第三章 生物质直接燃烧技术

目。在发达国家，目前生物质燃烧发电占可再生能源（不含
水电）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电量的70%。
2. 生物质能利用—直接燃烧—发电
目前，我国生物质燃烧发电也具一定规模，主要集中在南方地
区，许多糖厂利用甘蔗渣发电。例如，广东和广西两省共有小 型发电机组300余台，总装机容量800MW，云南省也有一些甘 蔗渣电厂。
2. 生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电
热效率可达90%；生物质能净转化效率～40％
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2. 生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电
每两吨秸秆的热值相当于一吨煤，平均含硫量只有3.8‰，远远
低于煤1％的平均含硫量。
1：1.4
秸秆
能源草
丹麦：已建立了130多家秸秆生物发电厂。秸秆发电等可再生能 源占到全国能源消费量的24％以上。
我国古代人民在燧人氏和伏羲氏时代， 就已经知道使用“钻木
取火” 的方法来获取能源了。
《韩非子˙五蠹》曰：“燧人氏，钻木取火，以化腥臊” 《河图挺佐辅》曰：“伏羲禅于伯牛，错木取火”
《庄子˙外物》曰：“木与木相摩则然（燃）”
从能量转换观点来看，生物质直燃是通过燃烧将化学能转化为热 能加以利用，是最普通生物质能转换技术。 2017/10/8
38~50 30~44 55~90 3~20
65~70 0.47~0.64（木材） 7~38 0.80~1.0
二、 生物质燃料与燃烧
典型生物质燃料和典型的烟煤、无烟煤的元素组成与工业分析成分组成有 很大区别：
工业分析成分/% 燃料种 类 水分 灰分 挥发分 固定碳
豆秆 5.10 3.13 74.65 17.12
第四章 生物质（直接）燃烧技术
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主要内容
生物质直接燃烧概述
生物质燃料的化学反应平衡
生物质燃烧反应动力学
存在的问题和解决方法
一、生物质直接燃烧
生物质直接燃烧技术是生物质能源转化中相当古老的技术，人类
对能源的最初利用就是木柴燃火开始的。
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生物质直接燃烧在生活中 的应用
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1. 生物质能利用——直接燃烧
我国农村生活用 能结构虽然发生 了一定的变化， 但薪柴、秸秆等
loss
生物质仍占消费
总 能 量 的 50% 以 上，是农村生活 中的主要能源。
热效率低于20%
loss
1. 生物质能利用——直接燃烧
炕（连灶炕）是我国北方农村居民取暖的主要设施，热量一般来源于 炊事用的柴灶，炕与灶相连，故称连灶炕。也有专为取暖供热的炕， 如西北的煨炕、东北的地炕都是在炕内设一烧火的坑。
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省柴灶主要部件：
1）炉箅 2）炉胆上、下体 3）加柴口 4）出烟口
省柴灶节能原理：
1）通过良好的燃烧室设计，保证了燃料完全燃烧； 2）加强炉体保温，减少散热损失； 3）延长了烟气在炉膛滞留时间和扰动，加强了热烟气与锅底的
换热，有效地节约能源。
三、 生物质直接燃烧技术
省柴灶特点： 热能在灶内停留时间长，可得到充分利用，热效 率高(可达20％～25％)； 没有熏烟，污染少； 质量小，可拆装；
元素组成/%
H 5.81 C 44.79 S 0.11 N 5.85 K2O 16.33
低位热值 /kJ· kg-1 16160
稻草
玉米秆 麦秸 牛粪 烟煤 无烟煤
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4.97 13.86
4.87 4.39 5.93 8.90
65.11
71.45 67.36 48.72 38.48 7.85
（1）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 ，可以认为是CO2零排放。 （2）生物质燃烧产物用途广泛，灰渣可综合利用。例如，灰 分中含有植物生长所必需的多种营养元素．可作为良好的农 用肥料。 （3）可实现生物质燃料与矿物质燃料混合燃烧，可减少运行 成本，提高燃烧效率，又可降低SOx、NOx等有害气体排放。
铺在炉排上形成一定厚度的燃 料层，进行干燥、干馏、燃烧 及还原过程。空气（一次配风 ）从下部通过燃料层为燃烧提
供氧气，可燃气体与二次配风
在炉排上方的空间充分混合燃 烧。
苏、河南、黑龙江、辽宁和新疆等地。
以国能生物、凯迪电力、中国节能、韶能股份等为主的国内企业 正加速兴建新的生物质发电项目，仅国能一家，截止 2011 年 1 月，已有40 个生物质电厂得到审批，25 个并网发电。
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2. 生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电
2005年，我国首个秸秆与煤粉混烧发电项目在枣庄十里泉发电 厂竣工投产:引进了丹麦BWE公司的技术设备，对1台14万千瓦
多功能。节柴灶的灶桥可以调整，随着灶桥的调
整可烧柴、烧锯灰和烧煤。
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三、 生物质直接燃烧技术
（2）锅炉燃烧
当生物质燃烧系统的功率大于 100kW时，一般采用现代化的燃 烧技术，适合于生物质大规模利用，主要应用于工业过程、区域供 热、发电及热电联产等。此类系统一般都配备自动上料机构，而且
机组的锅炉燃烧器进行了秸秆混烧技术改造。
十里泉电厂
生物质与煤混合燃烧效果最佳
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2. 生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电
生活垃圾焚烧后，质量只有 焚烧前的10%，体积最多只
有1/4。 西方发达国家大都建有垃圾
发电厂，美国在20世纪80年 代兴建了90座垃圾焚烧厂，
90年代又建了近400座发电
11.28
13.80 20.40 3.84
13980
15550 15370 11630 24300 24430
22
6.46 32.40 8.85 21.37 8.00 19.02
二、 生物质燃料与燃烧
由上述表可知，生物质燃料与碳相比其差别如下： 含碳量较少，含固定碳少（热值低） 含氧量多，含水量多 挥发分含量多
边框一侧开口加柴。 燃烧不充分，保温性 差，热效率低（只有 8~10 ％ 左 右 ） 、 浪 费 燃料，且严重污染了 环境。
三、 生物质直接燃烧技术
② 省柴灶 改善方法 —— 增加炉篦并架砌烟囱，供给空气充分，延长燃烧时间 —— 增大换热面积，改进烟道形状
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依据通风形式、挡火圈形状或燃烧室形状，省柴灶分类如下：
三、 生物质直接燃烧技术
（二）燃烧技术分类
• 炉灶燃烧：操作简便，投资较省，但燃烧效率低，
造成生物质资源严重浪费。
•锅炉燃烧：采用先进燃烧技术，燃烧效率高，适用 于相对集中，生物质资源大规模利用。
三、 生物质直接燃烧技术
（1）炉灶燃烧
① 旧式柴灶燃烧
旧式柴灶是用砖、土坯或石块垒
成边框，把锅或罐架在上面，在
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二、 生物质燃料与燃烧
（四）燃烧过程特点
生物质燃料密度小，结构比较松散，挥发分含量高。在生物质燃烧过程
中，若空气供应不当。挥发分就会不被燃尽而排出 不论生物质的来源于草本还是林木。其热解后的组成成分基本一致
含水量高且多变，热值低，炉前热值变化快，燃烧组织困难
挥发分高，且析出温度低、析出过程迅速，燃烧组织需与之适应 生物质着火容易，在挥发分燃尽后，燃料剩余物为焦炭，气流运动会将
火焰燃烧 没有火焰没有烟， 木质素维持燃烧
热分解产生的可燃性分解物与空气（氧）的混合气体燃着后开 始形成火焰燃烧，放出大量热，约占木材总发热量70%以上。
二、 生物质燃料与燃烧
（三）生物质燃烧的条件
要充分的燃烧，必要“3要素”： 一定的温度 合适的空气量及燃料的良好混合
足够的反应时间和空间
（3）反应时间
足够的燃烧时间使燃烧彻底。 （4）颗粒尺寸 影响反应表面积，颗粒越小越好。
（5）水分含量
燃料中水分不超过65%。 （6）气固混合 搅动混合，使得灰分脱落，暴露出未燃的炭，保证燃烧的充分性。 （7）灰分 燃料中灰分含量越高，燃料的热值和燃烧温度越低。
三、 生物质直接燃烧技术
（一）直接燃烧技术特点
炭粒带人烟道。且固定碳受到灰分包裹，燃烧较难，因此，在固定碳燃烧
阶段，气流不宜太强 碱金属和氯腐蚀问题突出
燃烧设备的设计与运行方式的选择须从其燃烧特性出发！
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二、 生物质燃料与燃烧
（五）影响燃烧的主要因素
（1）反应温度 反应温度直接影响反应速率，在考虑灰分熔化的前提下，尽量提高反应温度。 （2）空气量 空气太少，反应不完全，浪费燃料；太多，则带走热量，降低燃烧温度，影 响燃烧稳定性。
木材 CHON
N 0.6~1.1 %
秸秆 CHONS
秸秆元素含量
S 0.1~0.2 % C 40~46 %
O 43~50 %
H 5~6%
二、 生物质燃料与燃烧
（一）生物质燃料特性
生物质燃料和煤炭在结构特性上的主要差别如下：
燃料种类 生物质燃料 煤炭 C/% O/% H/% 5~6 3~5 S/% 0.10~0.20 0.40~0.60 A/% 4~14 5~25 V% 密度/t· m-3
2. 生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电
垃圾发电平均上网电价为 0.54 元／千瓦时，发电成本 为0.5元／千瓦时。 火力发电成本仅为0.2元／千瓦时，水力发电的运营成 本仅为0.03元／千瓦时－0.05元／千瓦时。 相比之下，垃圾发电成本是相当高的，没有任何竞争 优势。
生物质燃料是通过燃烧将化学能转化为热能的物质，由燃料 获取的热能在技术上是可以被利用的，在经济上是合理的。 植物生物质元素 组成 CHONS PK
16.06
17.75 19.35 12.52 31.30 65.13
5.06
5.45 5.31 5.46 3.81 2.64
38.32
42.17 41.28 32.07 57.42 65.65
0.11
0.12 0.18 0.22 0.46 0.51
0.63
0.74 0.65 1.41 0.93 0.99
对燃料进行预处理，以满足上料机构和不同燃烧技术的要求。
分类
1）按照锅炉燃用生物质品种不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆 炉、垃圾焚烧炉等； 2）按照锅炉燃烧方式不同又可分为流化床锅炉、层燃炉和悬浮燃 烧炉。
三、 生物质直接燃烧技术
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三、 生物质直接燃烧技术
1）层燃技术
在层燃方式中，生物质平
厂，垃圾焚烧率达40％；日 本垃圾电站有131座。
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2. 生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电
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2. 生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电
截至2006年，我国已经建成有100多个日处理量在200吨以上的焚 烧装置。 浦东御桥工业区：国内第 一座日处理千吨以上的大 型现代化生活垃圾发电厂 ，每天可处理120－150万
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2. 生物质能利用—直接燃烧—秸秆发电
2003 年国家核准河北晋州、山东单县和江苏如东3个秸秆发电示 范项目; 2006年前，我国生物质发电总装机容量约为 200万千瓦，其中： 蔗渣发电约占 170 万千瓦以上 ; 垃圾发电约占 20 万千瓦 ; 其余为稻 壳等农林废弃物气化发电和沼气发电等; 不完全统计，截至 2007 年底，国家和省发改委已核准生物质发 电项目 87 个，总装机容量达 220 万千瓦，分布在山东、吉林、江
密度小
含硫量低
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（二）生物质燃料燃烧过程
四个阶段： （１）预热干燥； （２）干燥阶段； （３）挥发分的析出、燃烧与焦炭形成（干馏，释放热，占70%） ； （４）残余焦炭燃烧。
木材燃烧过程描述
350 oC （半）纤维 素分解完全
木材
200 oC 半纤维素 分解 300 oC 纤维素剧 烈分解 500 oC 木质素持 续分解
城市居民产生的生活垃圾
（约1000吨）。 我国目前规模最大的垃圾焚烧厂——上海江桥生活垃圾焚烧厂， 每天处理垃圾2000吨。
2. 生物质能利用—直接燃烧—垃圾发电
目前全球有垃圾电站近1000座，预计未来三年内，将超过3000座。
日本东京MINATO垃圾焚烧发电厂 丹麦能滑雪的垃圾焚烧发电厂
上海御桥生活垃圾焚烧发电厂
连灶炕原图
连灶炕原理图
炕：热效率20-30%
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2. 生物质能利用—直接燃烧—发电
现代生物质直燃发电技术诞生于丹麦。该国BWE公司率先 研发秸秆等生物质直燃发电技术，并于1988年诞生了世界上 第一座秸秆发电厂。
该国秸秆发电技术现已走向世界，被联合国列为重点推广项