生物质燃料低位热值的估算与应用

生物质燃料低位热值的估算与应用

【摘要】本文根据生物质燃料在锅炉燃烧过程中的燃烧特性及相关原理，对生物质燃料的低位热值（Qar，net或LHV ）进行估算，为收购燃料、合理定价以及生物质燃料的有效利用提供参考。

【关键词】生物质燃料估算低位热值收购燃料合理定价燃料有效利用

随着世界能源结构多元化、高效化、清洁化的开发和利用，生物质以其低碳、可再生的特点受到人们的重视，以生物质能源为燃料的锅炉也应运而生。

燃料的发热量是燃料的一个很重要的特性，它是单位质量的燃料完全燃烧时所能释放出的最大发热量，发热量的高低取决于其化学组成以及可燃成分的多少，并与燃烧条件有关，发热量是衡定燃料质量的重要指标。

生物质是由纤维素、粗纤维素、木质素的碳水化合物、粗蛋白、蛋白酶、以及与微量元素等共同组成多种复杂高分子有机化合物的复合体。自然环境下生物质燃料都含有一定量的水分，因种类的不同而变化。生物质中的水分以不同的形态存在，即化合结晶水、内在水分和外在水分。化合结晶水用于生物质的合成。内在水分以物理化学结合力被吸附在生物质内部的毛细管中，其含量比较稳定，一般5%左右；由于内在水分所处的位置结构其水分的蒸汽压力小于同温度下纯水的蒸汽压力，所以在常温下很难除去，必须在105℃至110℃下用加热干燥设备才能除去，是一个较为恒定值。生物质的外在水分以机械吸附携带方式存在于生物质的表面、结构间隙以及较大毛细孔中，与其运输和储存紧密相关。外在水分可用自然干燥法除去，在自然环境条件下，生物质燃料的外在水分不断蒸发，直到外在水分的蒸汽压力与空气的水蒸汽压力相同时，达到气液两相平衡，此时失去的水分是外在水分，但失去水分的多少决定于相伴空气的温度和空气的相对湿度，随自然环境的变化是一个相对的变量，所以外在水分是一个相对值而不是一个绝对值。一般来讲，水分是生物质燃料中的杂质，它即增加了运输和设备运行与检修中的费用、又降低生物质燃料的热值等。

燃料热值的高低取决于燃料中含有可燃成分的多少，但是，燃料的发热量（热值）并不等于可燃组成的C、H、S发热量的代数和。因为它们是在生长过程中通过光合作用等有机合成的产物，并于生物质的种属，植物的部位、生长地域、环境条件等有关。对于生物质燃料高位热值的测定通过常用的元素分析法不仅十分繁琐而且设备复杂，必须有专业的化学实验室来完成。在实际操作中，对于工厂技术人员，用门捷列夫经验公式估算和氧弹量热器来测定燃料热值并不实用，又没有较为成熟的经验公式。

燃料的热值分为高位热值HHVdaf由专业化实验室测得和低位热值（净热值）LHV。HHVdaf是燃料实际最大可能发热量，它是挥发份和固定碳的燃烧反应热之和。燃料燃烧后烟气中的水蒸汽包含了燃料中元素H在燃烧时与氧气反应生成的水蒸汽、燃烧过程中燃料的内在水分和外在水分形成气相的水蒸汽、冷

空气中的过热水蒸汽。实际应用中燃料在燃烧设备燃烧后产生的高温烟气，通过尾部换热面时的温度仍相当高，一般都在100℃以上，，而且水蒸汽在烟气中的分压力又比大气压力低，所以此时燃烧反应产物中的水和燃料中携带的全水份仍然都是气相的饱和蒸汽或过热蒸汽，不能凝结成液相的水。为了有效地防止低温腐蚀，这部分汽化潜热就无法利用，而被排入大气，燃料的实际可利用热值就减小，所以从燃料高位热值HHVdaf中扣除掉这部分水蒸汽的汽化潜热，再减去灰渣热焓（无冷渣系统）后，就得到所能利用的净热值LHV。

由于生物质各种属燃料的有机物物质成分变化范围较小，工业分析中只要查出专业实验室对各种生物质燃料的高位热值HHVdaf（见表）的测定值，再测定出生物质燃料的全水分、全灰分、知道灰分的比热容，就可较准确地估算出单位质量的生物质燃料可利用的低位热值LHV，生物质的低位热值可以用以下公式进行估算：

LHV=HHVdaf（100%-Mar-Aar）-25M`ar-Am×C×Δt

式中：HHVdaf—生物质燃料的高位热值kJ/kg

Mar—水分收到基质量分数%、

Aar—灰分收到基质量分数%

Am—每公斤生物质燃料含灰分质量Kg

C —灰分的比热容kJ/kg℃

Δt—灰渣温度与环境温度的温差℃

M`ar—水分收到基百分数%

25M’ar-1大气压下水分收到基转化蒸汽热焓KJ/Kg燃料

几种主要生物质燃料的高位热值单位KJ/Kg（如表1）

灰分的比热容 C

干泥土0.879 kJ/kg℃砂石0.921kJ/kg℃

影响生物质的燃烧特性因素.有挥发份V固定碳C水分M

灰分A等；燃料的（燃烧热）热值来源于挥发份、固定碳的燃烧反应热；其燃烧机理基本与煤相同，不同之处生物质固定碳燃烧多为剥落性燃烧。灰分视为生物质中不能燃烧的矿物杂质，它可分为两种即生物质自身结构的矿物质和在采取、运输、储存过程中的生物质所携带的外部杂质。灰渣是在生物质燃烧或在

空气中经过一系列的分解，化合等复杂反应后所剩余的残渣。在生物质的燃烧过程中，少量的飞灰对燃烧有催化作用（石英砂除外），有助于加强有焰燃烧与相间的能量传输；但随着灰分含量的增大，使单位质量的可燃物质的含量相对减少很多，相应燃料的热值减少就越多，并降低燃烧温度，阻碍燃烧过程中的辐射传热，降低燃烧速度，包裹焦炭颗粒，阻碍氧气向焦炭内部扩散，增大机械不完全燃烧热损失；并在燃烧过程中的热泳、惯性碰撞、以及烟道、尾部换热面的凝结，化学反应过程中，增加受热面与换热面的积灰、磨损和腐蚀，使排烟飞灰热焓增大等。所以一般视灰分为生物质燃料中的渣质，增加运行费用。

在生物质燃烧的热解过程中分为水分析出阶段、分子断链热分解阶段和缩聚阶段（焦炭降解阶段）三个阶段。由于高分子有机化合物的失水，化学键断裂，自由基的形成以及重组反应，形成挥发分而完成相变过程，后期缩聚阶段形成残碳。在整个燃烧过程中伴随着同相燃烧和异相燃烧，在挥发分开始燃烧时，按照链式反应的机理，H和水蒸气对CO的燃烧反应具有触媒作用，少量2%（空气干燥后的燃料中所含内在水分的质量百分数远远超过此临界值）的水蒸气可以减小生物质燃烧的活化能、降低可燃质燃烧着火点、便于低温燃烧，改善生物质燃烧后期焦碳燃烧的温度场，加快燃烧速度，并影响烟气中NOx的排放量。但随着内外在水分的增加，在层燃锅炉中，质地较软的生物质燃料会在加热过程中出现软化黏结以及布风不均现象，这种现象产生了一定的后果，例如：造成燃料的料层与通风间隙不均和单位质量可燃质的燃烧面积缩减，降低炉膛内燃料反应温度与化学反应速度，延长固态可燃质在推动或转动机械式燃烧设备上的停留时间，增加物理不完全燃烧热损失，削弱炉膛火焰充满度，减少炉膛的容积热强度、壁面热强度、截面热强度，加大烟气过剩空气系数，降低锅炉出力。在燃料燃烧的过程中因水分蒸发汽化以及过热要消耗大量的热量，（无论是层燃或流化燃烧，水蒸气导致可燃物质与氧气的浓度场减弱、炉膛燃烧温度场的温度降低，影响化学反应速度），烟气体积增大，随之烟气带走的热量损失增多，伴随引风机电耗加大，厂用电率增高等，经济效率下降。化学燃烧反应虽然是放热反应，然而水分子蒸发与过热却要吸收热量，因此大多数生物质燃烧自维持燃烧时，要求其水分不大于65%，超过此数值则需加入辅助燃料来助燃。

为了确保证生物质燃料的经济价值、发挥其潜力，在生物质的采获、晾晒、运输、储存的过程中应避免外在水分和机械携带水分的混入。根据盖斯定律可知，防止微生物发酵、腐烂是保证生物质燃烧热值不致降低的有效措施。因此对生物质燃料的低位热值进行估算，控制水分、灰分，为收购燃料、合理定价以及生物质燃料的有效利用，使之发挥较好的经济效益而提供参考。

参考文献：

[1]杨勇平，董长青，张俊娇编著.《生物质发电技术》.

[2]西北农学院编.《饲料与营养》教材.

[3]张全国，张百良，黄德仁编.《燃烧学》河南农业大学工程系.