秸稈生物質燃料燃燒特性分析

1、第26卷第2期上海電力學院學報Vol .26,No .22010年4月Journal of Shanghai U niversity of E lectric Pow erAp r .2010文章編號:1006-4729(201002-0131-04秸稈生物質燃料燃燒特性分析收稿日期:2009-07-08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.E 2mail:2008pan wenrui.潘雯瑞,任建興(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院,上海200090摘要:通過分析秸稈生物質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

2、的秸稈生物質的結渣特性,總結了主要堿金屬以及氯對于生物質燃燒設備所產生的不利影響,并提出了相應的對策.關鍵詞:秸稈生物質;燃料特性;燃燒分析中圖分類號:S216.2文獻標識碼:AAnalysis of Straw Bi o mass Co mbusti on Characteristi csP AN W en 2rui,RE N J ian 2xing(School of Ther m al Po w er and Environm ental Engineering,Shanghai U niversity ofElectric Po w er ,Shanghai 200090,China

3、Abstract :The fact ors affecting the security and stability of combusti on are found out by the analysis of the stra w bi omass and the characteristics of coal fuel combusti on,and the slagging characteristics of rep resentative stra w bi omass are compared,the adverse effects of main alkali metals

4、andchl orine onbi omass combusti onequi pment areanalysed,andapp r op riatecounter measures are put f or ward .Key words :stra w bi omass;combusti on characteristics;combusti on analysis生物質是一種貯存太陽能的可再生能源,用現(xiàn)代技術可以轉化成固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料,在我國是僅次于煤炭、石油和天然氣的能源,并占有重要地位1.生物質資源包括薪柴、農林作物,尤其是為了生產能源而種植的能源作物,以及農業(yè)和林業(yè)殘剩物,食品

5、加工和林產品加工的下腳料,城市固體廢棄物、生活污水和水生植物等2.歐洲主要國家生物質能的開發(fā)利用均以豐富的森林資源為基礎.而我國有豐富的農作物秸稈資源,國內現(xiàn)有的生物質鍋爐主要以燃燒農作物秸稈為主,但由于我國秸稈生物質資源的開發(fā)利用尚處于起步階段,其中約有1.45×108t 用作畜牧飼料,9.1×107t 用作還田肥料,1.4×107t 用作工業(yè)原料,2.8×108t 作為農民傳統(tǒng)的生活燃料,余下的1.0×108t 左右在田間地頭被直接焚燒了,這不僅污染環(huán)境,還造成能源浪費3.因此,積極開發(fā)利用生物質能對解決能源短缺和協(xié)調環(huán)境發(fā)展有重要意義.1

6、生物質燃料特性分析根據發(fā)電燃燒的特點,農作物秸稈一般分為兩類:一類為黃色秸稈又稱軟質秸稈,主要包括麥秸、玉米秸和稻草等,在生物質秸稈燃燒應用中占很大比重;另一類為灰色秸稈又稱硬質秸稈,主要包括棉稈、麻稈等4.本文以我國常見的、有代表性的3種黃色秸稈(稻草、麥秸和玉米秸為研究對象,分析其燃料特性,并判別其燃燒過程中的結渣特性.通過表15,6和表26,7可以明顯看出,不同生物質的元素分析結果不同,灰分組成也有明顯的差異.表1常見生物質燃料和煙煤的工業(yè)成分分析及元素構成分析種類工業(yè)分析成分/%M daf A daf V daf C gd元素組成/%C daf H daf S daf N daf低位發(fā)

7、熱值Q y d w/kJkg-1生物質的揮發(fā)分含量較多,特別是玉米秸的揮發(fā)分高達70%,遠遠超過煙煤;生物質固定碳含量較低,不到20%,而煙煤的固定碳含量超過生物質的兩倍;另外,生物質的含硫量和熱值明顯低于煙煤.3種生物質中灰分含量相差很大,玉米秸的灰分含量最低,稻草的灰分含量最高,麥秸和玉米秸的灰分含量遠低于煙煤;生物質灰分中Si O2和Ca O含量較高,均超過煙煤,其中Si O2含量超過總灰分的50%;另外,生物質灰中的堿金屬氧化物(K2O+Na2O的含量遠遠高于煙煤.生物質灰熔點的高低和灰的成分有關,不同列出了灰分中常見化合物的熔化溫度.表3灰分中常見化合物的熔化溫度/化合物熔化溫度Si

8、 O21716 A l2O32043 Ti O21837 Fe2O31566化合物熔化溫度Ca O2521 Mg O2799 Na2O8001000 K2O8001000由表3可以看出,生物質中低熔點的成分(如Fe2O3含量越多,灰熔點就越低,而生物質中的K和Na可以降低灰熔點,Ca和Mg會提高灰熔點;Si元素在燃燒過程中容易與K元素形成低熔點化合物.生物質灰中的K,Na含量遠遠高于煙煤,所以灰熔點較低.無機元素的含量直接影響灰熔點.通過對生物質灰分的分析可以看出,生物質比煙煤的灰熔點低且易結渣.據實驗數據統(tǒng)計,木質生物質灰的熔融溫度為12001250,麥秸、農作物的熔融溫度為75011008

9、.各生物質的灰熔點如表4所示9.表4生物質的灰熔點/生物質變形溫度軟化溫度流動溫度麥秸9509801080由表4可以看出,生物質灰熔點從低到高的順序是麥秸、稻草、玉米秸.生物質特性對燃燒的主要影響有以下4點:一是含水量高、熱值低,產生的煙氣體積較大,排煙熱損失較高,因而爐膛溫度低,燃燒效率也較低;二是揮發(fā)分含量高,析出速度快,燃料在爐內能快速著火燃燒,燃燒時需補充大量空氣,否則會造成空氣供給量不足,難以保證生物質燃料充分231上海電力學院學報2010年燃燒,從而影響鍋爐的燃燒效率;三是固定碳的含量遠小于煙煤,由于固定碳的燃點高,其含量越高越難燃燒,因此生物質很容易燃燒;四是生物質燃料中的硫、氮

10、、碳含量較低,可以降低電廠S O2和NOx 的排放,CO2近似零排放.2生物質結渣特性的判別判定煤的結渣性能的主要依據有灰熔點(t2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.由于生物質灰與煤灰渣的差異較大,并非已有的判別煤結渣指數均能可靠地預測生物質結渣特性,如灰熔點判定法就不適合作為生物質燃料積灰結渣的指標10.目前,主要是根據灰成分,采用堿性指數、堿酸比的方法評價生物質積灰結渣的特性.2.1堿性指數堿性指數是根據生物質燃料的單位發(fā)熱量中的堿金屬氧化物(K2O+Na2O質量含量(kg/GJ的高低來判別生物質的結渣特性,堿性指數的計算式為:1 Q Y a f(Y a K

11、2O+Y a N a2O(1式中:Q燃料在干燥基和定容條件下的高位發(fā)熱量,GJ/kg;Y a f燃料中的灰分百分含量,%;Y a K2O ,Y a Na2O灰分中堿性氧化物(K2O,Na2O的百分含量,%.根據式(1的計算結果,其判別標準是當堿性指數小于0.17時,發(fā)生結渣的可能性極小;當堿性指數為0.170.34時,發(fā)生結渣的可能性增加;當堿性指數大于0.34時,發(fā)生結渣現(xiàn)象.2.2堿酸比判別生物質結渣特性的另一種方法為酸堿比,通過堿性氧化物(Fe2O3,Ca O,Mg O,K2O, Na2O與酸性氧化物(Si O2,Ti O2,A l2O3的比值來判別,表達式為:BA =Fe2O3+Ca

12、O+Mg O+Na2O+K2OSi O2+A l2O3+Ti O2(2式中,各種氧化物的分子式代表其在灰分中的百分含量.根據式(2的計算結果可以判別,當B/A<0.5時為低結渣傾向;B/A=0.51.0時為中等結渣傾向;B/A>1.01.75時為嚴重結渣傾向.根據上述結渣特性的判別方法對典型的秸稈生物質燃料和煙煤進行判別,相關計算結果如表5所示.表5常用生物質和煙煤的堿性指數和酸堿比生物質堿性指數/kgGJ-1酸堿比/%結渣性麥秸 1.070.615較強由表5可知,稻草的結渣性最強,其次是麥秸,玉米稈的結渣可能性較小.由堿酸比判別法得到的結果與堿性指數法相比存在一些差異,對于生物質

13、而言,說明用酸堿比判別法判別結渣特性有待進一步研究.3生物質鍋爐燃燒存在的主要問題生物質是清潔的可再生能源,這是生物質鍋爐發(fā)展的主要優(yōu)勢之一.然而由于秸稈生物質自身的燃料特性,以及堿金屬和氯的存在,使得生物質直燃鍋爐比燃煤鍋爐更容易產生積灰、結渣和腐蝕等問題.目前生物質利用中普遍存在的堿金屬問題,直接制約了生物質鍋爐的發(fā)展,這已引起國內外學者的廣泛關注.3.1主要堿金屬對結渣的影響結渣是個復雜的物理化學過程,其主要形態(tài)是以黏稠或熔融的沉淀物形式出現(xiàn),而造成結渣的一個重要原因是燃料層的溫度高于灰的軟化溫度.在燃煤鍋爐的燃燒過程中,過量空氣系數、爐膛溫度等參數對結渣率有重要影響,而生物質具有區(qū)別于

14、煤炭的燃料特性,除了以上參數的影響外,堿金屬特別是K,Cl,S元素對積灰結渣和腐蝕有重要影響.K元素在秸稈生物質中含量較高,主要形成氧化物、氯化物和硫酸鹽,這些化合物都表現(xiàn)為低熔點.當K及其化合物凝結在飛灰顆粒上時具有黏性和低熔點,K的凝結速度和擴散速率對灰粒熔點和黏性有著決定性作用6.Cl元素在生物質燃燒中起著傳輸作用,有助于堿金屬元素從燃料顆粒內部遷移到顆粒表面與331潘雯瑞,等:秸稈生物質燃料燃燒特性分析其他物質發(fā)生化學反應,而且Cl 元素有助于堿金屬元素的氣化,與堿金屬物質反應生成相對穩(wěn)定且易揮發(fā)的堿金屬氯化物6.另外,Cl 元素,特別是K 元素的化合物,還有助于增加無機化合物的流動性

15、.堿金屬,S,Cl 元素揮發(fā)出來,相互之間發(fā)生化學反應,然后以硫酸鹽或氯化物的形式凝結在飛灰顆粒和受熱面壁面上,多數硫酸鹽呈熔融狀態(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,沉積物數量及黏性也不斷增加.同時,還會發(fā)生氣體和沉積物灰渣本身的反應,使結渣層更厚.我國常見的3種秸稈生物質(稻草、麥秸和玉米秸的灰分(表2中,稻草的堿金屬氧化物(K 2O +Si O 2+S O 3含量約為88.2%,麥秸約為85.3%,玉米稈約為76.7%.通過以上堿金屬對結渣影響的分析可以看出,稻草的結渣性大于其他兩種秸稈.3.2氯對腐蝕的影響生物質燃料的Cl 含量比煤炭高,Cl 元素可以將

16、K 從穩(wěn)定的硅酸鹽中吸收出來,形成低熔點腐蝕性強的硫酸鹽.一方面,這些硫酸鹽在管壁上結成釉瓷狀的渣膜,該渣層在表面溫度升高融化時放出S O 3并向內外擴散,使管壁氧化層破壞;另一方面,這些硫酸鹽再吸收S O 3并與Fe 2O 3,A l 2O 3生成焦硫酸鹽6,該鹽通常在管壁溫度下呈熔融狀態(tài),對管壁的氧化膜造成腐蝕.另外,HCl 也是Cl 析出的一種重要形式,它對于金屬的高溫腐蝕有重要影響.發(fā)生氯腐蝕的原因是由于燃料中存在一定量的NaCl 和KCl,NaCl 在高溫下以氣態(tài)形式存在,在爐膛內發(fā)生如下反應:NaCl +H 2O Na OH +HCl 2NaCl +S O 2+12O 2+H 2O

17、 Na 2S O 4+2HCl 2NaCl +Si O 2+H 2O Na 2Si O 3+ 2HCl生成的HCl 使管壁氧化膜遭到破壞,生成氣化點很低的FeCl 2并隨即揮發(fā),從而使管壁金屬直接受到HCl 的腐蝕,同時,由于氧化膜遭到破壞,使得H 2S 也能到達金屬表面,加快了管壁金屬的腐蝕速度.由表2可知,稻草和麥秸灰分中的Cl 含量分別為1.2%和1.3%,而玉米則高達22.8%.可見,在玉米稈的燃燒過程中Cl 對腐蝕的影響會更加嚴重.4結束語我國的生物質直燃技術主要以燃燒農作物秸稈為主,而秸稈生物質的燃料特性和煤炭有很大差距,這些燃料特性導致不同生物質結渣特性的差異.在我國具有代表性的3類生物質秸稈(稻草、麥秸和玉米秸中,稻草的結渣性遠高于玉米秸,生物質中堿金屬和Cl 的含量會加劇結渣和腐蝕的可能.因此,研究生物質燃料特性有利于減輕燃燒中存在的結渣腐蝕等問題,并可促進生物質燃燒技術的發(fā)展.參考文獻:1鄧可蘊.21世紀我國生物質能發(fā)展戰(zhàn)略J .中國電力,2000,(9:82284.J .能源研究與信息,2005,21(1:15220.J .水利電力機械,2006,28(12:9213.4朱萬斌,邱化