化学与能源——生物质秸秆燃料的特性及应用分析

“化学改变生活”系列活动

化学与能源

论文题目：生物质秸秆燃料的特性和应用分析

负 责 人：

姓名 王晓云 学号 1012 1076 专业 材料化学

二0一四年三月

摘要：本文通过分析秸秆生物质燃料与煤炭燃料燃烧特性，找出影响其安全稳定燃烧的因素，并比较了几种具有代表性的秸秆生物质的结渣特性，总结了主要碱金属和氯对于生物质燃烧设备所产生的不利影响,并指出了发展生物质秸秆燃料的必要性。 关键词：生物质；秸秆燃料特性；环境保护

Abstract: In this paper, through the analysis of the biomass fuel and coal fuel combustion characteristics, find out the factors affecting the security and stability of combustion, slagging characteristics and comparison of several representative straw biomass, summarizes the main alkali metals and chlorine in biomass combustion devices that generate unfavorable effects, and points out the necessity of the development of biomass fuel. Keywords: biomass; straw fuel combustion characteristics; energy-saving emission reduction

一、前言

近年来，人们对环境污染问题的关注程度的逐渐提高，人们也越来越重视清洁能源的使用，如何在当今社会中实现节能减排是我国环境保护者的首要任务。众所周知，农作物秸秆是我国主要的生物质能资源之一，因此，发展秸秆燃料来替代石油供需缺口， 是解决区域性能源短缺问题的发展方向，同时发展生物质

秸秆燃料是实现可持续发展的必行之路。

二、生物质秸秆燃料的特性

1、秸秆燃料的可再生

秸秆是一种绿色植物，是当前可以替代石油的可再生清洁能源，秸秆主要是通过光合作用将水和CO2转化成生物质，只有在有阳光的情况下，这种生物质就可再生。理论上来说，这种生物质的转换可以实现CO2的零排放， 这对减少空气污染是非常重要的。之所以说秸秆可以替代石油，主要是可以使秸秆这种生物质原料在经过深加工之后制成高密度、高热量的颗粒燃料，从而替代石油燃料。另外，由于这种颗粒燃料的含硫量很低，而且在燃烧过程中所产生的CO2量也极低，因此，可以说秸秆燃料是一种可持续再生的清洁能源。

2、秸秆燃料的低污染

由秸秆燃料合成的颗粒燃料是具有低污染的特点的。其含硫成分低于0.07%， 灰分低于7.99%， 其可燃基挥发分高达83.61%， 这一点和同一发热值的煤相比， 其灰分可降低三分之二。另外，秸秆燃料的含氧量要比煤大到3 倍之多，可见其燃烧效果很好，而且燃烧中产生的重碳氢化合物也很少，烟气黑度低于林格曼1 级。

3、经济合理，适用范围广

将秸秆燃料制作成颗粒燃料， 其热值可达到（1.51 *10^4）KJ/Kg，

而其售价与同等热值的煤相比也仅仅高出50 多元，这一点比使用天然气和柴油都经济适用。因秸秆燃料挥发分高，易燃，使其具有较大的应用空间，如小于1t／h 燃煤锅炉、茶浴炉，干燥、热处理的低温窑炉等设备，炉膛略加改进，即可直接燃用。

除了用做燃料，农作物秸秆还可作为饲料，肥料和工业原料，用途十分广泛。

4、燃烧效率高，节约能源

因秸秆燃料挥发分高、灰少、水分少、易燃，机械、化学、排烟不完全燃烧热损失小，燃烧效率高达95％以上。同样条件下，比燃煤炉热效率提高7％以上，节约能源10％左右。

三、生物质秸秆燃料的燃烧特性分析

1、秸秆燃料的燃烧特性分析

根据燃烧的特点，农作物秸秆一般分为两类：一类为黄色秸秆又称软质秸秆，主要包括麦秸、玉米秸和稻草等，在生物质秸秆燃烧应用中占很大比重；另一类为灰色秸秆又称硬质秸秆，主要包括棉秆、麻秆等。以我国常见的、有代表性的3种黄色秸秆(稻草、麦秸和玉米秸)为研究对象，分析其燃料特性，通过表l和表2可以明显看出，不同生物质的元素分析结果不同，灰分组成也有明显的差异。

生物质的挥发分含量较多，特别是玉米秸的挥发分高达70％，远远超过烟煤；生物质固定碳含量较低，不到20％，而烟煤的固定碳含量超过生物质的两倍；另外，生物质的含硫量和热值明显低于烟煤。3种生物质中灰分含量相差很大，玉米秸的灰分含量最低，稻草的灰分含量最高，麦秸和玉米秸的灰分含量远低于烟煤；生物质灰分中SiO2和CaO含量较高，均超过烟煤，其中SiO2含量超过总灰分的50％；另外，生物质灰中的碱金属氧化物(K2O+Na20)的含量远远高于烟煤。生物质灰熔点的高低和灰的成分有关，不同的生物质种类和不同的产地都对其有影响。表3列出了灰分中常见化合物的熔化温度。

由表3可以看出，生物质中低熔点的成分(如Fe2O3)含量越多，灰熔点就越低，而生物质中的K和Na可以降低灰熔点，ca和Mg会提高灰熔点；Si元素在燃烧过程中容易与K元素形成低熔点化合物。生物质灰中的K，Na含量远远高于烟煤，所以灰熔点较低。无机元素的含量直接影响灰熔点。通过对生物质灰分的分析可以看出，生物质比烟煤的灰熔点低且易结渣。据实验数据统计，木质生物质灰的熔融温度为1 200～1 250℃，麦秸、农作物的熔融温度为750—1 100℃。各生物质的灰熔点如表4所示。

由表4可以看出，生物质灰熔点从低到高的顺序是麦秸、稻草、玉米秸。生物质特性对燃烧的主要影响有以下4点：一是含水量高、热值低，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高，因而炉膛温度低，燃烧效率也较低；二是挥发分含量高，析出速度快，燃料在炉内能快速

着火燃烧，燃烧时需补充大量空气，否则会造成空气供给量不足，难以保证生物质燃料充分燃烧，从而影响锅炉的燃烧效率；三是固定碳的含量远小于烟煤，由于固定碳的燃点高，其含量越高越难燃烧，因此生物质很容易燃烧；四是生物质燃料中的硫、氮、碳含量较低，可以降低电厂SO2和NOx的排放，CO2近似零排放。

2、生物质秸秆在中国的现状

由于农村经济的发展和生活水平的提高，人们的消费观念、消费方式发生了巨大的变化，为追求高质量的生活标准，以及常规能源市场开放，农民已有条件和能力大量使用煤炭等矿物能源，秸秆不再是农民消费的唯一选择，大量剩余的秸秆被遗弃田间地头，有些地区将剩余的秸秆在地头焚烧，既浪费资源，又严重的污染环境。农作物秸秆的随地燃烧能污染环境，已成为社会普遍关注的问题。双流机场和石家庄机场就曾因大量秸秆随地燃烧造成集中污染，大气能见度大大降低，致使上述两个机场飞机停飞。

四、生物质秸秆燃料的应用分析

1、我国的能源消耗现状

我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21世纪面临着经济增长和环境保护的双重压力，近几年我国每年燃煤消耗量在20亿—22亿吨，其中80％以上用于锅炉、窑炉等热工设备的直接燃

烧，燃煤排放的SO2在1 400万一1 700万吨。目前我国62．3％的城市SO2年平均浓度超过国家二级标准。我国石油资源匮乏，人均石油储量不足世界水平的1／10，而燃油锅炉每年需要消耗大量的石油资源，对宝贵的石油资源是一种极大的浪费。同时，消费石油和燃煤等化石资源，造成了大量CO2排放，我国每年仅燃煤、燃油锅炉排放的C02就达到约25亿吨。因此，改变我国能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，对于促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。

2、生物质能秸秆燃料的巨大空间

我国又是一个农业大国，每年仅农作物秸秆就生产约7亿吨，其他生物质能原料木屑、稻壳等也数量巨大，如此之大的资源除了一小部分用于畜牧业外，其余绝大部分以直接燃烧的方式进行利用，既浪费了资源，又污染了环境。我国每年产生的农作物秸秆约折合3．5亿吨标准煤，数量十分可观，但目前的利用率十分低下。生物质能的科学、环保的深层开发利用是一个重要课题。各种生物质燃料与煤的成分对比见下表。

3、生物质能的国家战略

利用现代生物质技术开发生物质能源的前景十分广阔，不但可缓解能源短缺，还能改善生态环境等问题。因此各国给生物质能源以极大的关注，从环境保护、生态环境和可持续发展角度出发，投入了大量的研究经费和人力，用于技术研究开发，如美国的“先进能源计划”、巴西的“国家酒精计划”、日本的“新阳光计划”、印度的“绿色能源工程”等。据专家估计，到2015年，全球总能耗将有40％来自生物质能源。中国是世界上最大的发展中国家，能耗占世界的10％以上，并呈上升的趋势。采用生物质能源解决能源和环境问题，正在成为我国能源战略的重心之一。2005年2月28日第十届全国常委会第14次会议通过了《中华人民共和国再生能源法》，从法律上确立了可再生能源的地位。国家发展和改革委员会2005年11月29日颁布了《可再生能源产业发展指导目录》。国家财政部2006年5月30日 颁布了《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》，设立专项资金支持发展。由此可见，国家大力发展生物质能源的战略已开始实施，必将促进节能减排工作。

4、举例分析：2013年中国秸秆颗粒机

①2013年秸秆颗粒机区域市场分析

（详情见http://www.xianlue.com/scdcyjbg/27180.html）

②2012年全球秸秆颗粒机市场发展预测

从上述两个图表可以看出，我国的秸秆的应用已经在我国的发展中占着越来越重要的地位。

五、结论与展望

目前我国生物质秸秆燃料的研发利用还处于初级阶段，但工艺技

术水平已经相当成熟，尤其在秸秆燃料的燃烧特性及应用分析上也有一定的成绩。相信在不久的将来，生物质燃料的这种可再生属性必将带动生物质燃料的大力推广应用，最终实现节能减排、保护环境的目的。 参考文献：

[1] 秦延山 生物质秸秆燃料的应用分析 化工管理 2014年1月 156-157[2]

[2] 周享春 《普通化学》北京大学出版社 2013

[3]周基树、延卫等 《能源环境化学》 西安交大出版社 2011 [4] 周建伟、周勇、刘星 《新能源化学》郑州大学出版社 2009 [5]Wang Chin-Tsan,Yang Che-Ming,Chen Zih-Sheng,Lee Yao-Cheng, Performance of straw-fed microbial fuel cells with mixed rumen microorganisms by using different catholytes Biomass and Bioenergy 2013.12, 412–417 [6]

[7]王许涛，张百良。生物质秸秆成型燃料特性分析 洁净煤技术 2013,19(2) ，40.41.60[3]

[8] 陈健， 胡筱敏 生物质秸秆燃料的应用分析 环境保护与循环经济 2008,28(5) 43-44[2]

[9] 潘雯瑞，任建兴 PAN Wen-rui， REN Jian-xing 秸秆生物质燃料燃烧特性分析 上海电力学院学报 2010,26(2) 1006-4729(2010)02—0131—04