生物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)

1、生物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)及燃燒設(shè)備李春榮韋錦然黃仁煥廣西口風(fēng)能源發(fā)展有限公司摘要：生物質(zhì)的燃燒方式不合理將產(chǎn)生大量的煙塵和氮氧化物，加劇大氣污染，対形成霧霾天氣有 極大影響。推廣使川牛物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)和空氣分級(jí)的低no,旋流燃燒設(shè)備可以有效抑制氮氧化物 的形成，減少煙囪煙氣中煙塵和氮氧化物的含量。關(guān)鍵詞：清潔燃燒階段燃燒抑制氮氧化還原氮氧化物 co、hc燃盡排放0引言當(dāng)前，在我國(guó)能源消耗的快速增長(zhǎng)和環(huán)保要求的雙重壓力下，我國(guó)實(shí) 現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)正面臨著十分嚴(yán)峻的形勢(shì)，可再生能源替代化石能源勢(shì)在 必行。在水能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能的可再生能源行列中，生物質(zhì)能 的儲(chǔ)存量、加工、運(yùn)輸、資源成本等因素是比較

2、符合現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)需要的，由 于低硫或近似于無(wú)硫排放的清潔性，和低于水能、風(fēng)能和太陽(yáng)能的開發(fā)利 用成本的經(jīng)濟(jì)性，使資源豐富的生物質(zhì)再生能源再清潔新能源行列中擁有 無(wú)限的市場(chǎng)前景。在生物質(zhì)燃燒技術(shù)領(lǐng)域里，新技術(shù)、新材料、新設(shè)備不 斷涌現(xiàn)，在節(jié)能減排中發(fā)揮著十分重要的作用，開展生物質(zhì)燃料代油代煤 節(jié)能技改項(xiàng)目，可以節(jié)省用戶因環(huán)保耍求更換鍋爐而產(chǎn)生的巨額資金，還 可以有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排、環(huán)保三大目的。但就目前現(xiàn)狀，大部分的生物 質(zhì)燃燒方式（尤其是城區(qū)范圍內(nèi)小于10噸/時(shí)鍋爐）將會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵 和氮氧化物，加重大氣污染，對(duì)形成霧霾天氣產(chǎn)生較大影響。推廣使用生 物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)和空氣分級(jí)的低nox旋流燃燒設(shè)

3、備可以有效抑制氮氧化 物的形成，減少煙塵和氮氧化物的排放量。1、生物質(zhì)固體燃料的燃燒特性及存在問(wèn)題生物質(zhì)固體燃料主要有薪柴、秸桿、樹皮、鋸末、蔗渣等農(nóng)林業(yè)生產(chǎn) 邊角料及廢棄物，生物質(zhì)直接燃燒生產(chǎn)熱能的方式就是利用生物質(zhì)固體燃 料通過(guò)在薪爐、鍋爐中燃燒時(shí)行熱交換，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱能用于生產(chǎn)、 生活或再次轉(zhuǎn)換為電能。生物質(zhì)固體燃料在鍋爐中的燃燒過(guò)程存在以下 幾點(diǎn)問(wèn)題：（1）未經(jīng)處理的生物質(zhì)燃料因?yàn)楹扛?。如樹皮、蔗渣水?0% 以上，薪柴、刨花、刨板邊角料等含水量25-40%不等，燃燒時(shí)需要較高 的干燥溫度和較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，同時(shí)要吸收大量熱能，煙氣中含水量大， 對(duì)鍋爐熱交換產(chǎn)生極大影響，因而會(huì)

4、降低鍋爐岀力；（2）未經(jīng)壓縮的生物質(zhì)固體燃料密度小，結(jié)構(gòu)松散，熱值低，入料量 較難穩(wěn)定控制，因而造成爐內(nèi)溫度場(chǎng)偏低，難以組織穩(wěn)定的燃燒，鍋爐出 力不穩(wěn)定。（3）揮發(fā)份高，固定碳含量低，含氧量高，著火溫度低。生物質(zhì)燃料 （干基）在250°c-350°c時(shí)揮發(fā)份大量析出并劇烈燃燒，而固定碳含量低,在燃燒過(guò)程中受到外層已燃灰燼的包裹后焦碳顆粒難以燃盡，易造成大量 熱能流失并污染空氣。（4）鍋爐爐膛溫度高，生物質(zhì)燃料中的堿金屬和氯熔解結(jié)焦，對(duì)鍋爐 對(duì)流管和鍋筒腐蝕問(wèn)題突出。（5）在鍋爐爐膛高溫富氧氛圍中，生物質(zhì)燃料中析出的氮與氧結(jié)合產(chǎn) 生大量no和no?,形成氮氧化物排入大氣。綜上

5、所述，生物質(zhì)燃料直接燃燒燃料利用率低、煙氣含塵量大、氮氧 化物含量高，對(duì)環(huán)境影響程度大、大氣污染嚴(yán)重。有鑒于此，國(guó)家環(huán)保部 在環(huán)發(fā)2001j37號(hào)文關(guān)于劃分高污染燃料的規(guī)定中將直接燃用的生物 質(zhì)燃料（樹木、秸稈、鋸末、稻殼、蔗渣等）列為高污染燃料。2、氮氧化物的危害和生成機(jī)理氮氧化物是酸性氧化物，是造成霧霾天氣的原因之，形成的酸雨酸 霧污染大氣，與空氣中的碳?xì)浠衔锝Y(jié)合形成光化學(xué)煙霧，同時(shí)參與臭氧 層的破壞。氮氧化物（nox）對(duì)人體和動(dòng)植物都有極大的傷害作用，吸入 人體可能引起呼吸道疾病、皮膚和粘膜病變；對(duì)植物葉面產(chǎn)生破壞，造成 植物腐爛、發(fā)黃、病蟲害增加、導(dǎo)致農(nóng)作物大幅度減速產(chǎn)。煙囪排放的氮

6、氧化物稱之nox，由約95%的no和5%的no?所組成， nox排放對(duì)于所有利用空氣的燃燒過(guò)程是相同的。由于空氣中氮的重量占 四分之三以上，所以燃燒空氣是形成nox的基本因素，nox是由于燃燒過(guò) 程中的多種反應(yīng)產(chǎn)生的。氮氧化物的兩個(gè)主要來(lái)源是燃料型nox和熱力型 nox，燃料型nox是由燃料加熱后析出氮氧化形成的，但如果燃料中氮的 釋放是在無(wú)氧或欠氧氛圍中發(fā)生的，則nox的形成能受到抑制;熱力型nox 是由燃燒空氣中的氮?dú)馔行У难鯕庵g的反應(yīng)生成的，但只有燃燒溫度 達(dá)到1500°c以上時(shí)才會(huì)迅速形成，如果燃燒溫度低于1500°c則no,的形成 會(huì)受到抑制。3、生物質(zhì)清潔燃

7、燒技術(shù)生物質(zhì)能源是口然界中存量最大、成木故低的可再生能源，而生物質(zhì) 直接燃燒是生物質(zhì)能最廉價(jià)、最方便的利用方式，只要解決了生物質(zhì)燃料 直接燃燒中存在的燃料利用率低、煙氣含塵量大、氮氧化物含量高三個(gè)主 要因素，生物質(zhì)能源的利用將會(huì)有長(zhǎng)足發(fā)展。用物理方法將生物質(zhì)經(jīng)干燥、粉碎、壓縮成型，密度0.8-13,作為 燃料后其中水份可以降低至8-25%,可以解決生物質(zhì)直接燃燒過(guò)程中燃料 干燥時(shí)間長(zhǎng)、燃燒不充分、鍋爐出力不足、煙氣含塵量大的問(wèn)題。但由于 生物質(zhì)燃料（包括壓縮燃料）在普通燃煤鍋爐中的燃燒方式為層燃-半裂 解燃燒，需要在高溫富氧氛圍中進(jìn)行，燃料中的氮析出后迅速氧化形成 n0xo如前所述，對(duì)燃燒區(qū)域

8、nox的形成，兩個(gè)最重要的影響因素是氧氣 和溫度，其次燃料和空氣的比例、富氧燃燒的時(shí)間對(duì)nox的形成也有很大 的影響，因此合理控制燃料一空氣一溫度一時(shí)間的比例是控制nox形成的 關(guān)鍵因素，顯然生物質(zhì)燃料（包括壓縮燃料）在普通燃燒機(jī)和普通鍋爐中 是難以做到的，需要在專門設(shè)計(jì)的低nox燃燒器（燃燒機(jī)或鍋爐）中才能 實(shí)現(xiàn)。生物質(zhì)清潔燃燒采用階段燃燒方式來(lái)合理控制燃料一空氣一溫度一時(shí) 間的比例，達(dá)到提高燃料利用率、降低煙氣中煙塵和nox含量、清潔排放 的目的。（1）第一階段燃料在250°c-400°c低溫中裂解，在缺氧氛圍中燃燒。 該燃燒區(qū)域內(nèi)的燃燒狀態(tài)在燃料富集、氧氣不足的工況下

9、進(jìn)行，由于氧氣 不足，火焰溫度較低，燃料中析出的氮生成的nch和nh3等很難與空氣中 的氧反應(yīng)形成nox, nox生成就較少。(2) 第二階段燃料在第一階段中裂解燃燒而末燃盡的揮發(fā)份和固 定碳400°c-600°c中溫、缺氧氛圍中繼續(xù)燃燒，火焰在欠氧氛圍中述原已 經(jīng)生成的nox為n2n在第二階段末適當(dāng)補(bǔ)充空氣，使火焰中的可燃?xì)怏w 和炭粒在足氧氛圍中燃燒。(3) 第三階段 在避開第二階段焰區(qū)的同時(shí)補(bǔ)充過(guò)量空氣，使火焰 在高溫富氧氛圍下進(jìn)行第三階段燃燒，第二階段末燃盡的揮發(fā)份和炭粒燃 盡，完成燃燒過(guò)程。盡管在此階段燃燒過(guò)程中仍然會(huì)生成nox,由于火焰在 爐膛內(nèi)燃燒時(shí)間極短，限制

10、nox主成，其結(jié)果就是減少了 nox的排放量。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，生物質(zhì)燃燒過(guò)程中采用三次配風(fēng)、階段燃燒的方式, 可有效降低煙氣中nox的質(zhì)量濃度，在合理的配風(fēng)工況下，nox的排放濃 度最低位可以達(dá)到83.45mg/m3(11o4、生物質(zhì)清潔燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)原則生物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)就是通過(guò)固定碳燃盡、抑制nox形成的燃燒方式 達(dá)到清潔排放的目的。廣西日風(fēng)能源發(fā)展有限公司參照美國(guó)b&w低nox 旋流煤粉燃燒器原理、根據(jù)生物質(zhì)的燃燒特性研發(fā)出一種生物質(zhì)清潔燃燒 機(jī)，其設(shè)計(jì)原則就是從生物質(zhì)燃料的燃燒特性與生物質(zhì)清潔燃燒技術(shù)出 發(fā)，對(duì)燃燒機(jī)的爐內(nèi)空氣場(chǎng)、溫度場(chǎng)、過(guò)量空氣系數(shù)、受熱面分配等進(jìn)行 全面、合理

11、的布置。生物質(zhì)清潔燃燒機(jī)對(duì)燃料的選擇、助燃空氣的溫度、 各階段焰區(qū)的供氧量、燃燒方式均有嚴(yán)格的考量。(1) 燃料選擇 選取經(jīng)t燥、粉碎處理的粉狀生物質(zhì)為燃料，要求含 水量w15%、粒徑因?yàn)榉蹱钗矬w表面積比大、水份低，在缺氧氛 圍中300°c-400°c時(shí)揮發(fā)份仍可大量析出并燃燒；在采用半裂解、全懸浮 方式燃燒時(shí)可以通過(guò)分級(jí)供氧方法來(lái)控制和布局燃燒機(jī)的爐內(nèi)空氣場(chǎng)、溫 度場(chǎng)，這是其他形態(tài)的生物質(zhì)燃料無(wú)法做到的。（2）助燃空氣 低nox旋流燃燒機(jī)的助燃空氣溫度需用常溫空氣。 雖然回收鍋爐尾氣作為助燃空氣可以提高爐內(nèi)溫度、節(jié)約燃料，但也有可 能增加nox的排放，有資料顯示，在生物質(zhì)

12、燃燒過(guò)程中，當(dāng)燃燒空氣的溫 度從27°c預(yù)熱到315°c時(shí)，nox排放量增加3倍。（3）燃燒方式 低nox旋流燃燒機(jī)釆用分級(jí)供氧、階段燃燒、缺氧 裂解、高溫燃盡的燃燒方式，通過(guò)合理控制燃料一空氣一溫度一時(shí)間達(dá)到 提高燃料利用率、降低煙氣中煙塵和nox含量的冃的，有試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示， nox的煙囪排放量低至450 mg/m331o5、低nox旋流燃燒機(jī)的工作機(jī)理燃燒機(jī)的給料及各級(jí)配風(fēng)均釆用變頻控制技術(shù)，可根據(jù)燃料的性質(zhì)和 工況隨時(shí)調(diào)整、控制給料量和供氧量，調(diào)整各焰區(qū)溫度和火焰停留時(shí)間， 從而抑制nox形成和還原已形成的nox。（1）燃料從噴咀進(jìn)入燃燒機(jī)內(nèi)，送料風(fēng)機(jī)進(jìn)行第一次供氧并

13、形成旋 流，供氧量為燃料燃燒需氧量的65%,燃料在富料、缺氧氛圍中進(jìn)行第一 階段裂解并燃燒形成第一焰區(qū)，一焰區(qū)溫度在250°c-400°c之間。由于低 溫缺氧，燃料中析出的n轉(zhuǎn)化為nox的程度極低。（2）第一焰區(qū)的火焰在一次風(fēng)的作用下以旋流懸浮方式進(jìn)入第二階 段燃燒形成第二焰區(qū)，由于一焰區(qū)燃燒已經(jīng)耗去大量氧氣，二焰區(qū)在深度 缺氧氛圍中進(jìn)行不完全燃燒，溫度在400°c-600°c之間，形成低氧還原區(qū), 還原已生成的nox。風(fēng)機(jī)在燃燒機(jī)噴火口處進(jìn)行第二次供氧，將燃料燃燒 需要的其余35%空氣輸入二焰區(qū)末端，在二次供氧助燃的作用下，從燃燒 機(jī)噴出的火焰溫度達(dá)到

14、900°c-1100°c（3）第二焰區(qū)火焰從燃燒機(jī)噴火口噴入鍋爐爐膛進(jìn)行第三階段燃燒 形成第三溫區(qū)。風(fēng)機(jī)在鍋爐爐門或爐排處進(jìn)行第三次供氧，將燃料燃燒需 要的過(guò)量空氣輸入鍋爐爐膛內(nèi)助燃，在燃燒機(jī)內(nèi)末燃盡的可燃?xì)怏w和固定 碳在鍋爐爐膛內(nèi)再燃燒并燃盡，完成整個(gè)燃燒過(guò)程。三溫區(qū)溫度在noo°c -1300°c之間，在燃燒過(guò)程中仍會(huì)生成少量nox,該溫區(qū)的溫度和nox生成量與過(guò)量空氣系數(shù)成指數(shù)關(guān)系，過(guò)量空氣系數(shù)低，則溫度升高、nox生成 量低，過(guò)量空氣系數(shù)高則溫度降低、nox生成量高，過(guò)量空氣系數(shù)可通過(guò) 第三次供氧量來(lái)控制。燃燒機(jī)鍋爐-1 燃料/一次風(fēng)入口乙一焰區(qū)

15、3二焰區(qū)4噴火口/二次風(fēng)入口 5爐門/三次風(fēng)入口 6三焰區(qū)圖例： 比少 燃料和一次風(fēng)形成旋流|(4) 由于燃料的裂解和燃燒基本上是在燃燒機(jī)內(nèi)進(jìn)行的，燃料中的 堿金屬和氯熔解結(jié)焦過(guò)程均在燃燒機(jī)爐膛內(nèi)完成，不會(huì)在鍋爐爐膛內(nèi)結(jié) 焦，對(duì)鍋爐對(duì)流管和鍋筒沒(méi)有影響。二次風(fēng)和三次風(fēng)風(fēng)向生物質(zhì)清潔燃燒機(jī)與鍋爐對(duì)接運(yùn)行示意圖6、生物質(zhì)清潔燃燒機(jī)運(yùn)行實(shí)踐廣四日風(fēng)能源發(fā)展有限公司于2012年11月對(duì)廣四大學(xué)農(nóng)大食品廠 3t/h燃油鍋爐進(jìn)行改造運(yùn)行，改用生物質(zhì)粉狀燃料，使用由廣西日風(fēng)能源 發(fā)展有限公司研發(fā)的*物質(zhì)清潔燃燒機(jī)與鍋爐對(duì)接運(yùn)行。連續(xù)運(yùn)行-年后 于2013年12月20日委托廣西綠保環(huán)境監(jiān)測(cè)有限公司對(duì)鍋爐運(yùn)行情

16、況進(jìn) 行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為鍋爐煙囪排放物達(dá)標(biāo)?，F(xiàn)將部份有關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)附下：表7.1-1鍋爐廢氣監(jiān)測(cè)結(jié)果監(jiān)測(cè)日期監(jiān)測(cè)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目單位監(jiān)測(cè)結(jié)果執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)標(biāo)情況inm范圍/均值12月30日除塵后過(guò)量空氣系數(shù)3. 002. 882. 922. 93標(biāo)況干煙氣量m3/h4069377744934113煙塵實(shí)測(cè)濃度mg/m330.624.225.326.7煙塵排放濃度mg/m351.038.74143.6200達(dá)標(biāo)煙塵排放量kg/h0.120. 090.110.11s02實(shí)測(cè)濃度mg/m3<15<15<15<15s02排放濃度mg/m3900達(dá)標(biāo)s02排放量kg/hnox實(shí)測(cè)濃度mg

17、/m3271280287279nox排放濃度mg/m3452448466455達(dá)標(biāo)nox排放圭kg/h1. 101.061.291.15煙囪出口處煙氣黑度級(jí)<1<1<1<11達(dá)標(biāo)表8.7-1鍋爐廢氣污染物排放總量情況表鍋爐廢氣排放污染物煙塵so2nox排放速率（kg/h）0.101.29排放時(shí)間（h/a）240024002400年排放量（t/a）0.24<0. 153.10批復(fù)總量控制指標(biāo)年排放量（t/a）1.24.7總量控制達(dá)標(biāo)情況達(dá)標(biāo)達(dá)標(biāo)從檢測(cè)結(jié)果可知，該項(xiàng)目鍋爐廢氣經(jīng)旋風(fēng)除塵+布袋除塵器處理后， 煙（粉）塵排放濃度、氮氧化物排放濃度、二氧化硫排放濃度和煙氣黑