王許濤 1, 張百良2
(1.河南城建學院, 河南平頂山467036; 2.河南農業大學農業部可再生能源重點開放實驗室, 河南鄭州450002)
摘要: 作為一種由秸稈轉化的可再生清潔能源, 生物質秸稈成型燃料有許多優點. 文中分析了生物質秸稈成型燃料的資源特性, 物化性質, 燃燒特性和技術經濟特性. 發現生物質成型燃料有著較為豐富的資源, 成型後密度增加, 使運輸儲存優於原生物質; 燃燒特性不失原生物質特性又與煤炭相似, 易點燃, 燃燒完全, 煙塵中的CO 2, SO 2, NO x濃度比煤炭少; 但較高的堿金屬和Cl含量會導致燃燒時的腐蝕和沉積; 當前技術經濟性不突出, 綜合環境效益考慮是一種不錯的補充能源選擇.
1秸稈成型燃料現狀
生物質能是指生物質中所蘊藏的化學能, 是綠色植物經光合作用將太陽能轉化為化學能後儲藏於自身的能量, 是地球上唯一可再生的碳源, 可以被加工轉化成常規的固態, 液態和氣態燃料 [1]. 隨著中國工業化進程的不斷加快, 能源緊張和環境汙染的問題日漸凸顯, 發展清潔能源和尋求常規煤炭等能源的潔淨燃燒技術的需求日趨緊迫. 每年農作物收穫季節大面積焚燒秸稈造成環境的嚴重汙染, 也增加了社會對廢棄秸稈處理的關注, 不斷從另一個側面推動著秸稈資源轉化進程.
中國將生物質能作為一種可再生, 清潔新型能源的研究和開發利用始於20世紀80年代 [2], 產量已從5a前的30萬t提高到了目前的300萬t以上, 發展迅速, 但與發達國家相比還存在較大差距. 秸稈成型燃料生產機械和產品種類缺乏相應的行業標準, 因而產品參差不齊, 相對於產業化發展還有較大差距.
2秸稈成型燃料特性
2.1資源特性
中國作為一個農業大國, 有著豐富的農作物秸稈資源. 依據目前的糧食產量和草穀比, 計算得出中國年秸稈生產量約為6億t, 按照25%可用作能源計算 [3], 約有1.5億t秸稈可用來生產成型燃料.
但同時也應看到, 中國的農田還是分散種植, 不利於大規模的機械化作業, 因此秸稈資源相對比較分散, 加之秸稈體積大, 密度低和單位發熱值受採收時間影響, 導致秸稈資源收集和儲存比煤炭等燃料困難.
2.2物化特性
秸稈成型燃料是通過將收集的鬆散秸稈經脫水, 粉碎後擠壓成形狀較為規則且較大密度的棒狀, 塊狀, 球狀或顆粒狀的固體燃料, 目前以棒狀和顆粒狀較為常見. 壓縮成型燃料物化特性已不同於秸稈, 解決了秸稈堆積密度小, 能量密度低, 不易儲存和運輸的缺點, 密度, 發熱值會隨壓縮方式, 生產工藝不同而變化, 主要參數見表1.
2.3燃燒特性
秸稈成型燃料較散狀秸稈燃燒性能大大改善, 燃燒效率可以由秸稈直接散燒的10%~ 15%提高到30%~ 40%. 同時相對於煤炭有著揮發性高, 易引燃, 灰分少的優點, 煙氣中僅有微量SO 2, 作為可再生能源可實現CO 2零排放, 環境汙染小[4].
2.3.1秸稈成型燃料的點火性能
秸稈成型燃料緻密的結構會抑製成型燃料燃燒時揮發分向外析出速度和空氣向內擴散的速度, 同時還會降低熱量由外向內的傳播速度, 秸稈成型燃料的點火性能比散狀生物質秸稈明顯下降[5- 6].
實驗表明點火所需時間約為2~ 3min, 影響點火性能的主要因素為生物質成型燃料的結構緻密度(密度), 揮發分含量以及固定碳含量. 生物質成型燃料的點火溫度, 點火時長隨著其密度的增加而升高和延長, 密度為1.2g/cm 3的秸稈成型燃料點火時間比密度0.8g/cm 3的要長1倍以上; 點火溫度在300~ 400℃, 比原生物質秸稈提高50℃左右 [7]; 揮發分含量越高的秸稈成型燃料越容易點燃著火, 總的來看, 秸稈成型燃料的點火特性更趨於原秸稈點火特性而優於型煤[8].
2.3.2秸稈成型燃料的燃燒機理
秸稈成型燃料在爐膛燃燒時, 燃燒類似型煤的燃燒過程屬於靜態滲透式擴散燃燒, 但仍不失生物質秸稈散燒的特性. 整個燃燒過程可以參照煤炭的燃燒機理大致劃分為點火(揮發物燃燒), 擴散燃燒(可燃氣體與碳混合燃燒), 平穩燃燒(焦炭燃燒), 燃燼(灰燼, 殘餘微量焦炭)4個階段[9- 11].
①點火秸稈成型燃料表面可燃揮發物燃燒, 進行可燃氣體和氧氣的放熱化學反應, 形成火焰. 由於其結構密實, 無孔縫, 導熱係數小, 可燃揮發氣體釋放速度慢, 所以燃燒緩慢, 火焰長而無力. 隨著秸稈成型燃料受熱後內部的揮發分緩慢, 持續析出, 燃燒持續約10min.
②擴散燃燒隨著燃燒溫度的不斷升高, 燃燒開始進入表面焦炭過渡燃燒階段, 生物質成型燃料表層的碳開始燃燒和少量由內部逸出的可燃氣體的燃燒, 炭化不斷向燃料內部發展.
③平穩燃燒隨著燃燒的持續, 藍色外焰變薄, 火焰變得短而有力, 燃燒開始變得猛烈, 燃燒向更深的焦炭層滲透. 這個階段在燃料表面進行的是CO的燃燒, 燃料內層則是炭燃燒 [12]. 由於空氣和煙氣場的相對擴散, 生物質成型燃料內部得不到足夠空氣, 纖維素, 木質素在高溫下被氣化生成CO, H 2, CH 4等可燃氣體, 它們不斷向外擴散燃燒保證燃燒平穩進行, 直至火焰逐漸變短, 變強, 這主要是焦炭的燃燒.
④燃燼燃料中剩餘碳繼續燃燒. 這時可燃物基本燃盡, 火焰變短, 顏色開始由亮變暗, 直至消失, 此時燃料已變成暗紅色灰塊, 整個燃燒過程大約持續60min. 燃燒溫度變化曲線如圖1所示.
燃燒的初始階段溫度上升較快, 擴散燃燒和平穩燃燒階段溫度上升速度逐漸減慢, 溫度較高, 燃燼階段溫度開始逐漸下降.
2.3.3秸稈成型燃料煙塵, 沉積腐蝕
生物質秸稈成型燃料在生產過程中不發生化學變化, 成分與原生生物質秸稈相差不大, 而燃燒時所排放煙塵除數量(不高於200mg/m 3)有所減少 [13- 14], 其與原生物質秸稈煙塵成分未有明顯差別, 煙塵主要產物組分見表2. 生物質秸稈成型燃料Cl含量較高, 會導致爐膛內嚴重腐蝕, 同時燃燼物易出現類似於煤炭的結渣現象, 其沉積和腐蝕機理為秸稈中含有1%以上的鉀及其它金屬元素, 燃燒過程中易揮發的堿金屬鹽在700℃左右的高溫下進入爐膛的氣相, 揮發性灰分和其它細小顆粒一部分會在冷凝面上凝結形成初始沉積層. 隨著溫度升高表面會出現熔融黏結面, 較大的顆粒煙塵撞擊到初始沉積面上形成新的沉積層 [15- 16], 當爐膛溫度高於780℃時, 這些沉積物形成玻璃狀的渣(複雜混合物), 嚴重結渣導致鍋爐不能正常運轉. 一般大型生物質鍋爐每10~ 12個月要停一次爐, 進行一周左右的清理.
生物質秸稈成型燃料中Cl含量高達0.2%~ 3.0%, 這是生物質秸稈不同於煤及其它礦物質燃料最顯著的特點. 生物質燃燒爐中, Cl 2及各種形態的氯化物對水冷壁的腐蝕作用最大, 因為HCl和Cl 2具有穿透金屬氧化保護膜的能力, 並與鐵反應形成鐵的氯化物. 在高溫, 高氧化性環境的爐膛內, 氯化鐵極易再次被氧化而形成較厚的氧化鐵剝落層. 煙塵中的SO 2, SO 3與沉積層中鐵的氯化物反應並生成(亞)硫酸鐵而放出Cl 2, 會重複氣態腐蝕過程, 加劇爐膛腐蝕. 另外, KCl, CrCl 2和FeCl 2堿金屬氯化物會與金屬表面或金屬氧化物反應形成低熔點(350~ 450℃)共晶化合物, 造成秸稈成型燃料結渣問題[15].
2.4技術經濟特性
生物質秸稈收購價格為400元/t, 加上運輸費用, 儲存費用, 加工過程的人工和燃料費, 設備折舊等費用, 成本價在500~ 550元/t. 此價格和目前的動力煤炭銷售價格500~ 600元/t相比沒有任何優勢, 但如果加上政府給予的清潔能源補貼, 基本上能夠持平或有盈餘. 在煤炭價格高於600元/t後, 再加上秸稈成型燃料不可比擬的環境效益, 其所具有的技術經濟性優勢開始顯現, 尤其是用做小型鍋爐, 鼓風爐, 炊事等農村能源時就更加明顯.
3結論
1)生物質成型燃料作為一種清潔可再生能源, 有著相對較為豐富的資源, 克服了秸稈的熱量密度低, 不易儲存和運輸等問題, 但生產設備和產品亟待標準化以推動和促進生物質成型燃料工業化進程.
2)生物質成型燃料的物理特性, 點火特性更接近原生物質, 而優於煤炭. 燃燒過程屬於靜態滲透式擴散燃燒, 類似型煤, 可以劃分為揮發物燃燒, 擴散燃燒, 平穩燃燒和燃燼4個階段, 燃燒排放的煙塵濃度低, CO, CO 2, SO 2, NO x濃度都比煤炭少, 但較高的堿金屬和Cl含量會導致受熱面金屬的腐蝕和煙塵沉積.
3)不計環境效益時, 目前的生物質成型燃料技術生產水平下的經濟性與煤炭相比沒有優勢, 需要政府的政策才能取得大的發展.
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