃燒機和普通鍋爐中 是難以做到的，需要在專門設(shè)計的低nox燃燒器（燃燒機或鍋爐）中才能 實現(xiàn)。生物質(zhì)清潔燃燒采用階段燃燒方式來合理控制燃料一空氣一溫度一時 間的比例，達到提高燃料利用率、降低煙氣中煙塵和nox含量、清潔排放 的目的。（1）第一階段燃料在250°c-400°c低溫中裂解，在缺氧氛圍中燃燒。 該燃燒區(qū)域內(nèi)的燃燒狀態(tài)在燃料富集、氧氣不足的工況下

9、進行，由于氧氣 不足，火焰溫度較低，燃料中析出的氮生成的nch和nh3等很難與空氣中 的氧反應(yīng)形成nox, nox生成就較少。(2) 第二階段燃料在第一階段中裂解燃燒而末燃盡的揮發(fā)份和固 定碳400°c-600°c中溫、缺氧氛圍中繼續(xù)燃燒，火焰在欠氧氛圍中述原已 經(jīng)生成的nox為n2n在第二階段末適當補充空氣，使火焰中的可燃氣體 和炭粒在足氧氛圍中燃燒。(3) 第三階段 在避開第二階段焰區(qū)的同時補充過量空氣，使火焰 在高溫富氧氛圍下進行第三階段燃燒，第二階段末燃盡的揮發(fā)份和炭粒燃 盡，完成燃燒過程。盡管在此階段燃燒過程中仍然會生成nox,由于火焰在 爐膛內(nèi)燃燒時間極短，限制

10、nox主成，其結(jié)果就是減少了 nox的排放量。有實驗數(shù)據(jù)表明，生物質(zhì)燃燒過程中采用三次配風、階段燃燒的方式, 可有效降低煙氣中nox的質(zhì)量濃度，在合理的配風工況下，nox的排放濃 度最低位可以達到83.45mg/m3(11o4、生物質(zhì)清潔燃燒機的設(shè)計原則生物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)就是通過固定碳燃盡、抑制nox形成的燃燒方式 達到清潔排放的目的。廣西日風能源發(fā)展有限公司參照美國b&w低nox 旋流煤粉燃燒器原理、根據(jù)生物質(zhì)的燃燒特性研發(fā)出一種生物質(zhì)清潔燃燒 機，其設(shè)計原則就是從生物質(zhì)燃料的燃燒特性與生物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)出 發(fā)，對燃燒機的爐內(nèi)空氣場、溫度場、過量空氣系數(shù)、受熱面分配等進行 全面、合理

11、的布置。生物質(zhì)清潔燃燒機對燃料的選擇、助燃空氣的溫度、 各階段焰區(qū)的供氧量、燃燒方式均有嚴格的考量。(1) 燃料選擇 選取經(jīng)t燥、粉碎處理的粉狀生物質(zhì)為燃料，要求含 水量w15%、粒徑因為粉狀物體表面積比大、水份低，在缺氧氛 圍中300°c-400°c時揮發(fā)份仍可大量析出并燃燒；在采用半裂解、全懸浮 方式燃燒時可以通過分級供氧方法來控制和布局燃燒機的爐內(nèi)空氣場、溫 度場，這是其他形態(tài)的生物質(zhì)燃料無法做到的。（2）助燃空氣 低nox旋流燃燒機的助燃空氣溫度需用常溫空氣。 雖然回收鍋爐尾氣作為助燃空氣可以提高爐內(nèi)溫度、節(jié)約燃料，但也有可 能增加nox的排放，有資料顯示，在生物質(zhì)

12、燃燒過程中，當燃燒空氣的溫 度從27°c預(yù)熱到315°c時，nox排放量增加3倍。（3）燃燒方式 低nox旋流燃燒機釆用分級供氧、階段燃燒、缺氧 裂解、高溫燃盡的燃燒方式，通過合理控制燃料一空氣一溫度一時間達到 提高燃料利用率、降低煙氣中煙塵和nox含量的冃的，有試驗數(shù)據(jù)顯示， nox的煙囪排放量低至450 mg/m331o5、低nox旋流燃燒機的工作機理燃燒機的給料及各級配風均釆用變頻控制技術(shù)，可根據(jù)燃料的性質(zhì)和 工況隨時調(diào)整、控制給料量和供氧量，調(diào)整各焰區(qū)溫度和火焰停留時間， 從而抑制nox形成和還原已形成的nox。（1）燃料從噴咀進入燃燒機內(nèi)，送料風機進行第一次供氧并

13、形成旋 流，供氧量為燃料燃燒需氧量的65%,燃料在富料、缺氧氛圍中進行第一 階段裂解并燃燒形成第一焰區(qū)，一焰區(qū)溫度在250°c-400°c之間。由于低 溫缺氧，燃料中析出的n轉(zhuǎn)化為nox的程度極低。（2）第一焰區(qū)的火焰在一次風的作用下以旋流懸浮方式進入第二階 段燃燒形成第二焰區(qū)，由于一焰區(qū)燃燒已經(jīng)耗去大量氧氣，二焰區(qū)在深度 缺氧氛圍中進行不完全燃燒，溫度在400°c-600°c之間，形成低氧還原區(qū), 還原已生成的nox。風機在燃燒機噴火口處進行第二次供氧，將燃料燃燒 需要的其余35%空氣輸入二焰區(qū)末端，在二次供氧助燃的作用下，從燃燒 機噴出的火焰溫度達到

14、900°c-1100°c（3）第二焰區(qū)火焰從燃燒機噴火口噴入鍋爐爐膛進行第三階段燃燒 形成第三溫區(qū)。風機在鍋爐爐門或爐排處進行第三次供氧，將燃料燃燒需 要的過量空氣輸入鍋爐爐膛內(nèi)助燃，在燃燒機內(nèi)末燃盡的可燃氣體和固定 碳在鍋爐爐膛內(nèi)再燃燒并燃盡，完成整個燃燒過程。三溫區(qū)溫度在noo°c -1300°c之間，在燃燒過程中仍會生成少量nox,該溫區(qū)的溫度和nox生成量與過量空氣系數(shù)成指數(shù)關(guān)系，過量空氣系數(shù)低，則溫度升高、nox生成 量低，過量空氣系數(shù)高則溫度降低、nox生成量高，過量空氣系數(shù)可通過 第三次供氧量來控制。燃燒機鍋爐-1 燃料/一次風入口乙一焰區(qū)

15、3二焰區(qū)4噴火口/二次風入口 5爐門/三次風入口 6三焰區(qū)圖例： 比少 燃料和一次風形成旋流|(4) 由于燃料的裂解和燃燒基本上是在燃燒機內(nèi)進行的，燃料中的 堿金屬和氯熔解結(jié)焦過程均在燃燒機爐膛內(nèi)完成，不會在鍋爐爐膛內(nèi)結(jié) 焦，對鍋爐對流管和鍋筒沒有影響。二次風和三次風風向生物質(zhì)清潔燃燒機與鍋爐對接運行示意圖6、生物質(zhì)清潔燃燒機運行實踐廣四日風能源發(fā)展有限公司于2012年11月對廣四大學(xué)農(nóng)大食品廠 3t/h燃油鍋爐進行改造運行，改用生物質(zhì)粉狀燃料，使用由廣西日風能源 發(fā)展有限公司研發(fā)的*物質(zhì)清潔燃燒機與鍋爐對接運行。連續(xù)運行-年后 于2013年12月20日委托廣西綠保環(huán)境監(jiān)測有限公司對鍋爐運行情

16、況進 行檢測，檢測結(jié)果為鍋爐煙囪排放物達標?，F(xiàn)將部份有關(guān)檢測數(shù)據(jù)附下：表7.1-1鍋爐廢氣監(jiān)測結(jié)果監(jiān)測日期監(jiān)測點位監(jiān)測項目單位監(jiān)測結(jié)果執(zhí)行標準值達標情況inm范圍/均值12月30日除塵后過量空氣系數(shù)3. 002. 882. 922. 93標況干煙氣量m3/h4069377744934113煙塵實測濃度mg/m330.624.225.326.7煙塵排放濃度mg/m351.038.74143.6200達標煙塵排放量kg/h0.120. 090.110.11s02實測濃度mg/m3<15<15<15<15s02排放濃度mg/m3900達標s02排放量kg/hnox實測濃度mg

17、/m3271280287279nox排放濃度mg/m3452448466455達標nox排放圭kg/h1. 101.061.291.15煙囪出口處煙氣黑度級<1<1<1<11達標表8.7-1鍋爐廢氣污染物排放總量情況表鍋爐廢氣排放污染物煙塵so2nox排放速率（kg/h）0.101.29排放時間（h/a）240024002400年排放量（t/a）0.24<0. 153.10批復(fù)總量控制指標年排放量（t/a）1.24.7總量控制達標情況達標達標從檢測結(jié)果可知，該項目鍋爐廢氣經(jīng)旋風除塵+布袋除塵器處理后， 煙（粉）塵排放濃度、氮氧化物排放濃度、二氧化硫排放濃度和煙氣黑