秸秆生物质燃料燃烧特性分析

第26卷第2期上海电力学院学报Vol 26. No. 22010年4月Journal of Shanghai UniversityElectric PowerApr. 2010文章编号:1006-4729(2010)02-0131-04秸秆生物质燃料燃烧特性分析潘雯瑞,任建兴(上海电力学院能源与环境工程学院,上海200000摘要:通过分析秸秆生物质燃料与煤炭燃料燃烧特性,找出影响其安全稳定燃烧的因素,并比较了具有代表性的秸秆生物质的结渣特性,总结了主要碱金属以及氯对于生物质燃烧设备所产生的不利影响,并提出了相应的对策关键词:秸秆生物质;燃料特性;燃烧分析中图分类号:S216.2文献标识码:AAnalysis of Straw Biomass Combustion CharacteristicsPAN Wen-rui, reN Jian-xingSchool of Thermal Pooer and Environmental Engineering, Shanghai University ofElectric Poer, Shanghai 200090, China)Abstract: The factors affecting the security and stability of combustion are found out by thelysis of the straw biomass and the characteristics of coal fuel combustion, and the slaggingharacteristics of representative straw biomass are comparedadverse effects ofalkalimetals and chlorine on biomass combustion equipmentanalysed, and appropriateKey words: straw biomass; combustion characteristics; combustion analysis生物质是一种贮存太阳能的可再生能源,用用尚处于起步阶段,其中约有145×105t用作畜现代技术可以转化成固态、液态和气态燃料在我牧饲料,91×10t用作还田肥料,1,4x10t用国是仅次于煤炭石油和天然气的能源,并占有重作工业原料28×103t作为农民传统的生活燃要地位.生物质资源包括薪柴、农林作物,尤其料余下的1.0×10°t左右在田间地头被直接焚是为了生产能源而种植的能源作物,以及农业和烧了这不仅污染环境还造成能源浪费,因林业残剩物,食品加工和林产品加工的下脚料城此积极开发利用生物质能对解决能源短缺和协市固体废弃物、生活污水和水生植物等21调环境发展有重要意义欧洲主要国家生物质能的开发利用均以丰富1生物质燃料特性分析的森林资源为基础而我国有丰富的农作物秸秆资源,国内现有的生物质锅炉主要以燃烧农作物根据发电燃烧的特点,农作物秸秆一般分为秸秆为主但由于我国秸秆生物质资源的开发利两类:一类为黄色秸秆又称软质秸秆,主要包括麦中国煤化工收稿日期:200907-08CNMHG作者简介:潘雯瑞(1985-),女在读硕士河南正阳人主要研究方向为燃烧与污染物控制Eml:2008 pane@163.com上海电力学院学报2010年秸、玉米秸和稻草等,在生物质秸秆燃烧应用中占对象,分析其燃料特性,并判别其燃烧过程中的结很大比重;另一类为灰色秸秆又称硬质秸秆,主要渣特性通过表161和表267可以明显看出,不包括棉秆、麻秆等.本文以我国常见的有代表同生物质的元素分析结果不同,灰分组成也有明性的3种黄色秸秆(稻草、麦秸和玉米秸)为研究显的差异1常见生物质燃料和烟煤的工业成分分析及元素构成分析工业分析成分/%元素组成/%低位发热值HQ小kg1116.048.305.300.000.8113980673619.3549.60070.6115370玉米稻4.875.9371.9517.7549.300.70156800.98表2常见生物质燃料和烟煤的灰分组成生物质灰分灰分含量SO2A2O3To2Fe2O,Ca00 K20 sO55.31.93.0玉米秸72.20.250.111.719.61323.80.4生物质的挥发分含量较多,特别是玉米秸的熔点;Si元素在燃烧过程中容易与K元素形成低挥发分高达70%,远远超过烟煤;生物质固定碳熔点化合物生物质灰中的K,Na含量远远高于含量较低,不到20%,而烟煤的固定碳含量超过烟煤,所以灰熔点较低无机元素的含量直接影响生物质的两倍;另外,生物质的含硫量和热值明显灰熔点.通过对生物质灰分的分析可以看出,生物低于烟煤3种生物质中灰分含量相差很大,玉米质比烟煤的灰熔点低且易结渣.据实验数据统计,秸的灰分含量最低,稻草的灰分含量最高,麦秸和质生物质灰的熔融温度为1200~1250℃,麦玉米秸的灰分含量远低于烟煤;生物质灰分中秸农作物的熔融温度为750~1100℃。.各生SiO2和CaO含量较高,均超过烟煤,其中SiO2含物质的灰熔点如表4所示.量超过总灰分的50%;另外,生物质灰中的碱金属氧化物(K20+Na2O)的含量远远高于烟煤表4生物质的灰熔点生物质灰熔点的高低和灰的成分有关,不同生物质变形温度软化温度流动温度的生物质种类和不同的产地都对其有影响表3麦秸1080列出了灰分中常见化合物的熔化温度稻13701400衰3灰分中常见化合物的熔化温度/℃化温度化合物熔化温度由表4可以看出,生物质灰熔点从低到高的171620432799顺序是麦秸、稻草、玉米秸TiO21837800-1000生物质特性对燃烧的主要影响有以下4点1566800-1000是含水量高、热值低,产生的烟气体积较大,排烟热扌中国煤化工燃烧效率也较由表3可以看出,生物质中低熔点的成分低;三CNMH,燃料在炉内(如Fe2O3)含量越多,灰熔点就越低而生物质中能快速看火燃烧燃烧时需补充大量空气,否则会的K和Na可以降低灰熔点Ca和Mg会提高灰造成空气供给量不足,难以保证生物质燃料充分潘雯瑞,等:秸秆生物质燃料燃烧特性分析燃烧,从而影响锅炉的燃烧效率;三是固定碳的含0.5时为低结渣倾向;B/A=0.5~1.0时为中等量远小于烟煤,由于固定碳的燃点高,其含量越高结渣倾向;B/A>1.0~1.75时为严重结渣倾向越难燃烧,因此生物质很容易燃烧;四是生物质燃根据上述结渣特性的判别方法对典型的秸秆料中的硫氮、碳含量较低,可以降低电厂SO2和生物质燃料和烟煤进行判别,相关计算结果如表NO,的排放CO2近似零排放5所示2生物质结渣特性的判别表5常用生物质和烟煤的碱性指数和酸碱比判定煤的结渣性能的主要依据有灰熔点(L2)生物质碱性指数酸碱比kg·GJ结渣性和煤灰化学组成(包括碱酸比B/A,硅比G,硅铝比S/A)等判别指数由于生物质灰与煤灰渣的差0.249强玉米秸异较大,并非已有的判别煤结渣指数均能可靠地0.416预测生物质结渣特性,如灰熔点判定法就不适合作为生物质燃料积灰结渣的指标由表5可知,稻草的结渣性最强,其次是麦目前,主要是根据灰成分,采用碱性指数、碱秸,玉米秆的结渣可能性较小.由碱酸比判别法得酸比的方法评价生物质积灰结渣的特性到的结果与碱性指数法相比存在一些差异,对于2.1碱性指数生物质而言,说明用酸碱比判别法判别结渣特性有待进一步研究碱性指数是根据生物质燃料的单位发热量中的碱金属氧化物(K2O+Na2O)质量含量(kg/GJ3生物质锅炉燃烧存在的主要问题的高低来判别生物质的结渣特性,碱性指数的计生物质是清洁的可再生能源,这是生物质锅算式为:炉发展的主要优势之一.然而由于秸秆生物质自(1)身的燃料特性,以及碱金属和氯的存在,使得生物质直燃锅炉比燃煤锅炉更容易产生积灰、结渣和式中:Q燃料在干燥基和定容条件下的高位腐蚀等问题目前生物质利用中普遍存在的碱金发热量,GJ/kg属问题,直接制约了生物质锅炉的发展这已引起Y—燃料中的灰分百分含量,%国内外学者的广泛关注k20,N20灰分中碱性氧化物(K2O,Na2O)的百分含量,%3.1主要碱金属对结渣的影响根据式(1)的计算结果,其判别标准是当碱结渣是个复杂的物理化学过程,其主要形态性指数小于017时,发生结渣的可能性极小;当是以黏稠或熔融的沉淀物形式出现,而造成结渣碱性指数为0.17~0.34时,发生结渣的可能性增的一个重要原因是燃料层的温度高于灰的软化温加;当碱性指数大于0.34时,发生结渣现象度在燃煤锅炉的燃烧过程中,过量空气系数、炉膛温度等参数对结渣率有重要影响,而生物质具2.2碱酸比有区别于煤炭的燃料特性,除了以上参数的影响判别生物质结渣特性的另一种方法为酸碱外碱金属特别是K,C1,S元素对积灰结渣和腐通过碱性氧化物(Fe2O3,Ca0,Mg0,K2O,蚀有重要影响Na2O)与酸性氧化物(SiO2,TO2,A2O3)的比值K元素在秸秆生物质中含量较高,主要形成来判别,表达式为:氧化物氯化物和硫酸盐,这些化合物都表现为低Fe, 0,+Ca0 Mg0 Na,0+K,O(2)参点茸化合物凝结在飞灰颗粒上时具有SiO2 +A,,+TiO2黏性中国煤化工·散速率对灰粒式中,各种氧化物的分子式代表其在灰分中的百熔点CNMHG分含量Cl元素在生物质燃烧中起着传输作用,有助根据式(2)的计算结果可以判别,当B/A<于碱金属元素从燃料颗粒内部迁移到颗粒表面与134上海电力学院学报2010年其他物质发生化学反应,而且C元素有助于碱金直接受到HCl的腐蚀,同时,由于氧化膜遭到破属元素的气化,与碱金属物质反应生成相对稳定坏,使得H2S也能到达金属表面,加快了管壁金且易挥发的碱金属氯化物。.另外,C元素,特别属的腐蚀速度是K元素的化合物,还有助于增加无机化合物的由表2可知,稻草和麦秸灰分中的C含量分流动性碱金属,S,Cl元素挥发出来,相互之间发别为1.2%和1.3%,而玉米则高达22.8%.可生化学反应,然后以硫酸盐或氯化物的形式凝结见,在玉米秆的燃烧过程中Cl对腐蚀的影响会更在飞灰颗粒和受热面壁面上,多数硫酸盐呈熔融加严重状态,增加了沉积层表面的黏性,加剧结渣程度随着碱金属元素气化程度增加沉积物数量及黏4结束语性也不断增加同时,还会发生气体和沉积物灰渣我国的生物质直燃技术主要以燃烧农作物秸本身的反应使结渣层更厚秆为主,而秸秆生物质的燃料特性和煤炭有很大我国常见的3种秸秆生物质(稻草、麦秸和差距,这些燃料特性导致不同生物质结渣特性的玉米秸)的灰分(表2)中,稻草的碱金属氧化物差异在我国具有代表性的3类生物质秸秆(稻(K2O+SiO2+SO3)含量约为88.2%,麦秸约为草麦秸和玉米秸)中,稻草的结渣性远高于玉米853%,玉米秆约为76.7%.通过以上碱金属对秸生物质中碱金属和Cl的含量会加剧结渣和腐结渣影响的分析可以看出,稻草的结渣性大于其蚀的可能因此研究生物质燃料特性有利于减轻他两种秸秆燃烧中存在的结渣腐蚀等问题,并可促进生物质燃烧技术的发展.3.2氯对腐蚀的影响生物质燃料的Cl含量比煤炭高,Cl元素可以参考文献将K从稳定的硅酸盐中吸收出来,形成低熔点腐]邓可蕴.21世纪我国生物质能发展战略[J]中国电力,蚀性强的硫酸盐.一方面,这些硫酸盐在管壁上结2000,(9):8284成釉瓷状的渣膜,该渣层在表面温度升高融化时[2]张明寰益超刘傘拯生物质直接燃烧技术的发展研究[刀].能源研究与信息,2005,21(1):15-20.放出SO3并向内外扩散使管壁氧化层破坏另一(3]马洪儒,张运真生物质秸秆发电技术研究进展与分析方面,这些硫酸盐再吸收SO3并与Fe2O3,A2O3[冂].水利电力机械,2006,28(12):913生成焦硫酸盐6,该盐通常在管壁温度下呈熔融4]朱万斌邱化蛟程序秸秤直燃发电的问题与建议[J状态,对管壁的氧化膜造成腐蚀科技导报,200722(6):78另外,HC也是Cl析出的一种重要形式,它5红类,朝延杰圆外生物质能源产业发展的经验及启示对于金属的高温腐蚀有重要影响发生氯腐蚀的[6]杨勇平,董长青,张俊姣生物质发电技术[M]北京:中原因是由于燃料中存在一定量的NaCl和KCl,国水利水电出版社,2007:321NaCl在高温下以气态形式存在,在炉膛内发生如7]中国华电集团公司生物质发电产业行业大聚焦[EB下反应Ol].(2009-02-12),http://www.chd.com.cn.NaCl+H2O→NaOH+HCl[8]维平,陈吟颖.TK6生物质燃料结渣特性分析与判别[J].华北电力大学学报2007,34(1):4952NaCl+$02+02+H,0-Na, S04+2HCI9]乐园,李龙生精秆类生物质燃烧特性的研究[门]能源工.2NaCl+Si02+H,0-Na, Si0,+2HCI[10]宋鸿伟郭民臣,王欣生物质燃烧过程中的积灰结渣特性生成的HCl使管壁氧化膜遭到破坏,生成气[].节能与环保,2003,(9):231化点很低的FeCl2并随即挥发,从而使管壁金属中国煤化工CNMHG