生物质燃料燃烧

生物质燃料燃烧特性与应用

郑陆松 2008031620

关键词：生物质燃料、燃烧过程、特性、应用、锅炉

摘要：生物质燃料是一种可再生能源，介绍其组成成分，燃烧的一般过程和特点。根据

多种典型生物质燃料的基本组成，着重分析介绍了生物油的燃烧过程、性能特点及在动力机械中的应用。以锅炉为例具体分析玉米秸秆在其中的层燃燃烧过程和特性。分析总结了生物质燃烧对锅炉的影响。

1、前言

生物质燃料是一种可再生能源，是指依靠太阳光合作用而产生的各种有机物质，是太阳能以化学能的形式存在于生物之中的一种能量形式，直接或间接地来源于植物的光合作用。被认为是第四大能源，分布广，蕴藏量大。

生物质燃料基本特性

生物质的种类很多，一般可分以下5大类：①木质素：木块、木屑、树皮、树根等；②农业废弃物：秸秆、果核、玉米芯、甘蔗皮渣等；③水生植物：藻类、水葫芦等；④油料作物：棉籽、麻籽、油桐等；⑤生活废弃物：城市垃圾、人及牲畜的粪便。

生物质作为有机物燃料是由多种复杂的高分子有机化合物组成的复合体，化学组成主要有：纤维素、半纤维素、木质素和提取物等，这些高分子物质在不同种类生物质、同一种类生物质的不同区域其组成也不同，有些甚至有很大差异。生物质的可燃成分主要是有机元素如碳、氢、氮和硫，虽然就元素的成分而言，生物质燃料的成分和常规燃料煤炭基本上没什么区别，但正是各成分在数量上的差异导致了生物制燃烧产物与煤炭的差异。生物质的碳含量普遍在50%左右，低于普通的烟煤，而氢含量则高于烟煤，尤其是挥发份和氧含量远远高于普通烟煤，氧含量超过煤10倍左右。由于生物质燃料的可燃组分含量相对比较低，因此生物质燃料的低位发热量比一般烟煤低。在着火燃烧性能方面，生物质燃料的挥发份含量远远高于普通烟煤，导致着火燃烧性能明显高于普通烟煤。在燃烧污染物生成排放方面，生物质燃料的硫含量仅为0.1 %左右，含氮量和理论氮气容积也低于烟煤，所以总的SO2和NOx生成量都远低于烟煤。根据秸秆生物质燃料高挥发分、高氧量、低硫份和灰份的基本特性，因此相对于煤炭而言，秸秆生物质具有易燃、清洁环保的特点。

2、生物质燃料：

2.1生物质燃料燃烧过程分析：

生物质燃料的燃烧过程主要分为挥发分的析出、燃烧和残余焦炭的燃烧、燃尽两个独立阶段。其燃烧过程的特点是：【1】

(1)生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高。

(2)生物质燃料的密度小，结构比较松散，迎风面积大，容易被吹起。悬浮燃烧的比例较大。

(3)由于生物质发热量低，低位发热值约为12．6 MJ ／kg ，炉内温度偏低，组织稳定的燃烧比较困难。

(4)由于生物质挥发分含量高，燃料着火温度较低，一般在250～350℃温度下挥发分就大量析出，并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足。将会增大燃料的不完全燃烧损失。

(5)挥发分析出燃尽后，受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，焦炭颗粒燃烧速度缓慢，燃尽困难，如不采取适当的措施，将会导致灰烬中残留较多的余碳，增大机械不完全燃烧损失。

目前，生物质的利用技术主要有生物质的气化发电、热解液化和直接燃烧发电等。在实际应用过程中，生物质直接燃烧发电应用较为广泛，直接燃烧技术是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。 生物质直接燃烧是将生物质直接作为燃料燃烧，燃烧产生的能量主要用于发电或集中供热等。

2.2、生物质直接燃烧具有如下特点:【2】

一、 生物质燃烧所释放出的 CO2大体相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2，因此可以认为是CO2的零排放，有助于缓解温室效应；

二、 生物质的燃烧产物用途广泛，灰渣可加以综合利用；

三、 生物质燃料可与矿物质燃料混合燃烧，既可以减少运行成本，提高燃烧效率，又可以降

低SO2、NOx 等有害气体的排放浓度；

四、 采用生物质燃烧设备可以实现各种生物质资源的减量化、无害化和资源化。 由于生物质燃料特性与化石燃料不同，从而导致了生物质燃料在燃烧过程中的燃烧机理、反应速度以及燃烧产物的成分与化石燃料相比也都存在较大差别，表现出不同于化石燃料的燃烧特性。生物质的 n(H)／n(C)比和n (O)／n(C)值均比煤要高，而且生物质的几种主要成分中半纤维素在o 225350 c ～分解，纤维素在o 325375 C ～分解，木质素在 o 310400C ～分解 ，因此其着火特性与煤相比存在差异生物质的直接燃烧利用技术，一般是将生物质进行成型预处理，尤其是秸秆类生物质。成型技术是指在一定温度、压力下，将分散的、没有一定形状的生物质压制成具有一定形状、密度较大的成型燃料。生物质成型工艺为：秸秆收集—干燥—破碎—热压—成型。成型燃料其密度可达3

9001350 kg /m ～，便于贮存和运输,燃烧性能好。 为了研究生物质燃料与煤炭着火燃烧特性的差异，以生物油为例进行说明。 生物油性质：

生物油是由不同组分组成的混合物．它是由生物质中的纤维素、半纤维素和木质素解聚和分裂而成。因此，生物油和化石燃料油的元素组成是不同的。与化石燃料油相比。生物油中水分多。氧元素含量较高，粘度较高，密度大，残炭率高，pH 值小，碳元素、氢元素和硫元素含量较低。生物油巾含有酸、醇、醛、酮和酚类等400多种有机物，它们在长时间存放或加热后会发生化学反应，因此生物油储存稳定性较差且易老化【3】

生物油燃烧特性：

生物油的理化性质对其燃烧行为有相当大的影响。由于不挥发组分的含量较高，因此生物油是可燃的，但不是易燃的。生物油十六烷值为13—14，热值约为

柴油的1/2。理论上讲，生物油可以替代化石燃料成为热力设备的燃料。

2.3、生物油燃料特性较差：

1、点火困难。生物油中水分、氧元素含量较高，不能压燃，可用火焰引燃。可采用轻油和生物油双燃料供应管路。利用轻油燃烧释放出热量引燃生物油，也可将十六烷值高的燃料与生物油混合或乳化进行直接燃烧。如何转化利用生物油中过多的氧是一个亟待解决的问题。

2、设备结焦和腐蚀问题。生物油粘度大。其SM0(沙脱平均直径。为生物油喷雾雾滴的体积之和与表面积之和的比值)较大，存在燃烧不完全、易析出碳、燃烧器头部易结焦、管壁易积灰等问题。生物油密度大，火焰辐射面增大，燃烧器头部

温度升高，喷嘴更易结焦、堵塞。采用预过滤生物油、加强油雾与空气的混合、经常更换或清洗喷嘴等方法可解决上述问题。生物油pH值较低，酸性强，在燃烧室内和燃气轮机叶片上易出现严重的腐蚀现象，可将生物油醇酯化后进行燃烧，燃烧设备材料也应更换为耐酸性强的不锈钢材料。

3、雾化质量问题。生物油粘度大，密度高，残炭率高．因此应采用预过滤生物油，提高喷射压力，预热生物油的方法，降低生物油的粘度，减小液滴尺寸，提高生物油雾化质量，但喷雾量增加，喷雾角度减小，喷雾冲击力提高。喷嘴磨损加剧。生物油雾化得越细，越有利于蒸发、混合，还能缩短燃烧时间．因此应选择孔径较小的喷嘴，并增加喷嘴的数量。

4、合理配置风量问题。生物油中碳、氢元素含量较少，保持一个合理的空气过量系数十分重要。根据锅炉炉膛氧量表和排烟氧量表及风量表的变化情况．调整风门开度和油阀开度。通过调节柴油机喷油提前角来调节滞燃期和预混合油量，可以提高生物油燃烧效率。通过燃气轮机燃料控制系统可以调节燃料供应量，通过进气导流叶片，可以调节进气流量。

3、目前生物油燃烧的应用研究：

主要有锅炉燃烧、柴油机燃烧、燃气轮机燃烧、斯特林发动机燃烧。

3.1、柴油机燃烧：

柴油机热效率高。经济性好。中低速柴油机可以使用低品质的燃料。生物油在柴油机中很难压燃，柴油机喷射系统出现严重的磨损、积炭现象，运行不稳定，技术上存在很大的障碍。目前主要考虑生物油与其它燃料混合或乳化后在柴油机中的燃烧，而须对柴油机的燃料供应系统和喷射系统进行必要的改造，混合生物油或乳化生物油才能满足柴油机连续运行的特性和烟气排放量的要求。

3.2、燃气轮机燃烧：

燃气轮机具有效率高、功率大、体积小、运行成本低和使用寿命长等优点。采用燃气轮机燃烧生物油发电一直是研究人员希望实现的目标。相

关试验研究表明，燃用生物油后，燃气轮机运行负荷范围变小．燃烧腔和叶片出现积炭现象，要对燃气轮机燃料供应系统进行必要的改造才可以满足其连续运行的要求。

3.3、锅炉燃烧：