第五章 生物质直接燃烧技术ppt课件.pptx

第五章 生物质直接燃烧技术,生物质直接燃烧技术简介,生物质直接燃烧技术是生物质能源转化中相当古老的技术，人类对能源的最初利用就是木柴燃火开始的。我国古代人民在燧人氏和伏羲氏时代， 就已经知道使用“钻木取火” 的方法来获取能源了。从能量转换观点来看，生物质直燃是通过燃烧将化学能转化为热能加以利用，是最普通生物质能转换技术。,生物质直接燃烧在生活中的应用,有哪些呢？,生物质能利用直接燃烧,热效率低于20%,loss,loss,我国农村生活用能结构虽然发生了一定的变化，但薪柴、秸秆等生物质仍占消费总能量的50%以上，是农村生活中的主要能源。,生物质能利用直接燃烧,炕：热效率20-30%,炕（连灶炕）是我国北方农村居民取暖的主要设施，热量一般来源于炊事用的柴灶，炕与灶相连，故称炕连灶。也有专为取暖供热的炕，如西北的煨炕、东北的地炕都是在炕内设一烧火的坑。,连灶炕原图,连灶炕原理图,生物质能利用直接燃烧发电,现代生物质直燃发电技术诞生于丹麦。该国BWE公司率先研发秸秆等生物质直燃发电技术，并于1988年诞生了世界上第一座秸秆发电厂。该国秸秆发电技术现已走向世界，被联合国列为重点推广项目。在发达国家，目前生物质燃烧发电占可再生能源（不含水电）发电量的70%。,目前，我国生物质燃烧发电也具一定规模，主要集中在南方地区，许多糖厂利用甘蔗渣发电。例如，广东和广西两省共有小型发电机组300余台，总装机容量800MW，云南省也有一些甘蔗渣电厂。,秸秆直接燃烧发电垃圾直接燃烧发电,生物质能利用直接燃烧秸秆发电,热效率可达90%;生物质能净转化效率40,生物质能利用直接燃烧秸秆发电,每两吨秸秆的热值相当于一吨煤，平均含硫量只有38，远远低于煤1的平均含硫量。,丹麦:已建立了130多家秸秆生物发电厂。秸秆发电等可再生能源占到全国能源消费量的24以上。,1：1.4,能源草,秸秆,河北晋州：两台秸秆直燃锅炉（华光股份生产，2台75t/h）。 江苏如东：25 MW生物质发电项目。江苏宿迁和句容：每个项目的装机容量为2.4万千瓦(完全采用我国自主研发设计和制造的秸秆直燃锅炉技术）。,生物质与煤混合燃烧效果最佳,生物质能利用直接燃烧秸秆发电,截至2006年，我国已经有100多个县市已经开始投建或签订秸秆发电项目,Company Logo,生物质能利用直接燃烧秸秆发电,2005年，我国首个秸秆与煤粉混烧发电项目在枣庄十里泉发电厂竣工投产:引进了丹麦BWE公司的技术设备，对1台14万千瓦机组的锅炉燃烧器进行了秸秆混烧技术改造。,十里泉电厂,Company Logo,生物质能利用直接燃烧垃圾发电,生活垃圾焚烧后，质量只有焚烧前的10%，体积最多只有1/4。,西方发达国家大都建有垃圾发电厂，美国在20世纪80年代兴建了90座垃圾焚烧厂，90年代又建了近400座发电厂，垃圾焚烧率达40；日本垃圾电站有131座。,生物质能利用直接燃烧垃圾发电,垃圾电站,生物质能利用直接燃烧垃圾发电,浦东御桥工业区：国内第一座日处理千吨以上的大型现代化生活垃圾发电厂，每天可处理120150万城市居民产生的生活垃圾（约1000吨）。,我国目前规模最大的垃圾焚烧厂上海江桥生活垃圾焚烧厂，每天处理垃圾2000吨。,截至2006年，我国已经建成有100多个日处理量在200吨以上的焚烧装置。,Company Logo,目前全球有垃圾电站近1000座，预计未来三年内，将超过3000座。,生物质能利用直接燃烧垃圾发电,垃圾发电平均上网电价为.元千瓦时，发电成本为.元千瓦时。火力发电成本仅为.元千瓦时，水力发电的运营成本仅为.千瓦时.元千瓦时。相比之下，垃圾发电成本是相当高的，没有任何竞争优势。,生物质能利用直接燃烧垃圾发电,一、生物质燃烧原理及技术,（一）生物质燃料特性生物质燃料和煤炭在结构特性上的主要差别如下：,典型生物质燃料和典型的烟煤、无烟煤的元素组成与工业分析成分组成有很大区别：,由上述表可知，生物质燃料与碳相比其差别如下：（）含碳量较少，含固定碳少。（热值低）（）含氧量多，含水量多。（）挥发分含量多。（）密度小。（）含硫量低。,（二）生物质燃料燃烧过程,四个阶段：（）预热干燥；（）干燥阶段；（）挥发分的析出、燃烧与焦炭形成(干馏，释放热，占70%) ；（）残余焦炭燃烧。,15:23:54,22,挥发性焦油和气体,焦炭,H2O,O2,火焰,火焰,灰烬,H2O CO2,CO2,热量利用,生物质燃料,CO,CO2,O2,燃烧,燃烧,生物质燃料的燃烧过程,15:23:54,23,生物质燃烧的条件,要充分的燃烧，必要“3要素”：一定的温度合适的空气量及燃料的良好混合足够的反应时间和空间,燃烧过程特点：,）生物质燃料密度小，结构比较松散，挥发分含量高。在生物质燃烧过程中，若空气供应不当。挥发分就会不被燃尽而排出。）不论生物质的来源于草本还是林木。其热解后的组成成分基本一致。）含水量高且多变，热值低，炉前热值变化快，燃烧组织困难；,）挥发分高，且析出温度低、析出过程迅速，燃烧组织需与之适应；）生物质着火容易，在挥发分燃尽后，燃料剩余物为焦炭，气流运动会将炭粒带人烟道。且固定碳受到灰分包裹，燃烧较难，因此，在固定碳燃烧阶段。气流不宜太强。）碱金属和氯腐蚀问题突出。,燃烧设备的设计与运行方式的选择须从其燃烧特性出发！,（三）影响燃烧的主要因素,（1）反应温度直接影响反应速率，在考虑灰分熔化的前提下，尽量提高反应温度。（2）空气量空气太少，反应不完全，浪费燃料；太多，则带走热量，降低燃烧温度，影响燃烧稳定性。,（3）反应时间足够的燃烧时间使燃烧彻底。（4）颗粒尺寸影响反应表面积，颗粒越小越好。（5）水分含量燃料中水分不超过65%。,（6）气固混合搅动混合，使得灰分脱落暴露出未燃的炭，保证燃烧的充分性。（7）灰分燃料中灰分含量越高，燃料的热值和燃烧温度越低。,（四）生物质直接燃烧技术,直接燃烧技术特点（1）生物质燃烧所释放出的CO2 大体相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2 ，可以认为是CO2零排放。（2）生物质燃烧产物用途广泛，灰渣可综合利用。例如，灰分中含有植物生长所必需的多种营养元素可作为良好的农用肥料。,（3）可实现生物质燃料与矿物质燃料混合燃烧，可减少运行成本，提高燃烧效率，又可降低SOx、NOx等有害气体排放。,燃烧技术分类,炉灶燃烧：操作简便，投资较省，但燃烧效率低，造成生物质资源严重浪费。,锅炉燃烧：采用先进燃烧技术，燃烧效率高，适用于相对集中，生物质资源大规模利用。,（1）炉灶燃烧分类：旧式柴灶燃烧,燃烧不充分，保温性差，热效率低(只有10左右)、浪费燃料，且严重污染了环境。,旧式炕连灶弊端：不好烧，炕头过热，炕稍过凉。,节柴灶,改善方法 增加炉篦，供给空气充分，延长燃烧时间 增大换热面积，改进烟道形状,特点： 热能在灶内停留时间长，可得到充分利用，热效率高(可达2025)； 没有熏烟，污染少； 质量小，可拆装 多功能。节柴灶的灶桥可以调整，随着灶桥的调整可烧柴、烧锯灰和烧煤。,（2）锅炉燃烧,分类按照锅炉燃用生物质品种不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照锅炉燃烧方式不同又可分为流化床锅炉、层燃炉和悬浮燃烧炉。,层燃技术：生物质平铺在炉排上形成一定厚度的燃料层，进行干燥、挥发分析出及燃烧等过程。,链条炉和往复推饲炉排炉 结构简单，原料预处理容易，投资和操作成本低炉膛高温难以避免,受热面积灰、易结渣,流化床技术：生物质燃料颗粒与空气在锅炉中沸腾状态下燃烧。分鼓泡和循环流化床锅炉。高效低污染、传热传质强、燃料适应性好低温运行，热容量大，有害气体排放少技术成熟，已进入商业运行。,未来发展方向,循环流行化床锅炉技术是近十几年来迅速发展的一项高效低污染清洁燃烧枝术。国际上这项技术在电站锅炉、工业锅炉和废弃物处理利用等领域已得到广泛的商业应用，并向几十万千瓦级规模的大型循环流化床锅炉发展；国内在这方面的研究、开发和应用也逐渐兴起，已有上百台循环流化床锅炉投入运行或正在制造之中。,直燃发电的两种不同燃烧方式比较,生物质直接燃烧技术存在的问题1 流化床锅炉对燃料颗粒尺寸要去严格，在燃料入炉前需要进行一系列预处理2 对比重较小、结构松散、蓄热能力差的生物质，利用难度大3 为了维持一定的床温，耗电量大，费用高4 生物质燃料高含水量使锅炉排烟容积增大，效率降低5 在处理垃圾方面技术不成熟,（五）生物质直接燃烧发电,国外：欧美主要采用热电联产技术(CHP)，锅炉设计基本全部采用流化床技术。CHP工艺中发电效率在30%40%，但是它有80%的潜力可控。美国2010年生物质发电将达到13000MW装机容量；,丹麦在生物质直燃发电方面成绩显著，BWE公司研究开发了秸秆生物燃烧发电技术，迄今在这一领域仍是最高水平。政府已明令电力行业必须每年焚烧140万吨生物质；2002年日本提出计划2010年生物质能发电达330MW 。德国、意大利对生物质固体颗粒技术和直燃发电非常重视，在生物质热电联产应用方面很普遍。,15:23:54,44,芬兰：世界上利用林业废料、造纸废弃物等生物质发电最成功的国家之一，技术和设备为国际领先水平。 福斯特威勒公司是芬兰最大的能源公司，制造具有世界先进水平的燃烧生物质循环流化床锅炉。 燃料：木材加工业、造纸业废弃物含水量：60%排烟温度：140热效率：88%,国内： 我国在直燃发电技术领域与国外差距较大，主要以炉灶燃烧利用为主 生物质定型锅炉产品较少 造成农林废弃物的浪费,主要集中在有稳定生物质原料来源的制糖厂和林木加工企业。最近几年发展迅猛。截至2007年底，国家和各省发改委已核准项目87个，总装机规模220万千瓦。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过15个，在建项目30多个。,我国生物质直燃发电项目列表（不完全统计）,直燃发电,发展迅速,技术以引进为主,秸秆直燃电厂投资收益表,* 指未进行初投资分摊的净收益,直燃发电,年净现值流图,直燃发电,投资回收期较长,受秸秆价格波动影响大,15:23:54,50,生物质直接燃烧发电定义 原理与火力发电相似 原料主要包括：,典型生物质（农林废弃物、 秸秆）直燃发电,生活垃圾焚烧发电,15:23:54,51,生物质直接燃烧发电原理,产生蒸汽,直燃后的热能,汽轮机发电,生物质原料,直接燃烧,15:23:54,52,汽轮发电机系统,预处理,存贮仓库,生物质锅炉,原料吊车,灰渣处置,烟囱,供电供热,生物质原料收集,烟气处理系统,生物质直燃发电工艺流程,大气,秸秆发电,生物质与煤间接混烧发电示意图,我国首台煤粉秸秆混燃发电机组于2005年12月16日在华电国际电力股份有限公司所属的十里泉发电厂成功投产。该公司在1台14万千瓦原燃煤锅炉（400吨/小时）基础上加装了两台从丹麦BWE公司进口的输入热负荷为3万千瓦的秸秆专用燃烧器，并对供风系统及相关控制系统进行了优化，同时增加了1套秸秆收购、储存、粉碎和输送设备。 然在实际运行过程中却面临着诸多困境：秸秆价格飞涨（由原100元/吨飚升到400元/吨 ）；不享受补贴电价；灰粉难以分离 ，对粮食生产造成一定影响 。,生物质与煤混烧发电,15:23:54,54,生活垃圾焚烧发电,生活垃圾焚烧发电工艺流程,15:23:54,56,国内外垃圾焚烧技术主要有：层状燃烧技术流化床燃烧技术旋转燃烧技术（回转窑式）,15:23:54,57,垃圾焚烧烟气处理技术避免氯苯、氯酚等含氯有机物进入焚烧炉，因为它们在燃烧过程中可能生产二噁英保证炉膛内合适的温度和充足的氧气等来改善燃烧状况，提高燃烧效率，较少二噁英的生成选择合适的烟气处理技术，如经静电除尘器、湿式洗涤塔，SCR反应塔三级处理活性炭吸附烟道气净化系统的二噁英。,15:23:54,58,垃圾焚烧发电国内外发展现状,焚烧法的利用在日本、荷兰、瑞士、丹麦、瑞典等地域狭小的国家，焚烧已成为垃圾处理的主要手段，瑞士垃圾焚烧率为80%，日本、丹麦垃圾焚烧率在70%以上。,循环流化床垃圾焚烧利用系统流程图,江苏盐城垃圾焚烧发电有限公司投资2.58亿人民币，采用国内循环流化床技术，建设规模为三台75t/h循环流化床垃圾焚烧锅炉和配置二台15MW抽凝式汽轮发电机组，日处理垃圾达1000吨。北京最大的垃圾焚烧项目海淀区六里屯发电厂在建设初期，就遭到了附近居民的强烈反对。主要焦点在于环境污染，特别是二恶英等有毒气体排放对人体所造成伤害的潜在威胁。,垃圾及污泥焚烧发电,存在发展空间,面临污染挑战,污泥干燥焚烧利用系统流程图,垃圾及污泥焚烧发电,我国首例污泥干化焚烧项目于2004年9月27日在上海市石洞口城市污水处理厂投入运营，日处理脱水污泥213吨。污泥焚烧技术成本较高，盈利空间较小。目前，污水处理费在大部分城市都仅为0.3元/立方米，难以负担污水处理大约每立方米1元的成本。,15:23:54,62,制约我国垃圾焚烧发电产业化发展的因素：国家政策鼓励，但具体操作存在困难现行体制有弊，难以有效管理垃圾垃圾成分复杂，尚未实行分类收集设备国产化率低，全套引进费用惊人,15:23:54,63,垃圾发电技术的发展趋势：第一代垃圾焚烧炉存在问题第二代垃圾焚烧技术-气化熔融法集成技术，力图使二噁英、重金属等二次污染物排放值降到最低，同时提高锅炉效率和发电效率。,1. 生物质的收集、储运与预处理,技术发展的瓶颈,能量密度低，分布分散区域性、季节性纤维结构，预处理困难,其他问题：,生物质电厂密集程度增大，已出现无序建设苗头其他行业对原料的争夺（如农业、畜牧业、造纸和家具建材等）锅炉容量盲目求大,存在的问题及解决方法,解决措施：生物质发电项目建设时，应因地制宜，合理规划和布局，防止盲目布点根据当地生物质资源储量和分布特点，确定经济收集半径，据此选择合适的生物质燃烧电厂规模配套合理的生物质收集、储运和预处理，保证原料的稳定供应，提高系统的经济性,存在的问题及解决方法,生物质能资源供应系统研究,生物质资源供应体系的模块组成,生物质能资源供应体系结构图,主要农作物生长周期表,主要生物质供应系统价格分摊表,数据来源：相关文献整理,季节性,分散性,收集半径计算参数表,理论上收集半径是由生物质能利用系统所需资源量来决定的，而实际运营中则是由市场条件来决定的。,存在的问题及解决方法,收集半径确定,典型生物质秸秆压结特性参数表,挤压后体积可变为自然状态1/8-1/3,存在的问题及解决方法,收集模型比较,2. 碱金属问题,生物质灰高碱金属含量碱金属熔点低、易挥发碱金属易与床料等反应,积灰、结渣、聚团,特点：,燃烧过程中不可避免造成锅炉寿命、热效率降低严重影响锅炉的安全、稳定、经济运行,存在的问题及解决方法,结渣主要是由烟气中夹带的熔化或半熔化的灰粒（碱金属盐）接触到受热面凝结下来，并在受热面上不断生长、积聚而成，它的表面往往堆积较坚硬的灰渣烧结层，多发生在炉内辐射受热面上 积灰则是由生物质中易挥发物质（主要是碱金属盐）在高温下挥发进入气相后, 与烟气、飞灰一起流过烟道和受热面(主要是过热器和再热器)等设备时，会通过一系列的气固相之间的复杂的物理和化学过程以不同的形态在对流受热面上发生凝结、沾附或者沉降,存在的问题及解决方法,燃烧秸杆炉排炉炉膛结渣情况,存在的问题及解决方法,聚团：生物质原料中的碱金属在流化床床料中在一定高温条件下反应形成低熔点的共晶化合物而引起颗粒聚团，妨碍流化，甚至造成流化失败。颗粒被覆层包裹，覆层间相互粘结灰中的低温共晶体熔融粘结,流化失败床料形态,存在的问题及解决方法,床料中大块聚团样,造成床结渣的几个关键因素：燃料特性 温度 床料的选择 覆盖层 常用结渣指标：灰熔点、灰成分和灰粘度灰熔点并不适合作为生物质积灰结渣的单一判别指标还应综合考虑基于灰成分和灰粘度的生物质积灰结渣特性指标：碱酸比、硅比、硅铝比、碱性指数、灰沾污指数等,存在的问题及解决方法,防止炉内积灰、结渣、聚团的对策与煤混烧，降低燃料碱金属含量。对流化床，寻找适宜的惰性床料。可以选择富含抑制聚团烧结元素的床料，提高了烧结发生的温度，以保证正常流化。合理的风速和一二次风比，控制密相区燃烧份额和合理的床温。采用烟气再循环控制床温。及时排出大渣，保证均匀流化。监视炉内各点温度和控制风量。,存在的问题及解决方法,3. 氯腐蚀问题生物质中氯含量相对较高（如稻草），氯在燃烧过程中的挥发及其与锅炉受热面的反应会引起锅炉的腐蚀。 生物质燃料锅炉发生高温氯腐蚀的原因主要是生物质中的氯在燃烧过程中以HCl形式挥发出来，与锅炉的金属壁面发生反应 ：,只要HCl和Cl2不断补充，腐蚀反应就会一直进行，而且，FeCl3熔点很低。仅为282，较易挥发，对保护膜的破坏较为严重。,除了对Fe、Fe2O3的侵蚀外，氯与氯化物还可在一定条件下对Cr2O3保护膜构成腐蚀：,当氯、硫化合物共存时：,存在的问题及解决方法,氯、硫化物+ H2O、O2，加速高温腐蚀过程。除了以上高温气体腐蚀和熔融盐腐蚀之外，HCl气体还易在烟道出口处形成露点腐蚀。,合理调整工况加入钙基吸收剂脱氯 过热器材料选耐腐蚀的不锈钢容易腐蚀区加保护套管在管壁采用高温喷涂各部分过热器布置有效吹灰器，加强吹灰,高温氯腐蚀防治措施：,生物质直接燃烧技术的发展现状,(1) 生物质的种类繁杂，不同种类生物质之间外貌、 组分、物性和燃烧性能千差万别，不可能找到一种统一的燃烧方式，以实现其资源化利用；,(2) 应根据不同种类生物质燃料的燃烧特性，开发不同类型的燃烧技术，并研制相应的燃烧设备，有利于提高生物质燃料的燃烧效率；,(3)目前，关于生物质燃烧设备空气动力场的研究较少。因此，需要加强生物质燃烧设备空气动力场的理论分析和试验研究，为生物质燃烧设备的优化设计与高效运行提供科学的参考依据。,