第六章 生物质的直接燃烧

第6章生物质的直接燃烧燃料是通过燃烧将化学能转化为热能的物质，由燃料获取的热能在技术上是可以被利用的，在经济上是合理的。

生物质的燃烧是最普通的生物质能转换技术，它大体上可以分为炉灶燃烧、炕连灶燃烧和锅炉燃烧、炉窑燃烧等，其主要目的就是取得热量。

而燃烧过程产生的热量的多少，除与生物质本身的热值有关外，还与燃烧的操作条件和燃烧装置的性能密不可分。

因此，本章在介绍燃料燃烧计算的基础上，介绍几种生物质的燃烧设备。

6.1生物质燃烧的反应热力学和化学平衡所谓燃烧就是燃料中的可燃成分和氧化剂(一般为空气中的氧气)进行化合的化学反应过程;在反应过程中强烈放出热量，并使燃烧产物的温度升高。

尽管可燃成分并不是以元素形式存在，而是复杂的化合物，与氧发生燃烧反应产生一系列的化合分解反应，伴随热量的释放，但是作为物质平衡和能量平衡，可以通过可燃质元素及其化合物的热化学方程式计量，这些热化学方程式仅表示反应物与生成物之间的数量变化关系，与实际的反应历程无关。

6.1.1燃烧热力学生物质主要由碳、氢、氧三种主要元素和其他少量元素如硫、氮、磷、钾等组成。

在生物质中，磷、钾两种元素含量少且通常以氧化物的形式存在于灰分中，一般计算时不考虑。

由于氧不属于可燃成分，所以生物质的燃烧计算实际上是生物质中碳、氢、硫、氮及其化合物的反应与燃烧的计算。

生物质燃烧中，由于温度较低，一般认为大部分氮元素以N2的形式析出。

而硫的含量极低，有的生物质、甚至不含硫，所以生物质燃烧实际上就是C、H元素的化学反应和燃烧反应。

生物质燃烧时，生物质中C、H元素可能发生的化学反应及其反应热，见表6-1。

表6-1 生物质中的C、H元素的化学反应及反应热6.1.2化学反应平衡由于生物质中C、H、O元素占绝大多数，其他元素如N、S等数量较少，但后者经氧化反应后，产物是NOx、SOx。

这些产物对环境产生严重污染。

因此，尽管在热力学上研讨NO/空气、NO/ NO 2、SO 2/ SO 3的平衡也是同等重要的，但由于它们的真实含量是非常低的，所以在生物质的燃烧中通常不对这些组分的平衡关系加以讨论。

从热力学上看，生物质燃烧实际上就是C 、H 元素的化学反应与反应平衡，尤为重要的是CO/ CO 2的平衡关系，它表明燃烧是否完全，涉及到燃烧效率。

假定生物质燃烧时，发生化学反应：aA+bB+cC ↔xX+yY+zZ (6-1)式中A ，B ，C ——参与反应物的组分;X ，Y ，Z ——反应产物的组分。

按质量作用定律.化学反应速度与反应物的浓度乘方的乘积成正比。

此时的正逆反应速度分别为：c b a C B A k v ][][][11= (6-2)z y x Z Y X k v ][][][22= (6-3)式中， k 1和k 2为分别为正逆反应速度常数。

温度对化学反应速度的影响极大，主要表现在反应速度常数k 上。

不同物质在不同温度下，k 不同。

按阿伦尼乌斯定律：(6-4)式中k 0—— 常数， 称频率因子；R —气体常数，R=8.314J/(mol·K)；T —绝对温度， K ；E a —反应的活化能，J/mol 。

活化能大，反应速度常数k 小，化学反应速度v 低；活化能小，化学反应速度v 高。

温度高，速度常数k 大，化学反应速度高；温度低，化学反应速度低。

当反应系统达到化学平衡时，v 1=v 2，化学平衡时诸成分浓度之间的关系式为：r c b a z y x K k k C B A Z Y X ==21][][][][][][ΛΛ （6-5）式中，K r 称为化学平衡常数，是不随浓度变化只决定于温度的常数。

对于理想气体，化学平衡常数只是温度的函数，和压力无关。

根据化学反应平衡常数，可以在此平衡条件下确定生成产物的理论极限产率。

研究化学反应的化学平衡，则是为了了解最佳反应状态和主动改变某些平衡条件以调节生成物中某些组分气体。

按此，对应于表6-1中所列出的C 、H 2及与之有关的化学反应，不同温度下的平衡常数的对数见表6-2。

表6-2 气体与C （固体）、H 2（气体）及与之相关的化学反应的平衡常数的对数（lgKr ）尽管人们已经在这方面进行了大量的研究，在理论上取得了大量的成就。

但是在实际的燃烧工程中，由于平衡很难达到，因此上述方程的应用是受到限制的，加上燃料与空气不可能达到理想混合，温度也不稳定。

因此燃烧生成的CO 组分是要实测的，而不是单纯靠热力学方程来计算。

美国的Fields 等引入了热平衡的概念，在分析实际燃烧过程中，热平衡比热力学平衡更有实际意义。

对生物质颗粒来说，在瞬间是不可能达到热力学平衡的.但是，确实存在一种热平衡，即由输入的燃料和空气所产生的热量等于排出热量的一种平衡状态，排出热量为燃烧产物的热烩与燃烧装置周围热损失之和。

而要了解生物质燃烧产生热量的速率，就必须考虑动力学方面的问题。

6.2 生物质燃烧反应动力学生物质燃烧反应就是生物质与氧化剂(空气中的氧)之间进行的气固多相反应。

因此，有必要了解一下异相化学反应动力学的一般知识。

6.2.1异相化学反应速度固体燃料和气态的氧的反应是在固体表面进行的。

氧扩散到固体表面与之化合，化合形成的反应物（CO 2或其他）再离开固体表面扩散到远处。

因此两者之间的总反应速度除了与化学反应速度有关外，还与氧气和中间生成气向碳表面的分子扩散速度有关。

氧从远处扩散到固体表面的流量为：)(b zl C C m -=∞•α （6-6） 式中zl α—质量交换系数；∞C —远处的氧浓度；b C —固体表面的氧浓度。

这些氧扩散到了固体表面，固体就与其发生化学反应，实验表明，这个反应速度与表面上的氧浓度有关，一般与Cb 的某一分数幂成比例。

为了简便起见，姑且认为与C b 成比例。

化学反应速度可以用氧的消耗速度来表示，则有：b O b kC K m ==•2 （6-7）式中 2O b K —单位时间单位面积的固体表面上消耗掉的氧量；b kC —化学反应常数，服从于阿伦尼乌斯定律。

已知远处的氧浓度C ∞，则：k C k C C C k C C C K zl zl b b b zl b O b 1111112+=++-==-=∞∞∞ααα （6-8）一方面，由于k 服从于阿伦尼乌斯定律，当温度上升时，k 急剧增大。

另一方面，zl α与温度T 的关系十分微弱，可近似认为与温度无关。

因此，如果把上式作在2O b K -T 坐标上，就会得到图6-1。

如图6-1所示，整个反应速度曲线可分成三个区域。

1.动力区(化学动力控制)当温度T 较低时，k 很小，k 1很大，含zl k α11>>因而，∞≈kC K O b 2。

此时燃烧速度取决于化学反应速度，因而称为动力燃烧区（或动力区）。

由于反应速度常数很小，固体表面的图6-1扩散动力燃烧的分区1-动力区(化学动力控制)；2-过波区；3-扩散区（扩散控制）化学反应很缓慢，消耗的氧量很少，所以此时∞=C C b。

此时提高燃烧速度的关键在于提高温度，例如在生火点炉时，应抓住温度这一关键，不必大力送风，以免降温。

2.过渡区随着燃烧反应放出热量的增多，固体及其周围气体的温度会进一步提高，从而使得k 变大，zl α与k 大小差不多，因而不能忽略。

此时燃烧速度既取决于化学反应速度，又取决于氧向固体表面的扩散速度。

3.扩散区(扩散控制)当温度T 很高时，k 很大，k 1很小，zl k α11<<，因而∞≈C K zl O b α2。

此时燃烧速度取决于氧的扩散，因而称为扩散燃烧区（或扩散区）。

由于反应速度常数很大，固体表面的化学反应很快，氧从远处扩散来到固体表面后很快几乎全部被消耗掉，所以固体表面的氧浓度b C 很低，几乎为零。

消耗的氧量很少，此时∞=C C b 。

提高燃烧速度的关键在于提高固体表面的质量交换系数zl α。

例如提高空气与固体燃料表面之间的相对速度可以达到提高zl α的目的。

正常运行的燃烧装置中火床温度很高，燃烧处于扩散区，此时加强鼓风，就可提高出力。

以上所述的化学反应与扩散的综合反应机理反映了固体燃烧过程的基本规律，但是实际上燃烧过程还包括许多更为复杂的环节与因素，牵涉到许多种化学反应。

6.2.2生物质的燃烧过程由生物质的组成可知，生物质中含碳量少，水分含量大，使得其发热量低，如秸秆类的收到基发热量为12000～15500kJ/kg ；含氢较多，一般为4%～5%，生物质中的碳多数为与氢结合成较低分子量的碳氢化合物，易挥发，燃点低，故生物质燃料易引燃，燃烧初期，挥发分析出量大，要求有大量的空气才能完全燃烧，否则会冒黑烟。

由于生物质燃料的这些特点，使得生物质的燃烧与煤的燃烧一样也经历预热干燥阶段、热分解阶段（挥发分析出）、挥发分燃烧阶段、固定碳燃烧和燃尽阶段，但其燃烧过程有一些特点，1.预热干燥阶段在该阶段，生物质被加热，温度逐渐升高。

当温度达到100℃左右时，生物质表面和生物质颗粒缝隙的水被逐渐蒸发出来，生物质被干燥。

生物质的水分越多，干燥所消耗的热量也越多。

2.热分解阶段生物质继续被加热，温度继续升高，到达一定温度时便开始析出挥发分，这个过程实际上是一个热分解反应。

生物质热分解动力学表达式为：nRT Ea e k dt d )1(0αα-=- （6-9） 式中 αd —热分解速率；—燃烧质量变化率；n —反应级数。

关于反应级数n与生物质本身的组成、热分解时的升温速率、温度、颗粒的粒度等有着密切的关系。

一般认为，生物质燃烧时的热分解是一个一级反应，即n=1，析出挥发分的速度随着时间的增加按指数函数规律递减。

起初析出速度很快，较迅速地析出挥发分的70%～90%，但最后的10%～30%要过较长的时间才能完全析出。

3.挥发分燃烧阶段随着温度继续提高，挥发分与氧的化学反应速度加快。

当温度升高到一定温度时，挥发分就燃烧起来—着火。

此温度称生物质的着火温度。

由于挥发分的成分较复杂，其燃烧反应也很复杂，几种主要可燃气体与空气混合物在大气压力下的着火温度见表6-3。

表6-3可燃气体与空气混合物在大气压力下的着火温度当挥发分中的可燃气体着火燃烧后，释放出大量的热能，使得气体不断向上流动，边流动边反应形成扩散式火焰。

例如平时看到木质类物质燃烧时的火焰（火苗）就是挥发分的燃烧所形成的。

在这扩散火焰中，由于空气与可燃气体混合比例的不同，因而形成各层温度不同的火焰。

比例恰当的，燃烧就好，温度高；比例不恰当的，燃烧不好，温度就低，所以过大、过小的比例，即进入燃烧室的空气过多或过少都会造成火熄灭。

挥发分中的可燃气体的燃烧反应速度取决于反应物的浓度和温度。

如前所述，高温时，速度常数k大，挥发分析出的速度快，氧和可燃气体的浓度高，燃烧反应速度高；反之，燃烧反应速度较低。