（动力工程及工程热物理专业论文）生物质和煤共气化共燃的实验和机理研究.pdf

r s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e - n c e ： p r o f y a nw e i p i n g d o c t o ro f p h i l o s o p h y p o w e r e n g i n e e r i n g a n d e n g i n e e r i n g t h e r m o p h y s i c s s c h o o lo fe n e r g yp o w e ra n dm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g j u n e ，2 0 1 0 d e g r e e c o n f e r r i n g i n s t i t u t i o n ： n o r t h c h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y j j 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文生物质和煤共气化与共燃的实验和机 理研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不 包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 一雄 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日 期：州 导师签名：幽 e l 期：麴 翌：乡，巧 华北电力人学博十学位论文 摘要 化石燃料的过度开采及温室气体排放使得生物质燃料资源的利用受到极大关注。本 文采用热重质谱联用仪研究了四种生物质热解的气体产物特征，采用小型固定床进行了 稻壳、稻秸热解实验，分析半焦的微观形貌、元素组成和物相组成；进行了生物质和煤 流化床共气化的实验，研究不同掺混比例、空气当量比、水蒸气燃料质量比对共气化过 程的影响规律，分析生物质和煤共气化机理，探索共气化过程的协同效应，并建立了一 维稳态鼓泡流化床生物质气化模型；进行了3 0 0 m w 煤粉炉的稻壳和煤共燃的工业实验 研究，分析煤粉炉中燃烧的稻壳飞灰特性，并研究生物质和煤共燃对锅炉飞灰利用的影 响。本文所取得的主要研究结论总结如下。 ( 1 ) 采用热重质谱联用仪进行生物质热解实验结果表明，四种生物质依据最大 失重温度排序为：稻壳 松木屑 棉秆 稻秸；c h 4 的析出曲线在1 0 0 左右由于植物 腐烂会形成小峰值，在最大失重温度处达到最大值，在4 0 0 5 6 0 区间内维持较高 的释放量；h 2 0 的析出曲线由于自由基水分蒸发在1 1 0 。c 形成小峰值，一次挥发份 的形成使得h 2 0 、c o 、c 0 2 在最大失重温度处达到最大释放量，c o 、c 0 2 在高温 段( 5 0 0 ) 维持一定释放量。 ( 2 ) 采用s e m 、e d x 、x r d 分析了小型固定床中不同热解终温的半焦物化特性， 当温度高于8 0 0 ，半焦中的钾元素所占比例逐渐减小；以有机物形式存在的氯、硫在 热解温度低于5 0 0 进行迁移，在8 0 0 1 0 0 0 之间，半焦中氯、硫大部分会析出：稻 壳和稻秸半焦的主要孔隙结构产生在5 0 0 8 0 0 之间的碳化阶段。 ( 3 ) 在鼓泡流化床反应器中采用新型床料陶粒砂进行生物质单独气化、生物质和 煤共气化的热态实验，研究不同掺混比例、空气当量比、水蒸气燃料质量比对燃气组分、 气化效率和碳转化率的影响，结果表明在松木屑、稻秸分别与烟煤、褐煤共气化过程中 存在协同效应；阐释了反应器不同区域的共气化主要反应原理。 ( 4 ) 建立了一维稳态生物质气化模型，采用不同的流体动力学模型模拟反应 器不同区域的流动状况，分析空气当量比、水蒸气燃料质量比、自由空i 日j 区域对气 化过程的影响，计算结果和流化床生物质单独气化试验结果基本吻合。 ( 5 ) 进行稻壳和煤共燃工业试验研究，确定稻壳的合理输送浓度为0 9 1 k g m 3 ( 标准状况) ，输送风温在15 0 - - l8 0 ；分析了共燃的稻壳狄的元素分布、孔隙特 性等性质；进行了稻壳和煤共燃的飞狄用于混凝土的实验研究。 关键词：生物质，煤，共气化，共燃，鼓泡流化床，煤粉锅炉 一 l 华北电力大学博? ：学位论文 a b s t r a c t d u et ot h ep r o b l e mo ft h ee x c e s s i v eu s eo ff o s s i lf u e l sa n dt h eg r e e n h o u s eg a s e m i s s i o n ，t h eu t i l i z a t i o no fb i o m a s sr e s o u r c e si sc o n t i n u o u s l ys o u g h t f i r s t l y , i nt h i s t h e s i sb ym o n i t o r i n gt h ep y r o l y s i sp r o f i l e su s i n gt g - m st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg a s p r o d u c t so f4 b i o m a s sp y r o l y s i si si n v e s t i g a t e d t h ec o k e sm i c r o m o r p h o l o g y , e l e m e n t a l c o m p o s i t i o na n dp h a s ec o m p o s i t i o nf r o mr i c eh u s ka n d r i c es t r a wp y r o l y s i sa r ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h ef l u i d i z e db e de x p e r i m e n t a ls y s t e m i sd e s i g n e dt os t u d yt h ed i f f e r e n t m i x i n gr a t i o ，a i re q u i v a l e n c er a t i o ，s t e a m f u e lm a s sr a t i oo nt h ei m p a c to ft h eb i o m a s s a n dc o a lc o g a s i f i c a t i o np r o c e s s t h em e c h a n i s mo fc o g a s i f i c a t i o ni sd i s c u s s e da n d s y n e r g i e sa r ee x p l o r e d o n e - d i m e n s i o n a ls t e a d y - s t a t em o d e lf o rb u b b l i n gf l u i d i z e db e d b i o m a s sg a s i f i c a t i o ni sp r e s e n t e d l a s t l y , t h ei n d u s t r i a lc o c o m b u s t i o nt e s to fr i c eh u s k a n dc o a lo n3 0 0 m wp u l v e r i z e dc o a lb o i l e ri sc a r r i e do u t t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e so ft h er i c eh u s ka s hs e p a r a t e df r o mt h ec o c o m b u s t i o nf l ya s ha r ea n a l y z e d t h ee f f e c to ft h ec o c o m b u s t i o nm o d eo nt h ef l ya s ha p p l i c a t i o ni si n v e s t i g a t e d t h e m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l 】o w s t h eo r d e ro f4k i n do f b i o m a s sa c c o r d i n gt ot h em a x i m u mw e i g h tl o s st e m p e r a t u r e i s ：r i c eh u s k p i n es a w d u s t c o t t o ns t a l k r i c es t r a w d u r i n gt h eb i o m a s sp y r o l y s i sp r o c e s s ， t h er e l e a s i n gp r o f i l eo fc h 4f o r m sas m a l lr e l e a s ep e a ka ta b o u tio o o cs i n c et h ep l a n t s h a v ed e c o m p o s e d ，w h i c hr e a c h e st h em a x i m u ma tt h em a x i m u mw e i g h tl o s st e m p e r a t u r e a n dm a i n t a i n sah i g hr e l e a s ei nt h er a n g eo f4 0 0 - 5 6 0 。c ；t h er e l e a s i n gp r o f i l eo fh 2 0 f o r m sas m a l lr e l e a s ep e a kc o r r e s p o n d i n gt ot h ee v a p o r a t i o no ff r e ew a t e r d u r i n gt h e f o r m a t i o no fp r i m a r yv o l a t i l e sh 2 0 ，c oa n dc 0 2g e t st h em a x i m u ma tt h em a x i m u m w e i g h tl o s st e m p e r a t u r e c oa n dc 0 2i nh i g h - t e m p e r a t u r es e g m e n t ( 5 0 0v ) m a i n t a i n a c e r t a i n r e l e a s ed u et ot h e r m a ld e c o m p o s i t i o no fl i g n i n d u r i n gt h ep y r o l y s i so f r i c es t r a w ，w h e nt h ef i n a lt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n8 0 0 0 c t h ep r o p o r t i o no fp o t a s s i u mg r a d u a l l yd e c r e a s e d i nt h er a n g eo fl e s st h a n5 0 0 。c ， c h l o r i n ea n ds u l f u ri no r g a n i cf o r mw i l lb em i g r a t e d m o s to ft h er e m a i n i n gc h l o r i n ea n d s u l f u rw i l lv a p o r i z ei nt h er a n g eo f8 0 0 - 10 0 0 。c t h ec o g a s i f i c a t i o nt e s to fb i o m a s sa n dc o a lw i t ha i r - s t e a m i sc a r r i e do u ti n b u b b l i n gf l u i d i z e db e du s i n gn e wb e dm a t e r i a l ( c e r a m i t e ) t h er u l e so ft h et e m p e r a t u r e v a r i a t i o ni nd i f f e r e n tr e g i o n sa r eo b t a i n e d t h ee f f e c to ft h ed i f f e r e n tm i x i n gr a t i o ，a i r e q u i v a l e n c er a t i o ，s t e a m f u e lm a s sr a t i oo ng a sc o m p o s i t i o n ，g a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n d c a r b o nc o n v e r s i o nr a t ei ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei ss y n e r g i s t i ce f f e c td u r i n g i c o g a s i f i c a t i o np r o c e s so fp i n es a w d u s t ，r i c es t r a wa n db i t u m i n o u sc o a l ，l i g n i t e t h e m a i np r i n c i p i e so ft h ec o g a s i f i c a t i o nr e a c t i o ni nt h ed i f f e r e n tr e g i o n so ft h er e a c t o ra r e e x p l a i n e d 0 h e - d i m e n s i o n a ls t e a d y s t a t e m o d e lf o rb u b b l i n g f l u i d i z e db e db i o m a s s g a s i f i c a t i o ni sp r e s e n t e d b a s e do nt h es i m u l a t e dr e s u l t st h ee f f e c t so fa i re q u i v a l e n c e r a t i o ，s t e a m f u e lm a s sr a t i o ，f r e e b o a r dr e g i o no nt h eg a s i f i c a t i o np r o c e s sa r ea n a l y z e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n t t h ei n d u s t r i a lc o c o m b u s t i o nt e s t o fr i c eh u s k a n dc o a li s c a r r i e do u t t h e r e a s o n a b l et r a n s p o r t a t i o nc o n c e n t r a t i o no fr i c eh u s ki s0 9 l k g m ，t h et e m p e r a t u r eo f t h ec o n v e y i n ga i rs h o u l db ei n t h er a n g eo f15 0 18 0 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f m i c r o m o r p h o l o g y , e l e m e n t a lc o m p o s i t i o n ，p h a s ec o m p o s i t i o na n dp o r es t r u c t u r eo f t h e f i c eh u s ka s hs e p a r a t e df r o mt h ec o c o m b u s t i o nf l ya s ha r ea n a l y z e d t h et e s t st h a tt h e c o 。c o m b u s t i o nf l ya s hi su s e da st h em i x i n gm a t e r i a lo f t h ec o n c r e t ea r ed o n e k e vw o r d s ：b i o m a s s ，c o a l ，c o g a s i f i c a t i o n ，c o c o m b u s t i o n ，b u b b l i n gf l u i d i z e db e d ，p u l v e r i z e d c o a lb o i l e r u 华北电力人学博十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 主要符号表 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 生物质能利用形势2 1 3 生物质的分类与属性3 1 4 生物质的植物组分特性5 1 5 生物质的热转化技术6 1 6 研究综述8 1 6 1 生物质热解气体和固体产物特性的研究8 1 6 2 鼓泡流化床生物质冷态流化实验的研究9 1 6 3 影响生物质气化过程的因素的研究1 0 1 6 4 生物质和煤共气化的研究1 3 1 6 5 生物质气化流化床反应器模型的研究1 4 1 6 6 生物质和煤共燃的发展现状1 5 1 6 7 研究机构1 6 1 7 论文研究内容与目的1 9 第二章四种生物质热解产物特征的实验研究2 2 2 1 前言2 2 2 2 实验描述2 2 2 3 生物质热解及其气体产物特性的实验分析2 4 2 3 1 热重曲线特征分析2 4 2 3 2 热重质谱联用分析2 7 2 4 生物质热解固体产物特性的实验分析2 9 2 4 1 半焦的s e m 分析3 0 2 4 2 半焦的e d x 分析3 2 2 4 3 半焦的x r d 图谱3 3 2 5 本章小结3 4 3 6 3 6 3 6 3 9 3 9 4 0 4 1 j 4 3 4 3 4 3 4 5 4 6 4 6 4 7 4 7 4 7 4 8 5 0 5 l 5 2 5 2 5 2 5 2 5 3 5 4 5 5 j 5 6 5 6 4 2 7 机理分析5 7 4 3 空气当量比对生物质和烟煤共气化过程的影响5 9 4 4 水蒸汽燃料质量比对生物质和烟煤共气化影响6 2 5 3 生物质气化及其化学反应动力学7 0 5 3 1 假设7 0 5 3 2 生物质热解7 1 5 3 3 焦油裂解7 l 5 3 4 焦油燃烧7 2 5 3 5 均相和非均相反应7 2 5 4 算法的基本描述7 3 5 4 1 质量平衡和热量平衡7 3 5 4 2 模型计算流程7 5 5 5 计算结果与分析7 6 5 5 1 输入数据和计算工况7 6 5 5 2 空气当量比对生物质气化过程的影响7 7 5 5 3 水蒸汽对生物质气化过程的影响8 0 5 5 4 模型的适用范围分析8 2 5 6 本章小结8 2 第六章稻壳和煤共燃的工业实验研究8 4 6 1 引言8 4 6 2 共燃系统概况8 4 6 3 稻壳的输送浓度与输送温度8 5 6 4 掺烧稻壳对锅炉主要参数影响的计算分析8 6 6 4 1 计算目的和计算内容8 6 6 4 2 混合燃料属性计算方法8 6 6 4 3 计算结果8 7 6 53 0 0 m w 煤粉炉中掺烧稻壳的锅炉飞灰特性的实验研究8 8 6 5 1 实验样品和分析仪器8 8 6 5 2 狄样的x r d 图谱8 8 6 5 3 利用s e m 分析的表面形貌8 9 i l l 华北电力大学博十学位论文目录 6 5 4 利用e d x 分析的灰样的组分9 0 6 5 5 稻壳灰的孔隙结构i 9 l 6 5 6 分析与讨论9 2 6 6 稻壳和煤共燃的飞灰用于混凝土的试验研究9 2 6 7 本章小结9 3 第七章结论与展望9 5 7 1 结论9 5 7 2 展望9 8 参考文献9 9 致谢11o 附录a 不同热解终温的生物质半焦微观形貌1 1 1 个人简历、攻读博士学位期间发表的学术论文1 14 攻读博士学位期间参加的科研工作1 16 i v 华北电力大学博士学位论文 一、英文：一- 7 - ：母一、央又茑 a 彳 a r b c c d d d t g e e r e d x f c f t i r g 主要符号表 燃料灰分，( ) 横截面积，( m 2 ) 阿基米德数 燃料量，( k g h ) 燃料含碳量，( ) 燃气中组分浓度，( ) 分布函数，c m 3 ( n m g ) 分布函数，m 2 ( n m 曲 直径， ( m ) 热苇曲线微分 活化能， ( k j m 0 1 ) 空气当量比 x 射线能谱仪 同定碳，( ) 傅立叶变换红外分析 气体质量流量，( k g h ) 气态 燃料含氧量，( ) 传质系数，m 3 ( m i n 。g ) 焓，( k j k g ) 指前因子 距离，( m m ) 燃料水分，( ) 分了量 质量，( k g ) 质涪仪 质荷比 燃料含氮量，( ) 燃料含氧量，( ) 压力，( m p a ) 压力，( k p a ) 热量，( k j h ) 气体流量， ( m 3 r a i n ( 标准状况) ) 通川气体常数，( j ( m o l k ) ) 半径， ( n m ) 反j 衄速率， ( 1 m i n ) 燃料含硫量，( ) 比表面积， ( m 2 g ) 念 水蒸汽燃料质量比 扫描电予显微镜 温度， ( ) 绝对温度， ( k ) 热苇分析仪 乞s f 玎 g h h ，k l m m m砒|耋n o p q 尺， s s s 蛳距r 华北电力人学博十学位论文土要符号表 v v x r d z 二、希腊符号 口 艿 占 p 三、下角标 a a d a r b i o m a s s b c o a l e f g g r k m f p s y n u c w 气体流速，( m s ) 体积，( m 3 ) 燃料挥发份，( ) 比容，( m 3 k g ) x 射线衍射仪 距离，( m ) 体积分率 体积分率 空隙率 动力粘度，( p a s ) 密度，( k g m 3 ) 空气的 空气十燥基 收到基 生物质的 气泡相的 煤的 乳化相的 自由空间的 气态的 高热值 空气的 最小流化或临界 颗粒的 协同的 未反心碳 水蒸气的 一 华北电力大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 当今世界j 下面临着人口与资源、社会发展与环境保护的多重压力。迅速发展的 社会经济与人类文明，对能源、资源提出了越来越高的要求，同时给环境与生态施 加了难以承受的压力。这种越来越突出的矛盾，似乎在引领人类走向一种发展与保 护的矛盾，往往顾此失彼。然而，这种矛盾是可以在一定程度上缓解或解决的，己 经有越来越多的有识之士正在力图通过一种“双赢”的策略来寻找这几种因素的对立 统一。 能源是确保人类社会文明进步和经济发展最为重要的物质基础【l 】。自2 0 世纪 7 0 年代能源危机以来，人们对石油、煤炭、天然气的贮量和开采时限作过种种估算 与推测，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 成本过高及开发利用导致环境问题而失去开采价值，化石燃料终将耗尽将成为无可 争辩的事实。 随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长【2 】。根据( ( 2 0 0 8 年b p 能源统计，1 9 7 3 年世界一次能源消费量仅为5 7 3 亿吨油当量，2 0 0 3 年己达到9 7 4 亿吨油当量。过去3 0 年来，世界能源消费量年均增长率为1 8 左右。根据美国能 源信息署( e i a ) 最新预测结果，随着世界经济、社会的发展，未来世界能源需求 量将继续增加。预计，2 0 1 0 年世界能源需求量将达到1 0 5 9 9 亿吨油当量，2 0 2 0 年 达到1 2 8 8 9 亿吨油当量，2 0 2 5 年达到1 3 6 5 0 亿吨油当量，年均增长率为1 2 。欧 洲和北美洲两个发达地区能源消费占世界总量的比例将继续呈下降的趋势，亚洲、 中东、中南美洲等地区将保持增长态势【3 4 】。 依据能源消费弹性系数计算，中国“十一五”期间的能源消费增长速度将增长 速度维持再3 3 7 5 的水平，如果设定2 0 1 0 - - - 2 0 2 0 年的中国g d p 平均增长速度在7 左右，则计算得出的2 0 1 0 - - - 2 0 2 0 期间中国能源消费的增长速度为2 8 。推测可 知，2 0 1 0 年中国能源需求将达到2 5 4 7 亿吨标煤，2 0 2 0 年中国能源需求将达到3 3 5 7 亿吨标煤。2 0 0 4 年中国一次能源消费中，煤炭占6 7 7 ，石油占2 2 7 ，天然气、 水电、核电、风能、太阳能等清洁能源总计占比重上升到9 6 。2 0 0 5 年，我国一 次能源生产总量2 0 6 亿吨标准煤，消费总量2 2 5 亿吨标准煤，分别占全球的1 3 7 和1 4 8 【5 7 1 。 与此同时，传统化石燃料的大量丌采使用，己经对人类赖以生存的地球生态环 境构成了极大威胁，尤其近几年广受关注的全球气候变暖问题，在很大程度上正是 i 第一章绪论 由化石燃料燃烧大量排放c 0 2 等温室气体所引起的。c 0 2 作为不透热气体，能够吸 收阻止穿过它的热量，特别是在大气环境中。大气中的c 0 2 的含量急剧增加，从工 业革命之初( 1 8 5 0 年) 的2 8 0 p p m v 增加到今天的3 8 5 p p m v 引。基于电力生产的化石 燃料的c 0 2 的排放量占每年总排放量的1 3 。近年来，由于全球加速变暖，c 0 2 排 放问题受到更多的关注，1 9 9 7 年的东京协议提出c 0 2 排放的限制，丌始了减少 大气中温室气体含量的进程。 能源需求增长与能源资源匾乏甚至危机、传统能源利用与环境污染，己构成对 社会经济发展的双重压力，并引起世界各国的高度重视。一种有效的改变这种状况 的途径就是合理开发和利用新型能源资源。国外不少学者较早使用了“能源革命 ( e n e r g yr e v o l u t i o n ) 一词来说明发展可再生能源( r e n e w a b l ee n e r g y ) 的深远意义。 联合国也早在2 0 世纪6 0 年代初期就提出了“能源过渡”( e n e r g yt r a n s i t i o n ) 的概 念，预计从2 0 世纪末开始将在世界范围内出现以新能源( n e we n e r g y ) 和可再生 能源逐步代替化石能源的趋势。 1 2 生物质能利用形势 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，占世界总能耗的1 5 1 8 。据预测， 到2 0 5 0 年，生物质能用量将占全球燃料直接用量的3 8 ，发电量占全球总电量的 1 7 【4 1 。 欧美许多国家的政策法规不仅鼓励生物质能的研究和开发，给予财政支持，刺 激其发展。目前，在奥地利、丹麦、芬兰、法国、挪威、瑞典和美国等国家，生物 质能在总能源消耗中所占的比例迅速增加【4 】。奥地利成功地推行了建立燃烧木材废 弃物的区域供电站的计划，生物质能在总能耗中的比例由原来大约2 3 增至2 0 世纪末的2 5 ，至2 0 0 8 年，该国已装机容量为1 - 2 m w 的区域供热站8 0 一9 0 座。瑞 典利用生物质进行热电联产的计划，使生物质在转换为高品位电能的同时满足供热 的需求，以提高转化效率。美国在利用生物质处在世界领先地位，生物质能源利用 以具有相当可观的规模，占该国一次能源消耗的4 ，计划2 0 1 0 年生物质产品占能 源产品的1 2 。德国进行生物质示范工程，用农场和工厂所产生的废料来发电，为 10 0 0 户居民提供电力，此种类型的生物质工程每年适用废料1 2 万吨。丹麦推行多 样化政策，积极丌发生物质资源，丹麦b w e 公司率先研发秸秆直接燃烧发电技术， 1 9 8 8 年丹麦诞生了第一座秸秆直接燃烧发电厂【4 】。至2 0 0 8 年，建立1 3 0 家秸秆发 电厂，秸秆发电技术现已走向世界，被联合国列为重点推广项目。 近年来，我国传统能源供应模式同益面临危机，要实现能源供应的可持续发 展，必须坚持“节能优先、结构多元、环境保护、市场推动”的能源发展战略，作为 2 华北电力人学博十学位论文 可再生能源之一的生物质能的利用是实现能源结构多元化的重要因素。我国的生物 质能极为丰富，例如现在每年的秸秆量约6 5 亿吨，到2 0 1 0 年将达到7 2 6 亿吨， 相当于5 亿吨标煤，柴薪和林业废弃物数量也很大，林业废弃物( 不包括炭薪林) ， 每年约达3 7 0 0 万立方米，相当于2 0 0 0 万吨标煤，如果考虑日益增多的城市垃圾和 生活污水，禽蓄粪便等其他生物质资源，我国每年生物质资源达6 亿吨标煤以上， 扣除一部分饲料和其他原料，可开发为能源的生物质资源达3 亿吨标煤，而随着农 林业的发展，我国的生物质资源将越来越多，有非常大的开发和利用潜力。 2 0 0 6 年开始实施的可再生能源法对推进我国在生物质能源的研究、开发 和应用起到了巨大的作用，生物质能源的开发利用已成为我国能源领域发展的重要 战略目标。中国政府将开发利用可再生能源，特别是将生物质发电技术作为今后发 展的长期战略之一。在国民经济和社会发展第十一个五年规划中，明确提出建设生 物质发电5 5 0 0 m w 的装机容量的发展目标，国家发改委规划到2 0 2 0 年生物质装机 容量达到2 0 0 0 0 m w ，相当于8 0 0 台2 5 m w 的生物质发电机组，国家对各大电力公 司提出了可再生能源发电的硬性要求，国家还出台了可再生能源发电的电价优惠政 策。 我国已经基本掌握农林废弃物发电技术，目前开发利用规模还有待扩大。到 2 0 0 5 年底，全国生物质发电装机容量超过2 2 0 万k w ，2 0 0 6 年国内核准3 9 个项目， 合计装机容量为1 2 8 4 万k w 。目前，已有3 0 多个生物质直燃发电项目在建，1 0 多 个直燃发电项目运行，装机规模超过2 0 万k w ，但要达到2 0 2 0 年生物质发电装机 容量3 0 0 0 万k w 的发展目标，仍需要解决很多技术和政策扶持的问题。 1 3 生物质的分类与属性 生物质资源种类广泛，对其分类可把具有类似性质的生物质归为一类，通过判 别生物质的种类来预测生物质的转化行为【9 1 。 ( 1 ) 基于基本组分的分类，即根据生物质中纤维素、半纤维素、木质素的组 分含量及转化特性进行分类，这种分类方法的优势在于能够成功预测生物质热解行 为。 ( 2 ) 基于生物质来源和属性的分类为：木头和木质燃料( 硬木和软木) ； 草本燃料( 秸秆、草和茎叶等) ；有机废弃物( 污泥、固体垃圾等) ；其它废弃 物( 造纸和食品行业的废弃物等) ；水生植物( 海藻等) ；能源植物。 ( 3 ) 在欧盟固体生物质燃料的标准( c e nt c3 3 5 ) 中，基于生物质来源把生 物质分为：木本生物质( 木片、枝权、圆木和锯术等) ；草本生物质；果实 生物质；其它混合物。 第一章绪论 生物质的物理特性和化学组成对生物质的燃料供应、热转化系统、固体和气体 污染物排放等过程有很大影响【9 1 。 ( 1 ) 堆积密度 在所有的物理属性中，燃料的堆积密度是技术和经济方面主要的影响因素，农 业废弃物的堆积密度很小，如秸秆、稻壳两者的堆积密度范围分别是5 0 1 2 0 和 1 0 0 1 2 5 k g m 3 ，与其它固体燃料相比较，生物质燃料利用的劣势多与低堆积密度有 关，如低热值单位容积、预处理和给料控制难度大、需要很大的储存场地、昂贵的 运输成本和在流化床中难以流化。 ( 2 ) 热值 在生物质燃料中，c 、h 含量可提高热值，而且部分c 以氧化物的形式出现，o 的含量较高，也会降低热值；在生物质植物组分中，木质素含量的提高有利于提高 生物质的热值，而纤维素和半纤维素的氧化程度高，其含量增加可降低生物质的热 值。 ( 3 ) 水分 生物质的湿度在1 0 7 0 的范围内变化，水分影响燃烧过程和气体产物容积单 位能量，低位热值也随水分含量的增加而降低，水分含量影响生物质燃烧初始阶段 的热解产物的质量，从而给反应过程带来负面影响。 ( 4 ) 挥发份含量 生物质燃料的挥发份含量高，其可进一步分为轻质烃、c o 、c 0 2 、h 2 、水分和 焦油，其产量受燃烧温度和热解速率的影响。生物质的高挥发份含量使得其在较低 温度时就可点燃，此过程受挥发份的h c 和o c 的影响，挥发份的快速释放使得在生 物质直燃设备中需要的高温燃烧区范围扩大，从而保证较低的污染物排放( c o 和 p a h ：p o l y a r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ) ，而在共燃工况下，生物质的掺烧份额较小，并 不存在此问题。 ( 5 ) 元素组成 生物质的元素组成主要有c 、h 、o 等元素组成，这三种元素的含量范围分别为 3 0 6 0 ，5 。6 和3 0 4 5 ，干基生物质中n 、s 和c l 的含量通常小于1 ，偶尔会 高于1 。生物质中还含有其它一些无机元素。与煤相比较，生物质含有较少的c ， 较多地o 、s i 、c 1 、k ，含有少量的a l 、f e 、t i 、s 、c a 9 - 1 0 。 影响生物质属性的因素总结如下【8 】：在植物的分类中，生物质所占的属、种 或同一植物的不同部位；生长过程，包括植物从水、土壤和空气中选择性吸取生 4 华北电力人学博十学位论文 长所需的物质，以及在植物组织内传递和沉积的过程；生长条件，如光照、地理 位置( 近海，森林周边、被污染地区等) 、气候、季节、土壤类型、水、p h 值、营 养组分：生长时间的长短；使用的肥料、杀虫剂和除草剂的量，其与一些元素 ( c l ，k ，n ，p ，s 和痕量元素) 的含量关系密切；植物与污染源的距离，比如 公路、城市、工厂和矿山等；成熟时问和收集、运输和存储技术；外界物质( 尘 粒、土粒) 的携带；灰的类型和组分含量的变化；不同种类生物质的掺混。 1 4 生物质的植物组分特性 干燥基生物质由8 8 - - - - 9 9 9 有机化合物组成，平均组成如下：纤维素4 0 一4 5 ( 在软木和硬木中份额大致相同) ；软木中木质素占2 5 - - 3 5 ，硬木中木质素占到 17 2 5 ；软木中半纤维素占2 0 ，硬木中半纤维素占到1 5 3 5 ，以及其它有机 抽提物。 纤维素是植物细胞壁的主要组分，由脱水d 一吡哺式葡萄糖( c 6 h l 0 0 5 ) 通过相 邻单元的l 位和4 位之间的d 苷键连接而成的一个线性高分子聚合物，由于分子内部 和分子之间的连接键，使得分子形成部分有序区域( 晶体) 和部分无序区域( 非晶 体) 。 在所有的有机组分中，纤维素的热解反应的研究工作最深入，最容易理解一2 1 。 图1 1 是广泛接受的纤维素热解的w a t e r l o o 机理模型，给出了反应途径，热解产物， 而且定义了温度和热解速率的影响。这个模型主要包含三个竞争机制的反应：在低 温( 3 5 0 ) 和低加热速率条件下，脱水反应占主导地位；在高温段，解聚反应和 葡萄糖环破裂反应则为主导，解聚反应主要发生在3 0 0 4 5 0 ，葡萄糖坏破裂反 应的优化温度约为6 0 0 ；纤维素的脱水反应和解聚反应比例在7 0 8 0 w t 。纤维素 的无机杂质对反应过程有也有较大影响。 纤 图1 1 纤维素一次裂解的w a t e r l o o 机理模型l 半纤维素连接细胞壁的纤维素微小组织，在化学性质上与纤维素相似，是由不 同的己、戊糖基组合，通过1 3 - - 1 、4 氧桥键联接而成的不均一聚糖，其聚合度( 1 5 0 2 0 0 ) 比纤维素小、结构无定性、易溶于碱性溶液、易水解，热稳定性比纤维素差， 热解容易。半纤维素聚合程度比纤维素低，大量存在于植物的木质化部分，如秸秆、 第一章绪论 种皮、坚果壳及玉米穗等，其含量依植物的种类、部位和老幼程度而有所不同。平 均分子量低于3 0 ，0 0 0 。不同植物中半纤维素的含量不同，结构亦不同。半纤维素的 聚合物主链可以由同一种糖单元构成，也可由多种糖单元构成，糖和糖的连接方式 也不同。半纤维素具有与纤维素类似的化学反应，其热解方式和纤维素相类似，脱 水反应主要发生在低温段( 2 8 0 ) ，解聚反应发生在高温段。 木质素是以c c 键和c o c 键连接而成的复杂的芳香族聚合物，常与纤维素结 合在一起。它主要由本基丙烷结构单体构成。木质素结构复杂，无定形，有自由环 连接，分子量高，环状结构将纤维素的纤维细胞绑定在一起，它在植物界的含量仅 次于纤维素。木质素分子结构中相对弱的是连接单体的氧桥键和单体苯环上的侧链 键，受热易发生断裂，形成活泼的含苯环自由基，极易与其它分子或自由基发生缩 合反应生成结构更为稳定的大分子，进而结炭。在低温段( 燃气 r f合成】 f燃，e 轮机 固 【 内燃机 t 毡