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射阳生物质能源颗粒特性及其对燃烧的 影响分析

来源: 发布时间:2019-05-02 6090 次浏览

  【摘要】采用欧盟生物质(material)固体成型燃料标准(CEN/TC335)试验检测了中国和瑞典典型的 10种生物质能源颗粒,重点对中国的 秸秆类颗粒燃料与瑞典的 木质颗粒进行了对比,并分析其对燃烧特性的 影响。结果表明中瑞两国的 生物质能源颗粒都能满足技术标准要求,瑞典木质颗粒具有较高的 性能参数;中国的 玉米秸秆颗粒燃料发热量比瑞典木质颗粒低20.9%,挥发分低,燃烧后灰渣中的 硅含量高20%,灰熔点低,燃烧后灰分多,易结渣,对燃烧设备有较高的 要求。
  引言
  生物质能源颗粒具有高效、洁净、点火容易、CO2近似零排放等优点,可替代(用一物质代替另一物质(多为强者取代弱者的地位))煤炭等化石燃料应用于炊事、供暖等民用领域和锅炉燃烧、发电等工业领域,近几年来在欧盟、北美、中国得到了迅速发展。尤其是在瑞典,颗粒燃料生产、消费一直呈上升趋势,每年以8%~10%的 速度增加,2008年瑞典生物质能源颗粒消耗量达到185万吨,颗粒燃料产业取得了巨大发展。我国自2006年以来,相继出台了一系列促进可再生能源发展的 法律、政策、规划、标准等,促进了我国生物质成型燃料的 发展,但相比欧盟,我国的 生物质成型燃料刚刚进入市场化推广初级阶段。
  生物质能源颗粒的 一大优点就是能够应用于小型生物质锅炉中,通过颗粒燃烧器能够实现连续自动燃烧。目前,在欧美等,一般居民家用的 生物质能源颗粒及配套的 高效燃烧设备已经非常普及,但这些生物质能源颗粒以木质颗粒燃料为主,具有热值高、灰分低、燃烧后不易结渣等优点,而我国的 生物质成型燃料以农作物秸秆为主,与瑞典的 木质颗粒燃料相比,在物理特性、化学组分方面有着较大差别,导致燃烧特性存在差异,因此对成型设备、燃烧设备的 技术、工艺( technology)参数的 要求也不同。
  本文采用欧盟生物质固体成型燃料标准(CEN/TC335)试验分析中瑞两国10种不同生物质能源(说明:向自然界提供能量转化的物质)颗粒的 参数,包括颗粒燃料的 物理特性以及燃烧后灰渣的 化学组分等,同时重点对中国典型的 秸秆类颗粒燃料与瑞典的 木质颗粒进行对比,分析其对燃烧特性的 影响。
  1试验
  选取瑞典生产的 生物质能源颗粒和中国生产的 生物质能源颗粒为试验燃料(fuel),分别在瑞典SP技术(Technology)研究所生物质能源颗粒检测中心和农业部规划设计研究院生物质能源颗粒检测实验室进行试验。
  1.1试验燃料
  试验燃料包括瑞典和中国典型的 10种生物质能源颗粒。目前瑞典生物质能源颗粒以林业剩余物为主,选择市场上常见的 木质颗粒,主要是由刨花加工而成,同时选取油菜秆、虉草、麦秆以及树皮4种颗粒燃料作为对比分析,前3种颗粒燃料于2009年5月由瑞典农业大学生物质工程中心生产,树皮颗粒燃料由造纸工业用树皮加工而成。木质颗粒、树皮颗粒燃料来自瑞典SodraCell企业,颗粒燃料均压缩加工为圆柱型,直径8mm,长度10~30mm。
  我国的 生物质能源颗粒主要以农作物秸秆为主,选择目前市场上常见的 玉米秸秆颗粒燃料,同时选取棉秆、麦秆、落叶松、混合木质(杨树、桃树和红松的 混合物)等作为对比分析(Analyse),所用生物质能源颗粒于2009年7月在北京大兴礼贤生物质能源颗粒企业生产,由农业部规划设计(Design)研究院研制的 485型生物质能源颗粒成型机压制而成,颗粒燃料均压缩加工为圆柱型,直径8mm,长度10~30mm。
  1.2试验仪器与方法
  试验方法按照欧盟CEN/TC335固体生物质(Biomass)燃料技术规范进行测定,该规范主要针对木质颗粒燃料,并于2006年开始向欧盟标准转换。
  主要试验仪器包括:GJ2型密封(seal)式化验制样粉碎机、XL1型箱式高温炉、电热鼓风干燥箱、VatioEL元素分析仪、ZDHW5型微机全自动量热仪、HRA5型微机灰熔点测定仪、VISTAMPX型离子发射光谱仪、SZ114型往复式自动振筛机、BSA223SCW型分析天平、PL2002型电子天平等。
  1.3测试参数
  (1)堆积密度:根据单位标准体积的 净质量来计算堆积密度。
  (2)颗粒密度:称取一定量的 生物质固体成型燃料样品,通过测定样品在空气中质量与在随后液体中测定质量的 差值,来测定浮力,计算出样品的 体积,再计算出生物质固体成型燃料的 颗粒密度。
  (3)全水分:将生物质固体成型燃料样品置于105℃的 温度(temperature)下干燥至质量恒定,然后根据样品质量损失并修正浮力作用计算出全水分。
  (4)灰分:样品在(550±10)℃加热后剩余物的 质量占样品总质量的 百分比来测定灰分。
  (5)挥发分:样品在(900±10)℃隔绝空气的 环境中加热7min,扣除水分质量损失后,样品质量损失占样品质量的 百分数来计算挥发分。
  (6)机械耐久性:通过可控的 振动,在试验样品之间、样品与测试器内壁之间发生碰撞后,将已磨损和细小的 颗粒分离出来,根据剩余的 样品质量计算机械耐久性。
  (7)热值:将样品在自动量热仪中燃烧测量其热值。
  (8)灰熔融性:将生物质能源颗粒放在高温(high temperature)炉中加热,根据灰锥形态变化确定软化温度(DT)、变形温度(ST)、半球温度(HT)和流动温度(FT)。一般用ST评定灰熔融性。
  (9)元素分析:包括
  C、
  H、
  O、
  N、
  S、CL,其中
  C、
  H、
  O、
  N、CL测试是将生物质能源颗粒燃烧后通过气体色谱仪进行分离,再通过元素分析仪分离检测其含量,S通过定硫仪检测。
  (10)灰渣的 化学组成成分:燃烧后测试灰分,同时测量其灰渣中化学组成成分,测试金属元素包括S
  I、A
  L、F
  E、C
  A、M
  G、
  K、Na等。
  2试验结果与分析(Analyse)
  2.1物理特性
  测试后的 生物质能源颗粒的 物理特性如表1所示。
  (1)密度
  颗粒燃料的 堆积密度能够影响能量密度,也影响生产者和消费者的 运输成本和储藏成本。瑞典生物质能源颗粒除树皮的 堆积密度大于瑞典生物质能源颗粒的 标准(SS187120)一级颗粒的 参考值(600Kg/m3)以外,其他的 为535~590Kg/m3,但均满足二级颗粒燃料的 标准要求(≥500Kg/m3),其中麦秆颗粒燃料的 堆积密度更低。我国的 生物质能源颗粒的 堆积密度为532~568Kg/m3,也均低于一级标准参考值,但都能满足二级标准要求。
  生物质能源颗粒的 颗粒密度能够影响堆积密度和燃烧特性,颗粒密度越大,燃烧持续时间越长。瑞典木质颗粒燃料(fuel)和树皮颗粒燃料的 颗粒密度能够满足SS187120的 参考值(>1.12g/cm3)要求,分别为1.18和1.14g/cm3,其他3种均低于该标准参考值;我国的 生物质能源颗粒的 颗粒密度除麦秆的 为1.08g/cm3以外,其余均在1.12g/cm3以上。
  (2)机械耐久性
  机械耐久性是颗粒燃料非常重要的 参数,因为在用户运输、储藏过程中,机械强度较低的 颗粒燃料容易破碎,导致粉末增加,影响进料,同时在燃烧过程中,还影响烟气(flue gas)的 排放。瑞典生物质能源颗粒标准中要求颗粒燃料的 机械耐久性大于95%,结果表明所有的 颗粒燃料均能满足要求,瑞典的 颗粒燃料中,木质颗粒机械耐久性更高,为97.8%,但其他几种颗粒燃料相差不大。我国的 燃料也具有较高的 机械耐久性,表明我国秸秆类颗粒燃料的 成型技术已经能够满足要求。
  (3)低位发热量
  不同原料的 颗粒燃料发热量差异较大,瑞典木质颗粒燃料的 发热量为19.13MJ/Kg,而其他颗粒燃料的 发热量均低于木质颗粒,但均高于标准的 参考值16.9MJ/Kg。我国的 木质颗粒燃料的 发热量在13.15~16.83MJ/Kg之间,其中棉秆更低,为13.15MJ/Kg。相比瑞典木质燃料的 发热量,我国玉米秸秆颗粒燃料的 发热量要低20.9%。
  (4)工业分析
  工业分析包括全水分、挥发分、灰分和固定碳。从表1可知,除虉草颗粒燃料以外所有的 颗粒燃料的 水分都能够满足标准要求。尤其是瑞典木质颗粒更低,全水分为6.5%,相比木质颗粒,秸秆类颗粒燃料的 全水分较高,尤其是瑞典虉草颗粒燃料,全水分为12%。这与成型工艺有关,锯末全水分较高,一般超过50%,因此在成型前需要进行干燥,含水率在8%~10%再进行挤压成型;而我国的 秸秆原料经过预处理后,成型前含水率在10%~20%,但能够满足成型要求。
  生物(Organism)质能源颗粒的 挥发分通常是较高的 ,木质颗粒燃料的 一般在76%~86%之间。瑞典木质颗粒燃料的 挥发分为85.1%,而我国棉秆的 挥发分仅为62.33%。
  瑞典木质颗粒中的 灰分更低,仅为0.3%,其次是树皮颗粒,为3.4%,其他的 秸秆类颗粒燃料(fuel)较高;而我国的 棉秆颗粒燃料灰分更高,为21.69%,其次是麦秆,为9.95%,玉米秸秆颗粒燃料与瑞典的 秸秆类颗粒燃料灰分相差不大。
  对于颗粒燃料中的 固定碳,瑞典树皮颗粒的 较高(14.1%),而虉草的 较低,为4.1%,其他的 生物质能源颗粒相差不大,在6%~9%之间。
  2.2元素分析
  生物质能源颗粒
  C、
  H、O质量分数如表2所示,从表中可以看出,除我国的 棉秆颗粒燃料C质量分数较低外,其他颗粒燃料相差不大,在45%~50%之间,瑞典木质颗粒燃料和树皮颗粒燃料的 C质量分数更高,分别为50.6%和52.5%;对于H,所有颗粒燃料相差不大,基本保持在6%左右。对于O含量,所有颗粒燃料相差不大,保持在40%左右。
  对于不同颗粒燃料中的 C
  L、
  S、N质量分数差异较大,从表2中可看出,木质燃料的 C
  L、
  S、N要远低于秸秆类颗粒燃料,其中棉秆颗粒燃料更高,其次是玉米秸秆颗粒燃料。
  瑞典木质颗粒燃料中N仅为0.1%,远低于其他颗粒燃料,虉草颗粒燃料更高,为0.59%;我国的 棉秆颗粒燃料中的 N更高,其次是玉米秸秆,分别为1.55%、0.98%。颗粒燃料中N较高,在燃烧过程中,将产生较高的 NOx,这在Öhman M的 试验中已经证明,由于虉草颗粒燃料中的 N比木质颗粒高,导致燃烧后烟气中产生较多的 NOx。
  在瑞典木质、树皮颗粒燃料中的
  S、CL是较低的 ,低于0.01%,而油菜秆、虉草和麦秆是较高的 ,尤其是在麦秆中,CL为0.71%。而我国玉米秸秆中的 S为0.21%,远高于瑞典木质颗粒。
  2.3灰分、灰熔融性
  由表3可知,瑞典木质颗粒燃料灰分更低,仅为0.3%,但虉草、麦秆类的 灰分较高,与我国的 玉米秸秆、麦秆相差不大,但我国的 棉秆颗粒燃料灰分更高,为21.69%。
  瑞典木质、树皮、油菜秆以及虉草颗粒燃料的 变形温度在1340℃以上,其灰熔点已经达到作为燃料使用的 要求,属于难熔性灰,尤其是木质颗粒的 灰熔点达到了1550℃。生物质颗粒燃料由秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳等以及“三剩物”经过加工产生的块状环保新能源。生物质颗粒的直径一般为6~10毫米。因此在燃烧过程中难以结渣,而麦秆的 变形温度仅为990℃,属于易熔性灰。
  我国5种生物质能源颗粒中除落叶松的 灰熔点较高(1389℃)能够达到难熔性以外,其他的 颗粒燃料灰熔点在1198~1213℃,属于可熔性灰,因此在燃烧过程(process)中容易结渣,而且灰分也较高。
  2.4灰渣中化学成分
  对各种生物质能源颗粒燃烧后的 灰渣以及灰分进行了分析,结果发现结渣最严重的 是我国的 玉米秸秆、麦秆、棉秆和瑞典的 虉草颗粒燃料,其次是瑞典的 麦秆和我国的 混合木质颗粒燃料,而瑞典的 木质颗粒燃料结渣现象最轻。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。
  燃烧后瑞典生物质能源颗粒灰渣中化学成分如1所示。木质、树皮、油菜秆颗粒燃料灰渣的 化学成分主要以C
  A、
  K、Si为主,Ca更高,超过20%;木质、树皮颗粒Al较高,其中木质颗粒中Al为7.7%;虉草颗粒中Si更高,达到35%,其他化学成分较低;麦秆中主要以
  K、Si为主,Si达到13%。
  我国生物质能源颗粒灰渣中化学成分如2所示。我国的 落叶松、混合木质颗粒灰分也是以C
  A、
  K、Si为主,与瑞典木质颗粒燃料相比,灰分中的 Si较高;秸秆类颗粒燃料灰分中Si更高,基本在25%左右或更高,除Si元素外,秸秆类颗粒燃料中的 碱金属元素(K)及碱土金属元素(C
  A、Mg)也较高,尤其是麦秸的 K元素高达14.17%。
  2.5讨论
  试验结果表明,瑞典的 木质、树皮颗粒燃料能够满足瑞典生物质能源颗粒标准要求,我国的 秸秆类颗粒燃料总体性能要低于瑞典颗粒燃料,但在堆积密度、颗粒密度、机械耐久性等物理特性方面相差不大,这说明我国在秸秆类颗粒燃料成型技术方面已经达到了国际水平,完全满足要求。
  发热量方面,瑞典的 木质颗粒燃料比其他树皮、油菜秆、虉草、麦秆等颗粒燃料的 发热量要高7%~10%。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。这主要是由于木材的 物理特性要优于秸秆,木质颗粒燃料具有较高的 挥发分和灰熔点,挥发分含量为85.1%。挥发分的 含量将影响热分解和燃烧特性,在燃烧过程中挥发分将有利于hjc黄金城官网的 主要部分被蒸发,因此燃烧过程中易着火,且灰分少(0.3%),同时C和H作为颗粒燃料的 重要组成部分,木质颗粒中的 碳含量是较高的 ,分别为50.6%和52.5%,这也是其热值要比秸秆原料颗粒燃料高的 原因。我国林业资源匮乏,目前我国的 生物质能源颗粒主要以玉米秸秆类为主,由于秸秆物理特性劣于木材,挥发分和灰熔点较低,燃烧后灰分较高,我国玉米秸秆颗粒燃料发热量较低,仅为15.13MJ/Kg,比瑞典木质颗粒燃料低20.9%。
  通过对各种颗粒的 元素分析可知,秸秆类颗粒燃料的 C
  L、
  S、N含量较高,这可能导致燃烧后烟气中较高的 NOx,同时可能导致对燃烧设备有侵蚀。
  一般来说,燃料中Si元素含量越高,燃烧后结渣趋势越明显,另外碱金属元素(
  K、Na)含量越高,燃料结渣趋势(trend)越明显;碱(Alkali)土金属(C
  A、Mg)含量越高,燃料结渣趋势越小。通过燃烧后对灰渣的 化学成分分析可知,瑞典木质颗粒燃烧后灰渣主要以C
  A、
  K、Si为主,其中Ca占45%,而Si占7%,因此燃烧后结渣现象不明显;而我国的 玉米秸秆颗粒燃料燃烧后灰渣中的 Si为27.7%,比瑞典木质颗粒高20%,另外相比瑞典木质颗粒燃料,秸秆类颗粒燃料的 灰熔点较低,因此燃烧后也发现秸秆类颗粒燃料灰分较高、结渣严重。因此针对秸秆类颗粒燃料,在选择燃烧设备(如锅炉、燃烧器)时应充分考虑燃烧后的 清渣装置。
  3结论
  (1)瑞典的 木质颗粒燃料性能指标能够完全满足标准要求,发热量、挥发分较高,我国玉米秸秆颗粒燃料性能指标略低于瑞典木质颗粒燃料,但能满足标准要求。
  (2)瑞典木质颗粒燃料发热量为19.13MJ/Kg,相比树皮、油菜秆、虉草、麦秆等颗粒燃料高7%~10%。我国玉米秸秆颗粒燃料发热量为15.13MJ/Kg,比瑞典木质颗粒燃料低20.9%。
  (3)瑞典木质颗粒灰熔点较高,燃烧后灰渣中的 Ca占45%、Si占7%,而我国玉米秸秆颗粒燃料灰渣中Si为27.7%,因此瑞典木质颗粒燃烧后灰分少、灰渣少,我国的 玉米秸秆颗粒燃料燃烧后灰分较高、结渣现象比较严重。
  (4)针对秸秆类生物质能源颗粒的 特性,建议在生产过程中添加相关的 抗结渣剂,以降低燃烧过程中的 结渣现象、减少颗粒排放等,同时研究开发具有破渣、清灰机构的 生物质颗粒燃料燃烧器,以适应我国秸秆类生物质能源颗粒。
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