生物質(zhì)燃燒技術(shù)

1、生物質(zhì)燃燒技術(shù)摘要：清華大學(xué)生物質(zhì)燃燒技術(shù)建立在清華大學(xué)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生活垃圾清潔焚燒及綜合利用專利技術(shù)上，綜合考慮了生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)，循環(huán)流化床鍋爐經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，以保證生物質(zhì)燃料的充分燃燒，并避免積灰結(jié)渣及腐蝕現(xiàn)象。用于生物質(zhì)燃燒的熱風(fēng)發(fā)生裝置已申請(qǐng)專利。一、概況清華大學(xué)熱能工程系對(duì)生物質(zhì)的焚燒及其綜合利用進(jìn)行了十多年的研究，開發(fā)出了“燃用多成分低熱值燃料的流化床鍋爐及其運(yùn)行方法”(專利號(hào)：ZL97103977.1)發(fā)明專利技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)以循環(huán)流化床焚燒技術(shù)為核心，配以特殊的進(jìn)料和排渣系統(tǒng)，根據(jù)生物質(zhì)的燃燒特性、成灰特性，對(duì)進(jìn)料形式、爐膛結(jié)構(gòu)、分離方式、受熱面布置進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，并對(duì)防腐、尾

2、部積灰進(jìn)行了有效地處理，對(duì)排放物的污染進(jìn)行了有效地控制。該項(xiàng)技術(shù)擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可廣泛應(yīng)用于生活垃圾以及玉米芯、秸稈等農(nóng)林廢棄物的焚燒處理及能源利用。該循環(huán)流化床鍋爐具有高效、低磨損、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬、運(yùn)行可靠、啟動(dòng)迅速等突出優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)杜邦公司酒泉種子加工廠同類燃燒生物質(zhì)鍋爐實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，可長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行，運(yùn)行效果良好。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)對(duì)秸稈燃料的適應(yīng)性較好，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較大的。床內(nèi)工質(zhì)顆粒擾動(dòng)劇烈，傳熱和傳質(zhì)工況十分優(yōu)越，有利于高溫?zé)煔?、空氣與燃料地混合充分，為高水分、低熱值的生物質(zhì)燃料提供極佳的著火條件，同時(shí)由于燃料在床內(nèi)停留的時(shí)間較長(zhǎng)，可以確保生物質(zhì)燃料地完全燃燒，從而提高了燃用生

3、物質(zhì)鍋爐的熱效率。在生物質(zhì)燃燒技術(shù)研究的過(guò)程中，清華大學(xué)還開發(fā)了燃用生物質(zhì)的熱風(fēng)爐，并申請(qǐng)了專利“一種燃用生物質(zhì)的熱風(fēng)發(fā)生裝置”(發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?00710064684.1，實(shí)用新型專利申請(qǐng)?zhí)枺?00720103931.X)。二、生物質(zhì)燃料燃燒特性與常規(guī)的燃煤相比，生物質(zhì)燃料通常氧含量高(通常大于30%)，氫碳比、氧碳比較高，揮發(fā)分高，灰分含量少。由于生物質(zhì)燃料特性的不同，從而導(dǎo)致了生物質(zhì)燃料在燃燒過(guò)程中的燃燒機(jī)理、反應(yīng)速度以及燃燒產(chǎn)物的成分與燃煤相比也都存在較大差別，表現(xiàn)出不同于燃煤的燃燒特性。生物質(zhì)燃料的燃燒過(guò)程主要分為揮發(fā)份的析出、燃燒和殘余焦炭的燃燒、燃盡兩個(gè)獨(dú)立階段，其燃燒過(guò)程的特

4、點(diǎn)是：(1) 生物質(zhì)水分含量較多，燃燒需要較高的干燥溫度和較長(zhǎng)的干燥時(shí)間，產(chǎn)生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高；(2) 生物質(zhì)燃料的密度小，結(jié)構(gòu)比較松散，迎風(fēng)面積大，容易被吹起，懸浮燃燒的比例較大；(3) 由于生物質(zhì)發(fā)熱量低，爐內(nèi)溫度場(chǎng)偏低，組織穩(wěn)定的燃燒比較困難；(4) 由于生物質(zhì)揮發(fā)份含量高，燃料著火溫度較低，一般在250C350C溫度下?lián)]發(fā)份就大量析出并開始劇烈燃燒，此時(shí)若空氣供應(yīng)量不足，將會(huì)增大燃料的化學(xué)不完全燃燒損失；(5) 揮發(fā)份析出燃盡后，受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，焦炭顆粒燃燒速度緩慢、燃盡困難，如不采取適當(dāng)?shù)谋匾胧?，將?huì)導(dǎo)致灰燼中殘留較多的余碳，增大機(jī)械不完全燃燒損失。

5、(6) 秸稈等部分生物質(zhì)燃料含氯量較高，因此需要對(duì)床層部分結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況進(jìn)行特殊考慮，防止其對(duì)床層部分的腐蝕。同時(shí)，秸稈類生物質(zhì)燃料還會(huì)隨著收割季節(jié)的不同，水分波動(dòng)較大，這就要求燃燒設(shè)備對(duì)秸稈燃料水分波動(dòng)帶來(lái)的熱值變化的適應(yīng)性較強(qiáng)。而由于秸稈生物質(zhì)中含有大量的堿金屬元素(主要是鉀和鈉)，在生物質(zhì)燃燒過(guò)程中，堿金屬、硫和氯元素?fù)]發(fā)出來(lái)，相互間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后以硫酸鹽或氯化物的形式凝結(jié)在飛灰顆粒和受熱面的壁面上，容易在受熱面上發(fā)生積灰、結(jié)渣現(xiàn)象，影響燃燒設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。因此，在設(shè)計(jì)生物質(zhì)燃燒設(shè)備時(shí)，必須加以特殊考慮。三、清華大學(xué)生物質(zhì)燃燒技術(shù)特點(diǎn)清華大學(xué)生物質(zhì)燃燒技術(shù)在對(duì)玉米芯、秸稈等生物

6、質(zhì)燃料特性進(jìn)行分析、總結(jié)基礎(chǔ)上，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)加以特殊設(shè)計(jì)，使生物質(zhì)維持在750850C左右穩(wěn)定燃燒，避免了燃料結(jié)渣現(xiàn)象，并且減少了NOx、SOx等有害氣體的生成，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。本技術(shù)及其產(chǎn)品具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、熱效率較高，n83%；本技術(shù)采用循環(huán)流化床鍋爐，生物質(zhì)燃料焚燒徹底完全，而且分離后灰渣重新進(jìn)入爐膛，從而換熱效率大幅度提高，鍋爐的熱效率一般高于83%，相比目前的燃煤中小供暖鍋爐，熱效率提高了10%左右，從而能夠有效地減少燃料的耗量，降低了鍋爐的運(yùn)行成本。2、運(yùn)行成本低廉全部以玉米芯、秸稈等生物質(zhì)為燃料，其單位熱值的價(jià)格低于煤，加之本鍋爐的熱效率比目前的鍋爐高出

7、10個(gè)點(diǎn)左右，使得鍋爐的運(yùn)行成本較低。3、燃料適用性廣，能夠確保鍋爐穩(wěn)定安全運(yùn)行本產(chǎn)品不但能夠全部以玉米秸、玉米芯、麥秸、稻秸、木屑、雜草等生物質(zhì)為燃料，還可以全部以煤或者劣質(zhì)煤為燃料，同時(shí)，也能夠適應(yīng)煤和生物質(zhì)燃料混燒的情況，這樣，如果發(fā)生生物質(zhì)短缺的情況下，也可以保證鍋爐能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。4、對(duì)結(jié)渣問(wèn)題進(jìn)行了特殊處理生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)比較低，一般在930990C，本產(chǎn)品的爐膛設(shè)計(jì)溫度為750850C，并保持爐膛溫度均勻穩(wěn)定，從而避免爐膛結(jié)渣。5、對(duì)積灰問(wèn)題進(jìn)行了特殊處理根據(jù)生物質(zhì)焚燒的積灰特性，本產(chǎn)品對(duì)尾部對(duì)流受熱面和吹灰方式進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，采取乙炔爆燃的吹灰方式，能夠避免積灰。3.1 燃燒

8、組織生物質(zhì)鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒方式。爐膛內(nèi)的生物質(zhì)燃料在流態(tài)化狀態(tài)下燃燒，并與爐膛水冷壁受熱面進(jìn)行熱交換，離開爐膛并夾帶大量物料顆粒的煙氣經(jīng)過(guò)高溫旋風(fēng)分離器之后，絕大部分固體物料被旋風(fēng)分離器分離下來(lái)，經(jīng)返料器返回爐膛，煙氣則進(jìn)入尾部的煙道。循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)由爐膛、旋風(fēng)分離器和返料器等核心部分組成。為了使秸稈生物質(zhì)充分的燃燒和燃盡，鍋爐燃燒系統(tǒng)采用兩級(jí)配風(fēng)系統(tǒng)。由于物料充分循環(huán)，循環(huán)流化床鍋爐可以實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)均勻的溫度控制，爐內(nèi)均勻的溫度水平，有利于固定碳的燃盡，同時(shí)，通過(guò)高效率的旋風(fēng)分離器，可以把未燃盡的固定碳分離，送回爐內(nèi)燃燒，進(jìn)一步降低飛灰的含碳量，因此，秸稈循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率可以達(dá)

9、到99%以上。為了降低生物質(zhì)燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化硫和氯化氫，鍋爐設(shè)有石灰石加入系統(tǒng)，石灰石進(jìn)入爐膛后經(jīng)過(guò)煅燒分解為氧化鈣，氧化鈣在低溫下和煙氣中的二氧化硫反應(yīng)生成硫酸鈣，通過(guò)物料的多次循環(huán)，可以提高氧化鈣的利用率，通常循環(huán)流化床的脫硫效率可以達(dá)到90%以上。另外，在低溫燃燒狀態(tài)下，氧化鈣還可以與煙氣中的氯化氫反應(yīng)生成氯化鈣，脫除煙氣中一部分氯化氫氣體，對(duì)于減輕尾部的低溫腐蝕有較好的效果。3.2 有效防止結(jié)渣積灰現(xiàn)象防止生物質(zhì)燃料燃燒結(jié)焦的主要措施主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：一是控制生物質(zhì)燃料燃燒的溫度，使其低于灰的變形溫度；二是通過(guò)選擇性的循環(huán)床料，提高生物質(zhì)燃料燃燒后灰的熔點(diǎn)溫度。為了防止生

10、物質(zhì)燃料在爐膛內(nèi)結(jié)焦，選取了較低的爐膛燃燒溫度，同時(shí)，該溫度又不會(huì)影響到秸稈充分燃燒和燃盡。生物質(zhì)燃燒后的灰具有較強(qiáng)的粘結(jié)性，容易在對(duì)流受熱面上粘結(jié)，產(chǎn)生嚴(yán)重的積灰。清華大學(xué)生物質(zhì)燃燒技術(shù)把過(guò)熱器的高溫段以屏式過(guò)熱器的形式放置在爐內(nèi)，通過(guò)爐內(nèi)循環(huán)物料持續(xù)沖刷，有效地解決了屏式高溫過(guò)熱器的積灰。而控制尾部煙道中低溫過(guò)熱器的蒸汽出口溫度，又可進(jìn)一步降低了低溫過(guò)熱器的積灰。同時(shí)，采用高的煙氣流速，也可以有效降低受熱面的積灰。另外，尾部對(duì)流受熱面應(yīng)配備合理的吹灰設(shè)備，對(duì)受熱面的積灰進(jìn)行有效地清除。3.3 有效防止高溫腐蝕現(xiàn)象生物質(zhì)燃料中含有后少量的硫和一定量的氯，燃燒過(guò)程中，會(huì)在過(guò)熱器受熱面上發(fā)生高溫

11、腐蝕。對(duì)高溫腐蝕的機(jī)理研究表明，鍋爐受熱面的高溫腐蝕與管壁的溫度和積灰關(guān)系密切。如果管壁積灰弱，即使管壁溫度較高，高溫腐蝕的速度也較慢；如果積灰嚴(yán)重，腐蝕速度隨著管壁溫度的升高急劇增加。清華大學(xué)生物質(zhì)燃燒技術(shù)采用屏式高溫過(guò)熱器，因循環(huán)物料的持續(xù)沖刷，積灰非常弱，因此，發(fā)生高溫腐蝕機(jī)會(huì)大大降低。同時(shí)，屏式高溫過(guò)熱器所用材料本身具有良好的抗腐蝕能力，從而有效避免了屏式高溫過(guò)熱器的高溫腐蝕。低溫過(guò)熱器放置在尾部煙道中，由于控制了低溫過(guò)熱器出口的蒸汽溫度，也大大降低了低溫過(guò)熱器的高溫腐蝕。同時(shí)，選取高的煙氣流速和有效的吹灰設(shè)備,減輕低過(guò)的積灰狀況，同樣可以有效避免低溫過(guò)熱器的高溫腐蝕。r-V3.4有效

12、防止低溫腐蝕-鍋爐的低溫腐蝕主要是指空氣預(yù)熱器低溫段的酸腐蝕，由于煙氣中水蒸汽含量較高，煙氣中氯化氫、二氧化硫等酸性氣體會(huì)在管壁上凝結(jié)，發(fā)生低溫腐蝕。清華大學(xué)生物質(zhì)燃燒技術(shù)采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，可以通過(guò)爐內(nèi)加石灰石，降低煙氣中的酸性氣體的含量，提高了酸露點(diǎn)的溫度，可以減輕低溫腐蝕；同時(shí)，空氣預(yù)熱器的低溫段管材使用抗低溫腐蝕設(shè)計(jì)，可以有效降低空氣預(yù)熱器低溫段的低溫腐蝕。四、工程實(shí)例1、登海先鋒種業(yè)種子烘干熱源系統(tǒng)一期工程（8t/h）本項(xiàng)目的業(yè)主山東登海先鋒種業(yè)公司（先鋒種業(yè)為美國(guó)杜邦的全資子公司，登海先鋒為其在國(guó)內(nèi)的合資公司），該項(xiàng)目以清華大學(xué)開發(fā)的循環(huán)流化床焚燒爐為核心，采用全自動(dòng)控制，以不

13、經(jīng)任何處理的玉米芯為燃料，生產(chǎn)恒溫?zé)犸L(fēng)對(duì)種子進(jìn)行烘干。項(xiàng)目主要內(nèi)容如下：鍋爐類型：循環(huán)流化床鍋爐數(shù)量：1臺(tái)鍋爐出力：5.6MW（8t/h）燃料種類：玉米芯燃料耗量：1.5t/h出水溫度：115C回水溫度:70C每天節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤：20t/d投產(chǎn)日期：2004年9月每天節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤：20t/d投產(chǎn)日期：2004年9月2、登海先鋒種業(yè)種子烘干熱源系統(tǒng)二期工程（20t/h）由于一期項(xiàng)目的成功運(yùn)行，為用戶節(jié)省了大量的運(yùn)行費(fèi)用，山東登海先鋒種業(yè)公司于2006年1月繼續(xù)采用清華大學(xué)開發(fā)的生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐上馬二期工程，該項(xiàng)目于2006年9月順利建成投產(chǎn)。二期工程的主要內(nèi)容如下：鍋爐類型：循環(huán)流化床鍋爐數(shù)量：1臺(tái)鍋爐出力：14MW(20t/h)燃料種類：玉米芯燃料耗量：3.75t/h出水溫度：115C回水溫度:70C每天節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤：50t/d11爐及工藝系統(tǒng)，可供企業(yè)新建或改造技術(shù)選擇。投產(chǎn)日期：2006年9月3、甘肅敦煌種業(yè)先鋒良