李濤

摘 要：研究秸稈、污泥等可再生燃料的燃燒特性，結(jié)合秸稈、污泥和煤三種燃料各自的優(yōu)點(diǎn)，分析秸稈、污泥和煤按比例混合的發(fā)熱量、成分及燃燒產(chǎn)物等數(shù)據(jù)，選擇合適的配比，合理運(yùn)用達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益及節(jié)能環(huán)保的雙重目的，為電廠的燃料選擇及使用提供參考。

關(guān)鍵詞：可再生燃料；秸稈；污泥

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.078

1 引言

秸稈已經(jīng)被認(rèn)為是新能源中最具開發(fā)利用規(guī)模的一種綠色可再生能源，秸稈的平均含硫量只有千分之3.8，而煤的平均含硫量約達(dá)百分之一。且低溫燃燒產(chǎn)生的氮氧化物較少，所以除塵后的煙氣不進(jìn)行脫硫，煙氣可直接通過煙囪排入大氣。秸稈通常含有3%～5%的灰分，這種灰以鍋爐飛灰和灰渣/爐底灰的形式被收集，含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分如鉀、鎂、磷和鈣，可用作高效農(nóng)業(yè)肥料[1，2]。污泥內(nèi)含有許多有害物質(zhì)，污泥含有80%的水分，具有500～800大卡/公斤的熱值。但是其作為低熱值燃料將其加工成形，與高熱值煤進(jìn)行摻燒，可以充分利用污泥中的有機(jī)物熱值[3]。污泥發(fā)電不但可以實(shí)現(xiàn)污泥安全處理，同時(shí)還可以從污泥中抽取能量，代替部分化石燃料，既節(jié)約資源和能源，又保護(hù)環(huán)境，有利于促進(jìn)我國(guó)向可持續(xù)的循環(huán)型社會(huì)的轉(zhuǎn)變。

總的說來，生物質(zhì)能發(fā)電行業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景，可見污泥、秸稈發(fā)電發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)非常好。但目前秸稈、污泥發(fā)電技術(shù)還尚不成熟，相對(duì)國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)目的定性分析、定量分析和研究都較少。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行的污泥發(fā)電廠及現(xiàn)有小型秸稈爐實(shí)施調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室對(duì)污泥和秸稈的氧彈測(cè)量、紅外側(cè)硫、工業(yè)分析、元素分析等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，結(jié)合污泥和秸稈燃燒特性，并且對(duì)比各種污泥、秸稈和煤配比方式，驗(yàn)證污泥、秸稈和煤摻燒的環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性。

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于一些目前比較先進(jìn)的儀器，如：5E-IRSII紅外測(cè)硫儀、5E-C5100A自動(dòng)量熱儀、5E-MAG6700全自動(dòng)工業(yè)分析儀、熱重分析儀等等。依據(jù)這些儀器進(jìn)行測(cè)量出來的數(shù)據(jù)能夠到達(dá)目前先進(jìn)水平的測(cè)試要求。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 發(fā)熱量

在一定的實(shí)驗(yàn)工況和條件下，針對(duì)秸稈、污泥和煤?jiǎn)为?dú)燃燒時(shí)測(cè)量其發(fā)熱量，根據(jù)各自的發(fā)熱量按照一定的配比進(jìn)行計(jì)算，算出接近接近褐煤的發(fā)熱量，記下此時(shí)的比例。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)計(jì)算中的配比比例來進(jìn)行驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析。

表1為秸稈、污泥和煤的發(fā)熱量比較，得到污泥發(fā)熱量=2261.1

Cal/g，秸稈發(fā)熱量=4158.7Cal/g，煤發(fā)熱量=5445.0Cal/g。

按比例混合后發(fā)熱量為。先預(yù)設(shè)一個(gè)比例，取煤：秸稈：污泥=4：4：2，計(jì)算得到=4293.7Cal/g；增大煤的比例，取煤：秸稈：污泥=5：3：2，計(jì)算得到=4422.33Cal/g；煤比例不變，相比污泥，增大秸稈的比例，取煤：秸稈：污泥=5：4：1，計(jì)算得到=4612.09Cal/g；污泥熱值相對(duì)較低，選取一個(gè)污泥比例較高的配比，與前面的計(jì)算做對(duì)比，取煤：秸稈：污泥=3：3：4，計(jì)算得到=3785.55Cal/g。按照如上的四種比例進(jìn)行試驗(yàn)分析，得到了各種比例下的發(fā)熱量的數(shù)據(jù)，見表2。

由表2可以看到，在同一個(gè)比例配比下，實(shí)際測(cè)量的發(fā)熱量比理論計(jì)算的發(fā)熱量值有減少，一方面可能是由于單獨(dú)測(cè)量秸稈、污泥和煤的發(fā)熱值和按比例混合后測(cè)量時(shí)存在實(shí)驗(yàn)誤差，一方面可能是三種燃料混合后燃燒特性會(huì)互相影響，導(dǎo)致最后實(shí)測(cè)與理論計(jì)算值有較大誤差。但是不管是理論計(jì)算還是實(shí)測(cè)發(fā)熱量的結(jié)果，煤：秸稈：污泥=5：4：1這個(gè)比例下的發(fā)熱量最大，其次是煤：秸稈：污泥=5：3：2，再其次是煤：秸稈：污泥=4：4：2，發(fā)熱量最低的是煤：秸稈：污泥=3：3：4。

在三種燃料中，由表1可以看出，污泥的發(fā)熱量最低，秸稈的居中，煤最高。從發(fā)熱量看，秸稈的燃燒發(fā)熱量比污泥高得多，所以在配比中，秸稈的比例相比污泥高時(shí)，混合燃料的總體發(fā)熱量提高；同等條件下，煤的配比比例提高，混合燃料的總體發(fā)熱量提高，污泥的配比比例提高，故發(fā)熱量最大的配比是煤：秸稈：污泥=5：4：1，發(fā)熱量最低的配比是煤：秸稈：污泥=3：3：4。

按一定比例混合的煤、秸稈、污泥的發(fā)熱量最高可達(dá)4248.9Cal/g，比直接燃燒秸稈發(fā)熱量大。另外，還摻雜了污泥，帶著低發(fā)熱量的污泥不僅處理了城市污染，還延長(zhǎng)煤的使用年限。秸稈、污泥、煤混合燃燒的理論計(jì)算發(fā)熱量最大可達(dá)4612.09Cal/g。如果改變混合燃燒的方式，或者充分混合程度可能達(dá)到最大理論計(jì)算發(fā)熱量。最佳配比下的發(fā)熱量是四種配比中發(fā)熱量最大的。發(fā)熱量是燃燒的前提條件，發(fā)熱量越大質(zhì)量越高，燃燒所需的燃料量相對(duì)越少，為鍋爐的穩(wěn)定燃燒提供了保障。

3.2 成分分析

氮在鍋爐中燃燒時(shí)生成氧化氮已氣體形式從煙氣中排走，不會(huì)對(duì)灰渣成份造成影響，但在煙氣排放中的氧化氮主要是會(huì)造成溫室效應(yīng)。但從表3中看出氮在污泥中含量為4.14%，氮在秸稈中含量為0.78%，氮在煤中含量為1.4%。按煤：秸稈：污泥混合后氮的比例與煤差不多，四種情況下煤：秸稈：污泥=5：4：1這個(gè)配比氮的含量最低，同時(shí)這個(gè)配比下的碳?xì)浜孔罡?，在此也?yàn)證了這種最佳配比的發(fā)熱量最高。

在高溫下燃燒，所含的氮一部分將于氧化合而生成氮氧化物，造成嚴(yán)重的大氣污染。根據(jù)上述碳氮?dú)浜繑?shù)據(jù)報(bào)告，最佳配比下的氮含量非常少可以導(dǎo)致在電廠脫硝裝置中，使用那些脫硝效果一般的或者脫硝電耗大大減少，將為電廠減少一大筆使用費(fèi)用。

表4為各種配比下工業(yè)分析成分含量數(shù)據(jù)表。由表4中數(shù)據(jù)顯示煤的揮發(fā)分比較低，標(biāo)煤的干燥無(wú)灰基揮發(fā)分含量只有30%多，而秸稈和污泥的干燥無(wú)灰基揮發(fā)分含量均超過80%。所以導(dǎo)致混合后的燃料揮發(fā)分含量也很高，在60%到70%之間。揮發(fā)分含量越高越容易燃燒，高的揮發(fā)分含量為鍋爐燃燒提供了便利條件。另外我們看到四種配比中煤：秸稈：泥配比為5：4：1的灰分含量最少，空氣干燥基只有27.37%，焦炭的含量最高。這些都證明了煤：秸稈：泥配比為5：4：1是最佳配比。

揮發(fā)分是氣體可燃物，其著火溫度較低，著火容易；揮發(fā)分多，相對(duì)來說，煤中難燃的固定碳含量便少，使煤易于燃燒完全，大量揮發(fā)分析出，其著火燃燒后可放出大量熱量，有助于固定碳的迅速著火和燃燒，因而揮發(fā)分多的煤也易于燃燒完全；揮發(fā)分越多的燃料，越容易著火，燃燒也易于完全。所以最佳配比下的高揮發(fā)分是非常好的。灰分是煤中有害成分，灰分熔融要吸收熱量，并由排渣帶走大量的物理顯熱；灰分多，使理論燃燒溫度降低，而且煤粒表面往往形成灰分外殼，妨礙煤中可燃物質(zhì)和氧氣接觸，使煤不易燃盡，增加不完全燃燒熱損失；灰分多，會(huì)降低鍋爐效率，產(chǎn)生爐內(nèi)結(jié)渣，腐蝕金屬，同時(shí)造成環(huán)境污染。所以最佳配比的灰分含量最少是非常好的優(yōu)勢(shì)。

3.3 產(chǎn)物分析

表5是燃燒產(chǎn)物硫的對(duì)比。由表5可以看出，煤中含硫最多，導(dǎo)致硫污染最嚴(yán)重。秸稈和污泥含硫都非常少。所以混合燃燒后大大減少了硫的含量，使硫產(chǎn)生的高溫腐蝕、低溫腐蝕等一系列硫污染大大減少。而且我們看到最佳混合燃燒的配比的硫面積為1.7976，僅比最小硫面積大了一點(diǎn)，這個(gè)最佳配比較為理想。硫的氧化產(chǎn)物二氧化硫、三氧化硫與煙氣中的水蒸氣結(jié)合成硫酸蒸汽，將對(duì)金屬受熱面造成強(qiáng)烈腐蝕；隨煙氣排入大氣的二氧化硫、三氧化硫，將造成環(huán)境污染，損害人體健康及其他動(dòng)物和植物的生長(zhǎng)。所以最佳配比下混合煤比原煤含硫量大為減少是非常有利的。

故相比其它三種配比，煤：秸稈：污泥=5：4：1時(shí)混合燃料的發(fā)熱量最大，碳?xì)浜枯^高，揮發(fā)分較高，利于燃燒；灰分較低，氮的含量較低，燃燒產(chǎn)物的含硫量相對(duì)較低，有利于提高燃燒效率，降低腐蝕和環(huán)境污染。

4 結(jié)論及展望

秸稈、污泥和煤混合燃燒結(jié)合了秸稈、污泥、煤三大優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過試驗(yàn)及分析，相比三種燃料單獨(dú)燃燒和其它三種配比，煤：秸稈：污泥為5：4：1時(shí)混合燃料燃燒效率較高，有利于燃燒發(fā)熱及環(huán)境保護(hù)。

目前秸稈、污泥在儲(chǔ)存、收購(gòu)、運(yùn)輸、取用等方面還存在一定問題，但是隨著研究深入，技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題都可解決。煤、秸稈、污泥混合燃燒發(fā)電具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能有效處理農(nóng)林廢棄物和城市生活污泥，大大減少秸稈就地焚燒的燃燒產(chǎn)物PM2.5、顆粒物、SO2、NOx、CO、VOC的污染，明顯改善環(huán)境?？傊?、秸稈和污泥混合燃燒發(fā)電不但可以解決我國(guó)能源危機(jī)，改善能源結(jié)構(gòu)，而且對(duì)污染控制、緩解環(huán)境壓力、減排溫室氣體都有巨大作用。

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