（热能工程专业论文）流态化生物质燃烧冷热态实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 能源是人类社会发展的基础，能源结构的重大变革导致了人类社会的巨大进 步，国民生产总值的增长始终与能源消费同步增长。石油将在2 1 世纪枯竭，新 的能源结构将在新的世纪中形成，多种能源并存的能源体系将成为新世纪能源结 构的特征，生物质能源将成为2 1 世纪的重要能源之一。生物质直燃发电技术， 作为一种生物质能的利用方式，具有工艺环节少，经济效益突出的优点，是我国 利用生物质能的一条有效途径。循环流化床燃烧方式具有燃料适应性广，燃烧温 度低，燃烧效率高，负荷调节性能好等独特的优点，适于燃烧生物质燃料，特别 是高碱的秸秆类生物质燃料。由于生物质形状和物理性质的特殊性，和常规化石 燃料相比，生物质在循环流化床内的流动特异性强，会显著影响炉膛内的燃烧情 况，通过冷态实验对循环流化床内生物质与床料的流化特性，混合分离特性以及 颗粒浓度分布特性的深入研究，将对指导工程实践有很大的意义。在炉内冷态研 究的基础上进行热态实验可以进一步了解生物质在炉内的燃烧特性，从而优化循 环流化床燃烧生物质燃料的燃烧组织，提高燃烧效率。 为了对生物质在流化床内的流化特性，混合分离特性以及颗粒浓度分布特性 加深认识，在自行搭建的冷态循环流化床试验台上，考察了不同因素对床内流化 特性的影响，包括：生物质颗粒与床料的配比，生物质颗粒与床料颗粒的粒径和 形状以及起流化过程中时间的影响等。通过实验研究发现，在相同的工况下，当 床内出现气泡，生物质颗粒有向上运动的趋势时，除稻壳以外，气泡的向上运动 可以改变床内生物质质量份额的分布。实验显示当生物质颗粒与床料颗粒的大小 相差很大时，两种颗粒的质量比对床内的临界流化特性影响显著，而当两种颗粒 大小相近时，影响较小。不同形状的颗粒与河砂混合时，具有可容纳河砂颗粒结 构的稻壳对床层的临界流化特性影响较大。从颗粒分布看，在鼓泡状态下运行时， 生物质与河砂的混合物呈现出明显的分层现象，生物质在炉膛高度上分布不均 匀，几乎都集中在上部。在循环流化床状态下运行时，生物质颗粒在炉膛高度上 分布相对均匀，但是混合物颗粒浓度整体上还是沿床高方向减小，生物质颗粒浓 度在床内随高度的上升也呈现出逐渐减小的趋势。 在热态小型燃生物质循环流化床试验台上对稻草和麦草两种生物质进行燃 烧试验，对沿炉膛高度的温度分布进行分析，结合冷态实验结果探索了热态条件 浙江大学硕士学位论文摘要 下循环流化床炉膛内的燃烧份额分布。在分区传热平衡思想的基础上，引入区域 有效吸热比的概念，对热态试验台沿炉膛高度方向的燃烧份额分布进行建模，定 量求解了沿炉膛方向的燃烧份额分布。通过研究发现生物质循环流化床燃烧过程 中炉内温度分布存在不均匀性，高温区出现在炉膛中上部，而密相区温度比高温 区低5 0 c 左右。炉内密相区的燃烧份额很小，燃烧大部分发生在稀相区，使稀相 区温度升高。 论文还对实际工程中燃生物质的循环流化床锅炉的运行进行了数据采集分 析，考察了不同负荷下炉膛的温度分布。研究发现炉膛内的温度在密相区出口以 后随高度增加而逐渐升高，最高温度出现在炉膛出口位置。利用热态试验中采用 的研究思想，对不同负荷下炉内的生物质燃烧份额分布进行了研究，发现实际工 业规模炉膛中的燃烧份额分布与热态试验类似，燃烧大部分发生在稀相区，而在 密相区和炉膛出口则较少。利用构建的燃烧份额模型预测炉内的温度分布，得到 的结果与实际测量结果吻合较好。 关键词：生物质流化特性混合特性颗粒浓度温度分布燃烧份额 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g yi st h ef o u n d a t i o no fo u rw o r l d g r e a tc h a n g eo fe n e r g ys t r u c t u r er e s u l t si n t h eg r e a td e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t y t h ei n c r e a s eo fg d p a l w a y sk e e pp a c ew i t h t h ei n c r e a s eo fe n e r g yc o n s u m p t i o n o i lw i l lb eu s e do u t ，a n dt h en e we n e r g ys t r u c t u r e w i l lb eb u i l tu pi nt h e21t hc e n t u r y p r e s e n c eo fm u l t i e n e r g yw i l lb et h ec h a r a c t e r i s t i c o fe n e r g ys t r u c t u r ei nt h en e wc e n t u r y t h eb i o m a s se n e r g yi sl i k e l yt ob eo n eo ft h e m a i ne n e r g yi n21t hc e n t u r y a sau t i l i z a t i o nm o d eo fb i o m a s se n e r g y ，e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo fb i o m a s sc o m b u s t i o ni ss i m p l ea n dc o s t - e f f e c t i v e t h i sw i l l b eaa v a i l a b l ea p p r o a c ho fb i o m a s su s a g ei no u rn a t i o n c o m b u s t i o ni nc f bh a si t s o w np a r t i c u l a rs t r o n g p o i n t s ，s u c ha sw i d ef l e x i b i l i t yo ff u e l ，l o wt e m p e r a t u r e c o m b u s t i o n ，h i g hc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y ，f a v o r a b l ea d ju s t m e n tp e r f o r m a n c eo nl o a d ， s oi ti sag o o dm e t h o dt oh a n d l eb i o m a s sf u e l b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo fs h a p e a n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fb i o m a s s ，c o m p l e xf l o wh a p p e n e di nc f ba n di n f l u e n c et h e c o m b u s t i o ni nt h eb o i l e r a sa b o v e ，t h ed e e pr e s e a r c ho nf l u i d i z a t i o np r o p e r t y , m i x s e p a r a t i o np r o p e r t y a n dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o np r o p e r t yw i l lb e m e a n i n g f u lt ot h ep r a c t i c ei ne n g i n e e r i n g o nt h eb a s eo fc o l d r e s e a r c hi nb o i l e r ， c a r r y i n go u tr e s e a r c ho nc o m b u s t i o np r o p e r t yo fb i o m a s s w i l lc o n d u c et oo r g a n i z a t i o n o fc o m b u s t i o na n di m p r o v e m e n to fc o m b u s t i o ne f f i c i e n c yi nc f b i no r d e rt og e to u rd e e pu n d e r s t a n da b o u tf l u i d i z a t i o np r o p e r t y ，m i x - s e p a r a t i o n p r o p e r t ya n dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o np r o p e r t yo fb i o m a s si nc f b ，w e r e v i e wt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf a c t o r s ，i n c l u d i n gd i f f e r e n tr a t i o ，d i f f e r e n ts i z ea n d d i f f e r e n ts h a p eo fb i o m a s s ，o nf l u i d i z a t i o np r o p e r t yo nt h ec o l dc f bt e s t b e d w i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h w ef i n dt h a tr a t i ow i l li n f l u e n c et h ec r i t i c a lf l u i d i z a t i o n p r o p e r t yr e m a r k a b l yw h e nt h eb i gd i f f e r e n c eo fs i z ee x i s t sb e t w e e n b i o m a s sa n ds a n d w h e nt h e d i f f e r e n c eo fs i z ee x i s tb e t w e e nb i o m a s sa n ds a n d si sn o to b v i o u s ，t h er a t i o i n f l u e n c ew i l lb es m a l l a sf o rd i f f e r e n ts i z eo fb i o m a s sp a r t i c l e ，t h eb i go n ew i l l i n f l u e n c et h ec r i t i c a lf l u i d i z a t i o np r o p e r t ym o r er e m a r k a b l y f o rd i f f e r e n tk i n d so f b i o m a s sw i t hd i f f e r e n ts h a p e ，t h eo n ew i t hs p e c i a ls h a p ew h i c hc a nk e e pb i o m a s s p a r t i c l e si n s i d ew i l lg i v em o r ei n f l u e n c eo nt h ec r i t i c a lf l u i d i z a t i o np r o p e r t y i nt h e b u b b l i n gf l u i d i z e db e d ，t h em i x t u r eo fb i o m a s sa n d s a n d st a k eo nc l e a rp h e n o m e n ao f d e l a m i n a t i o n ，t h a tt h ed i s t r i b u t i o no fb i o m a s si su n e v e n ，m o r ea tt h et o pa n dl e s s a tt h eb o t t o mo fb o i l e r i nc o n t r a s tw i t hb u b b l i n gf l u i d i z e db e d ，t h ed i s t r i b u t i o no f l v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b i o m a s si nc f bi sm o r eu n i f o r m i t y t h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o no fb i o m a s sa n ds a n di n c f bd e c r e a s ea st h eh e i g h to fb o i l e r ，a n dt h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o no fb i o m a s sf o l l o w t h es a m er u l e w i t ht h eh o tc f bt e s t b e d ，w ec a r r yo u tc o m b u s t i o ne x p e r i m e n to nr i c es t r a w a n dw h e a ts t r a wt oa n a l y s i st h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n dg e tt h eu n d e r s t a n d i n g o nc o m b u s t i o ni nt h eb e d o nt h eb a s eo fz o n i n gh e a tb a l a n c e ，w eu s et h er a t i oo f e f f e c t i v ed e c a l e s c e n c et ob u i l dm o d e l i n go fc o m b u s t i o nf r a c t i o na l o n gt h eh e i g h to f b o i l e r w i t ht h em o d e l l i n g ，w ec a l c u l a t et h ed i s t r i b u t i o no fc o m b u s t i o nf r a c t i o na n d g e tt h ed e e pu n d e r s t a n d i n go nc o m b u s t i o n i nb e d a tl a s t ，w eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a t d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ei nb o i l e ri su n i f o r m i t y ，h i g ht e m p e r a t u r ez o n eo c c u r si nt h e m e d i a ns u p e r i o rp a r to fb o i l e ra n dt h et e m p e r a t u r ea tt h eo u t l e to fb o i l e rd e c r e a s e r a p i d l yb e c a u s eo fs i m u l a t e dh e a t i n gs u r f a c e t h ep o r t i o no fc o m b u s t i o ni nb o i l e r d e n s ez o n ei sv e r yl o wa n di nt h ef r e eb o a r di sh i g h w i t ht h ed a t ac o l l e c t e df r o mt h eb i o m a s sc o m b u s t i o nc f bi nd e m o n s t r a t i o n p r o j e c t ，w ea n a l y s i st h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n tl o a da n dg e t c o n c l u s i o nt h a tt h el o wt e m p e r a t u r eo c c u r si nt h eo u t l e to fb o i l e rd e n s ez o n ea n dt h e t e m p e r a t u r ei n c r e a s ea f t e rd e n s ez o n e t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo c c u r si nt h eo u t l e to f b o i l e r w eu s et h ei d e au s e di nt h eh o te x p e r i m e n tt om a k er e s e a r c ho nt h ed i s t r i b u t i o n o fc o m b u s t i o nf r a c t i o nu n d e rd i f f e r e n tl o a d a sar e s u l t ，w ef i n dt h a tt h ed i s t r i b u t i o n o fc o m b u s t i o nf r a c t i o ni nd e m o n s t r a t i o np r o j e c ti st h es a m ew i t ht h eh o t e x p e r i m e n t ，t h a tc o m b u s t i o nm a i n l yh a p p e n e di nf r e eb o a r d ，i n c o n t r a s t ，t h ed e n s e z o n ea n do u t l e to fb o i l e ri sl e s s a tt h ee n d ，w eu s et h eb u i l tm o d e lo fc o m b u s t i o n f r a c t i o nt of o r e c a s tt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ei nb o i l e ra n dg e tt h ea c c u r a t er e s u l t k e y w o r d s ：b i o m a s s ，f l u i d i z a t i o np r o p e r t y ，m i x s e p a r a t i o np r o p e r t y ， p a r t i e l e c o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r e d i s t r i b u s t i o n ，c o m b u s t i o n f r a c t i o n v 一 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿态鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：妊铆 签字同期：耐年厂月7 1 自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁谧，允许沦文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩e i j 或扫描等复制手段 保存、汇编学f 移沦文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：易刀 导师签名： 弼年停悯 浙江大学硕十学位论文致谢 致谢 时光如梭，一晃两年的研究生生活就要结束了，自己的学生生活也结束了。 在浙江大学热能工程研究所的学习是快乐的，也是有收获的，这里有良师，有益 友，是我在短暂的两年的时间里获得了不小的收获。 论文是在我的导师余春江副教授的悉心指导下完成的，很庆幸能在这样的导 师的指导下完成此硕士论文工作，从论文选题到研究方法乃至论文的写作对我进 行了全程性的关键指导，并在论文进度和质量上提出了严格的要求，在整个过程 中余老师仔细认真的做事态度永远值得我学习。本文的完成也离不开我的导师组 的方老师和王老师，他们给与了我很大的帮助。感谢流化床课题组的施正伦研究 员、王勤辉教授、程乐鸣教授、周劲松教授、高翔教授、王树荣副教授，导师们 高瞻远瞩的宏观决策能力、严谨的治学作风、敏锐的洞察力、积极的开拓精神以 及平易近人的处事方式让我受益匪浅，在此谨向几位导师致以崇高的敬意和诚挚 的谢意。 我特别感谢师兄秦建光，他是我学习和科研上的榜样，是我生活上的兄长。 是秦师兄把我领进了科研的大门，从最小的实验方法学起，一步一步的是我更加 进步，在实验上他严格要求，严谨踏实，很好地体现了求是精神。从一入门师兄 一直带着我做实验，分析实验数据，讨论实验思路，两年多时间我从他身上学到 了很多，也一起体会了实验过程中的艰苦，感受了实验成功的快乐，在此对师兄 表示特别的感谢。感谢同一课题组的聂虎和刘垫两位师弟，在实验过程中给予我 很大的帮助，经常不辞辛苦帮助我做实验。 感谢陈师傅和洪师傅在实验台改造和实验仪器操作方面给予的帮助，从他们 身上学到了好多实践的知识。感谢张工在物料理化特性分析与气体成分检测方面 给予的帮助。 感谢远方的父母对我的支持和鼓励，一直以来对我的引导以及对我的信任， 让我在人生道路上走的很自信，取得的每一点成绩他们都为我欣喜，他们对我的 爱和鼓励将永远是我前进的动力。 在此向所有关心过我和帮助过我的人说声谢谢。 李双江 2 0 0 8 年5 月于求是园 浙江大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 2 1 世纪是发展的世纪，在人们享受发展带来的诸多优势的同时，我们也面 临着能源与环境给我们带来的双重压力，如何解决这两个问题成为各国关注的焦 点。能源是人类社会发展的基础，纵观人类几千年的文明史，能源结构的重大变 革导致了人类社会的巨大进步，国民生产总值的增长始终与能源消费同步。石油 将在2 l 世纪枯竭，新的能源结构将在新的世纪中形成n 2 1 ，多种能源并存的能源 体系将成为新世纪能源结构的特征，生物质能源极有可能成为2 1 世纪的主要能 源之一。从上世纪7 0 年代开始，人们对石油、煤炭、天然气的贮量和可开采时 限作过种种的估算与推侧，几乎都得出一致结论：2 1 世纪化石燃料中有的将被 开采殆尽，有的因开采成本高以及开发使用导致的一系列环境问题而失去开采价 值。地质学家早已明确指出：石油耗竭之日已为期不远了。现在，尽管地质学家 和经济学家们在激烈地争论石油开始匮乏的时间，但无论如何，化石燃料终将耗 尽却是无可争辩的事实，如表1 一l 口4 1 所示。另一方面，大量燃烧煤、石油和天然 气等化石燃料所排放的有害物质使大气环境受到严重污染。应该未雨绸缪尽最大 的努力开发可利用的清洁替代能源，解决能源匮乏及环境的危机。 表1 - 1 非可再生能源占全球能耗比例与可用年限 能源种类占全球能耗的比例( )可用年限( 年) 煤2 5 2 2 0 化石能源 石油3 27 44 0 天然气 1 76 0 核能( 裂变) 42 6 0 总和7 85 8 0 中国的能源形势面临着严峻挑战瞄1 ，人均一次能源极其有限。从能源利用的 可行性分析，到2 0 5 0 年，非常乐观地估计，每年总共也只有3 0 亿t c e 。这一分 析表明，到下个世纪中叶，我国人均一次性能源占有量仅为2 t c e 左右，仅比1 9 9 5 年增加一倍，显而易见下个世纪我国能源形势十分严峻。从能源弹性系数来看， 通常的能源弹性系数为l 左右，即国民生产总值的增长与能源消费是同步增长 的，要实现我国在下个世纪中叶达到中等发达国家的水平，能源自然成了我国国 一1 一 浙江大学硕十学位论文l 绪论 民经济发展的瓶颈因素。大力发展可再生能源被广泛认为是解决能源匮乏和环境 问题的最可行的方法，而在可发展的可再生能源种类中，生物质能无疑占据了很 重要的位置，它可以方便地转化成常规的固态、液态和气态燃料以及其它化工原 料或者产品。生物质能在世界能源消耗中占有一定的比例，仅次于煤、石油和天 然气。随着人们对能源与环境的高度重视，高效、清洁的燃烧方式越来越受到人 们的关注。生物质燃烧在二氧化碳总量上实现了零排放，消除了产生温室效应的 根源，有专家认为生物质能源将成为未来可持续能源的重要组成部分。随着化石 燃料的日益短缺和高新技术的发展，特别是生态环境的需要，世界各国相继进行 了生物质能的开发和利用1 。 1 2 生物质能的概念及其特点 1 2 1 生物质能的概念 生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而蕴藏在生物质内 部的一种能量形式，是一种以生物质为载体的能量，它直接或间接地来源于植物 的光合作用产生的各种有机体。生物质能是可再生而不会枯竭的能源，又是绿色 能源，是理想的可再生能源之一。生物质通常包括以下几个方面：一是各种速生 的能源林、薪炭林、经济林、用材林、灌木林，木材及森林工业废弃物；二是农 业废弃物，如农作物秸秆、稻壳、玉米芯、蔗渣等；三是水生植物；四是油料植 物；五是城市和工业有机废弃物；六是动物粪便盯t 巍玑1 0 1 。 1 2 2 生物质能的特点 ( 1 ) 可再生性； ( 2 ) 低污染性：生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中的s o x 、n o x 较 少；生物质作为燃料时，由于它在生长时吸收的二氧化碳量相当于它燃 烧时排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零， 可有效地减轻温室效应； ( 3 ) 广泛分布性：缺乏煤炭的地域可充分利用生物质能 1 1 o 生物质被认为是今后最有效的可再生能源。据预测，从2 0 0 0 年到2 1 0 0 年， 全世界消耗能源总量将从3 7 1 0 1 7 j 增加到7 1 1 0 1 7 j ，而且均呈现出化石燃料 消耗减小，可再生能源增加迅速的趋势。在2 0 6 0 年，可再生能源将超过化石能 源，到2 1 0 0 年，可再生能源将占总能源的5 0 以上n2 l 。 一2 一 浙江大学碗i 岸位论i 绪皓 12 3 生物质能的储量 生物质能作为一种很有前途的清洁能源，垒球每年可开发量相当于6 5 亿t 标准煤，中国每年的总量相当于7 亿t 标准煤“。每年经光合作用产生的生物质 约1 7 0 0 亿吨，其能量约相当于世界主要燃料消耗的1 0 倍；而作为能源的利用量 还不到其总量的1 。据美国能源部1 9 9 9 年组织法国、荷兰、德国、奥地利和马 来西亚等国的科学家对部分能源植物进行的研究表明：到2 0 5 0 年，全球液体燃 料油的8 0 将来自木本植物草本植物和藻类等生物质能源”“。 中国拥有丰富的生物质能资源，据测算，中国理论生物质能资源耒5 0 亿t 左右的标准媒，是目前中国的总能耗的4 倍左右，2 0 0 0 年生物质能的储量分布 如下图l 一产1 。1 9 9 6 年我国的各种主要农作物秸秆( 稻秆、麦秆、玉米秆等) 总量 为70 5 亿t ，农业加工残余物( 稻壳、蔗渣等) 约为08 4 亿t ，薪材及林业加工剩 余物合理资源量为15 8 亿t ，人畜粪便生物质资源总量为44 3 亿t ，城市生活垃 圾污水中的有机物约o5 6 亿i ，我国生物质能资源潜力折合7 亿t 煤标准煤左右， 而目前年实际使用量为2 2 亿t 标准煤左右。因此我国的生物质资源还有很大的 开发潜力“。 司。 图11 2o o o 年中国生物质能源量分布 如果我国能从现在开始大力开发生物质能产业，以一半的资源用于液体燃料 生产，这样就可为中国的石油市场提供2 亿吨植物石油。我国尚有约1 亿公顷的 荒地。如果每年以7 0 0 0 公项用于开发能源农业和能源林业，其中3 0 0 0 公项用 开发能源林，其生产的生物质资源量可达1 5 亿吨生物质，相当干5 亿a 屯标准煤。 如西部开始治理沙漠，发展2 0 0 0 公顷能源林业，可生产1 0 亿吨生物质相当于5 3 一 心删删州州毗酬吩 浙江大学硕士学位论文l 绪论 亿吨标准煤。如果发展2 0 0 0 公顷的能源农业，种植能源用途的甜高梁、甘蔗、 木薯、芒草等高能作物、生物质资源量可达1 0 亿t ，相当于5 亿吨标准煤n 。 1 3 生物质的转化利用技术 图1 2 所列为生物质转换技术在国际上通常的分类表述。发达国家对生物质 能的利用比较多，使用的原料主要是是木质素( 森工下脚料、能源林、果壳、棉 柴等) ，在各种利用技术中，生物质发电技术成熟，但设备规模大( 多在2 0 0 m w 以上) ，号称小型的也在2 m w 左右。生物质转换乙醇过程中主要以甘蔗或玉米 为原料，美国每吨玉米转化酒精4 0 加仑( 1 2 8 姆) ，巴西用能源甘蔗转换酒精， 每公顷产8 9 t 能源甘蔗可转换5 6 0 0 蛞酒精n 引。 生物质能利用技 术 直接燃烧技术li 物化转换技术ii 生化转换技术li 植物油技术 炉灶燃烧技术 锅炉燃烧技术 致密成型技术 垃圾焚烧技术 木材干馏技术 热解气化技术 热解制油技术 填埋制气与堆肥 小型户用沼气池 技术 大中型厌氧消化 技术 制取乙醇技术 图卜2 生物质能转换技术分类 1 3 1 生物质直接燃烧技术 生物质直接燃烧就是将生物质直接作为燃料进行燃烧，主要用于发电或集中 供热。生物质直接燃烧具有如下特点n 们： ( 1 ) 生物质燃烧所释放出的c 0 2 大体相当于其生长时通过光合作用所吸收 的c 0 2 ，因此可以认为是c 0 2 的零排放，有助于缓解温室效应； 一4 一 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 ( 2 ) 生物质的燃烧产物用途广泛，灰渣可加以综合利用； ( 3 ) 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s 0 2 、n o x 等有害气体的排放浓度； ( 4 ) 采用生物质燃烧设备可以最快速度地实现各种生物质资源的大规模减 量化、无害化、资源化利用，而且成本较低，因而生物质直接燃烧技术 具有良好的经济性和开发潜力。 国内燃用生物质发电技术的研究还不是很成熟，生物质直燃发电的产业化才 刚刚起步，仍旧有很长的路要走。在生物质直燃技术的基础理论研究方面国内还 很欠缺。我们与国外相比，无论是理论研究还是产业化利用都有相当的差距，这 就需要我们在引进国外技术的同时努力开展国内的研究与利用。国家应该加强这 方面的鼓励力度，给予坚定的政策保障。 现在我们也做出了一定的成绩。哈尔滨工业大学、清华大学、华中理工大学、 浙江大学等机构也对流化床燃用生物质燃料技术进行了一系列的研究心0 1 。哈尔滨 工业大学热能工程教研室和国内4 个锅炉厂家合作，研制开发了1 2 5 t h 甘蔗渣 流化床锅炉、4 t h 稻壳流化床锅炉、1 0 t h 碎木和木屑流化床锅炉 2 1 j 浙江大学在 流态化燃烧领域内也做出了很多的成绩，通过长期的科研探索，结合工程应用中 所积累的大量宝贵经验开发了7 5 t h 生物质循环流化床锅炉，有效解决了秸秆在 流化床中燃烧组织的难题，这是我国第一个拥有自主知识产权的国产化秸秆循环 流化床直燃发电示范项目，于2 0 0 6 年1 2 月2 0 日点火。 1 3 2 生物质固化成型技术 所谓生物质固化就是将生物质粉碎至一定的粒度，不添加粘接剂，在高压条 件下，挤压成一定形状。其粘接力主要是靠挤压过程所产生的热量，使得生物质 中木质素产生塑化粘接，成型物进一步碳化制成木炭1 。 现有的生物质成型技术按成型物的形状主要可分为三大类：圆柱块状成型、 棒状成型和颗粒状成型技术。 国内清华大学、浙江大学、哈尔滨理工大学、煤炭研究院北京煤化学研究 所等单位对生物质的固化利用途径进行了深入的研究，取得了一系列的成果心引。 我国的生物质固化技术开始于“七五”期间，现已达到工业化生产规模。目前国 内已开发完成的固化成型设备有2 大类：棒状成型机和颗粒状成型机。这2 种机 型均由中国林科院林化所科研人员率先完成。棒状成型机有单头和双头两种，单 一s 一 浙江大学硕士学位论文1 绪论 头生产能力为1 2 0 k g h ，双头机生产能力为2 0 0 k g h 。1 9 9 8 年与江苏正昌粮机集 团公司合作，开发了内压滚筒式颗粒成型机，生产能力为2 5 0 3 0 0k g h ，生产 的颗粒成型燃料尤其适用于家庭或暖房取暖使用。南京市平亚取暖器材有限公 司，从美国引进适用于家庭使用的取暖炉，通过国内消化吸收，形成工业化生产。 并从美国引进了一套生产能力为1 5 t h 的颗粒成型燃料生产线，19 9 9 年开始正式 生产，产品供应市场运行情况良好口1 。 北京惠众实科技有限公司开发的”h i g h z o n e s ”固化成型技术已经具备国际水 平，与国外相比此项技术采用了新的成型机理，实现了常温，无需任何添加剂和 粘结剂条件下的成型，降低了成本，对于解决我国生物质能分散广的利用缺点有 一定的帮助乜羽。 许多发达国家对生物质成型技术进行了深入的研究，产生了一系列的生物质 固化技术。日本、德国、土耳其等国研究用糖浆作为粘结剂，用锯末和造纸厂废 纸与原煤按比例合生产型煤，成为许多场合的替代燃料。另外，美国、英国、匈 牙利等国用生物质水解产物作为粘结剂生产型煤乜3 1 。日本从2 0 世纪4 0 年代开始 了生物质成型技术研究，开发出单头、多头螺杆挤压成型机，生产棒状成型燃料， 其年生产量达2 5 万t 左右。欧洲各国开发了活塞式挤压制圆柱及块状成型技术。 1 3 3 生物质热解技术 生物质在隔绝或少量供给氧气的条件下，加热分解的过程通常称之为热解。 热解就是利用热能切断生物质大分子键，使之转变为小分子物质的过程【1 1 】。 热解工艺可以分为以下3 种类型犯钔： ( 1 ) 慢速热解( 烧炭法) ：主要用于烧木炭业； ( 2 ) 常规热解：是将生物质原料放入常规热解装置种进行，经热解，可得到 原料重量2 0 2 5 的生物炭、1 0 2 0 的生物油； ( 3 ) 快速热解：是将磨细的生物质原料在快速热解装置中进行，热解产物中 的生物油，一般可以达到原料重量的4 0 6 0 ，快速热解过程需要的 热量以热解产生的部分气体为热源供应。图1 3 心们是典型的生物质快速 热解工艺。 一6 一 浙江大学硕士学位论文 l 绪论 a 生物质b 干燥气体c 热解气体d 供热气体e 炭f 生物油 g 流化气体 1 干燥器2 粉碎机3 反应器4 旋风分离器5 冷凝器 图1 - 3 循环流化床快速热解工艺图 另外，国内外正在对”闪速热解”技术进行研究，加热速率越高，热解获得的 气态和液态燃料产量越高。 1 3 4 生物质气化技术 生物质气化是在高温下部分氧化的转化过程。该过程是直接向生物质通气化 剂( 空气、氧气或水蒸汽) ，生物质在缺氧的条件下转变为小分子可燃气体的过程 i l 】 生物质的气化过程分为四个过程：氧化，还原，干馏和干燥。国内外最常用 的气化方法主要有：固定床气化炉、流化床气化炉、携带床气化炉【2 5 1 。气化产生 的可燃气主要用来发电，系统图如图1 4 。 传统的生物质气化联合发电技术( b i g c c ) 包括生物质气化、气体净化、燃 气轮机发电及蒸汽轮机发电乜朝。生物质气化发电技术的基本原理乜 是把生物质 转化为可燃气，再利用可燃气推动燃气发电设备进行发电。气化发电工艺包括三 个过程，一是生物质气化，把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气化 出来的燃气都带有一定的杂质，包括灰分、焦炭和焦油等，需经过净化系统把杂 质除去，以保证燃气发电设备的正常运转；三是燃气发电。据报道2 0 0 4 年1 月 2 日，江苏兴化苏源实业有限公司与中国科学院广州能源研究所所属广州中科科 技有限公司、兴化市戴窑工业供销公司签订了共同投资建设装机容量为5 0 0 0k w 生物质气化发电站的合作协议，三方总投资为2 9 8 0 万元在兴化兴建世界第三、 一7 一 浙江大学硕士学位论文1 绪论 国内最大装机容量的生物质气化发电项目。目前，国际上有很多先进国家开展提 高生物质气化发电效率这方面的研究，如美国b a t t e l l e ( 6 3 m w ) ，夏威夷( 6 m w ) 项目，欧洲英国( 8 m w ) 和芬兰( 6 m w ) 的示范工程等乜引。 空气 燃气 永 图1 - 4 气化发电系统图 随着我国能源供需形势的发展，人们对生物质发电规模及系统效率提出了更 高的要求，发展生物质整体气化联合循环发电系统( b i g c c ) ，尤其是增压流化 床气化联合发电系统的必要性越来越明显。国外发展的比较迅速，瑞典 v a r n a m ob i g c c 电厂，意大利t e fb i g c c 示范电厂，英国a r b r eb i g c c 示范电厂，美国m c n e i lb i g c c 电厂汹1 都是比较典型的b i g c c 示范工程。 1 3 5 生物质液化技术 液化是指通过化学方式将生物质转变成液体产品的过程。液化技术主要有直 接液化和间接液化类。直接液化就是在较高的压力液化，故又称高压液化。把生 物质放在高压设备中，添加适宜的催化剂，在一定的工艺条件下反应，反应物的 停留时间长达几十分钟，然后制成液化油，作为汽车用燃料或进一步分离加工成 化工产品。间接液化就是把生物质气化后，再进一步合成为液体产品，或采用水 解法把生物质中的纤维素、半纤维素转化为多糖，然后再用生物技术发酵成酒精 n l 】 美国、新西兰、日本、德国、加拿大等国先后开展了从生物质制取液化油的 研究工作。将生物质粉碎处理后，置于反应器内，添加催化剂或无催化剂，经化 一 ；一 浙江大学硕士学位论文 i 绪论 学反应转化为液化油，其发热量达3 5 1 0 4 l ( j 蚝左右，用木质原料液化的得率 为绝干原料的5 0 v 2 上。欧盟组织资助了3 个项目，以生物质为原料，利用快速 热解技术制取液化油，已经完成1 0 0 k g h 的实验规模，并拟进一步扩大至生产应 用。该技术制得的液化油得率达7 0 ，液化油热值为1 7 1 0 4k j k g 伽1 。 1 3 6 生物质生物转化技术 生物转变主要是通过发酵或水解发酵工艺来制取甲烷气和乙醇等化工产品。 生物转变主要包括发酵和厌氧消化。 ( 1 ) 乙醇发酵技术 乙醇发酵乜2 1 是指通过碳水化合物提取乙醇的过程。利用淀粉酿制乙醇，被认 为是一种重要的潜在替代能源，可以用作交通运输行业所需要的液体燃料。目前 在发酵生物的种类方面进行着广泛的研究。利用生物质发酵生产液体燃料乙醇的 技术，主要分为糖和淀粉原料发酵生产乙醇及转化纤维素生产乙醇。纤维素发酵 制取乙醇是制醇领域最令人瞩目的技术，目前最主要的纤维素制乙醇方法有浓硫 酸水解法、稀硫酸水解法、浓盐酸水解法及酶水解法。 巴西的国家乙醇项目( p r o a l c o o l ) m 1 ，是目前世界上最大的商品化利 用生物质能项目。该项目正式启动于1 9 9 7 年，以2 0 的酒精比例在首府圣保罗 实行( 后来又提高到2 5 的比例在全国推行) ，并在税收、补贴和优惠贷款等方 面实施政府支持政策。2 0 0 2 年巴西消费2 7 5 亿l 燃料，其中汽油1 5 0 亿l ，其 他为乙醇，替代率接近5 0 。为了提高效率和降低成本，p r o a l c o o l 项目正 在朝着经济合理化方向发展。 加拿大用木质原料生产的乙醇产量为每年1 7 万t 。比利时每年以甘蔗渣为原 料制取的乙醇量达3 2 万t 以上。美国每年以农村生物质和玉米为原料生产乙醇 约4 5 0 万t ，计划到2 0 1 0 年，可再生的生物质可提供约5 3 0 0 万t 乙醇。 ( 2 ) 沼气技术 沼气是有机肥料经过厌氧消化生产得到的气体燃料，绝大部分为甲烷，可以 满足日常炊事和烘干和保鲜，一定量的甲烷还可以用于发电和代替燃料，它的利 用率比直接燃烧要高两倍左右。 沼气的产生需要三类厌氧微生物的共同作用：水解发酵菌( 分解大分子有机 物) ，产氢、产乙酸菌和产甲烷菌( 将氢和二氧化碳合成甲烷) ，其中木质纤维素类 物质分解差是甲烷生产过程的瓶颈。 一9 一 浙江大学硕十学位论文1 绪论 农村以户为单位的生物质能源沼气化的研究与实用水平我国居于世界前列， 目前正在加速普及和推广，据统计现已建成户型沼气池11 0 0 万个，可解决3 4 千万人炊事用能口。 户用沼气池和大中型沼气工程的环境效益更加突出，年处理粪便达3 0 m t 以 上，生活污水达1 2 0 m t ，不但改善了农村环境卫生，而且每年节约的处理费用至 少在亿元以上。户用沼气池6 0 2 万口，供2 5 0 0 万人，各类沼气工程5 9 2 处，总 池容3 3 5k m 3 ，供l 一2 万户用气。城镇生活污水净化沼气池5 2 0 0 0 座。总池容l 8 0 8 k m 3 ，年产沼气2 3 0 5 0k m 3 ，供2 8 万多户居民用气乜引。 1