本发明涉及一种含湿生物质燃料的燃烧方法，具体涉及一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化燃烧方法。
背景技术：
生物质燃料是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重要地位，使用可再生的生物质燃料，可有效地保护环境，但我国每年有大量的农作物果枝、秸秆等含湿植物纤维燃料弃置在地间地头，由此造成的危害触目惊心，尤其是每年夏收秋收期间，由于秸秆露天焚烧，我国境内从南到北浓烟滚滚、空气环境急剧恶化，影响所及，高速公路封闭、运河停航、飞机迫降他处，秸秆焚烧引发的火灾破财伤人致死人命的恶性事件每年均有发生。
利用生物质能的生物质燃烧技术是将生物质原料直接送入燃烧设备燃烧，利用燃烧过程中放出的热量，或将生物质先气化或液化后加以利用的技术方法。按照燃料分类，可将生物质燃烧技术分为生物质的直接燃烧技术及生物质和矿物燃料（煤、油）混合燃烧技术。生物质直接燃烧技术是一种通过燃烧把生物质能转换成为热能的古老的能源转换技术，一直沿用至今，随着文明和科技的进步，燃用生物质的设施和方式在不断的改进，生物质直接燃烧技术主要包括炉灶燃烧技术、锅炉燃烧技术等。生物质和煤或油的混合燃烧技术是目前比较热门的技术，目前主要应用于生活垃圾等废弃物的焚烧处理。但不论是现有的生物质直接燃烧技术还是混合燃烧技术，所用生物质都需要先经必要的干燥（晒干或烘干）处理，干燥加工处理后的生物质具有燃点低、燃烧速度快的优势，但晒干需要很大的场地和阳光，还需要大量的人工，而烘干需要热耗和电耗。
当前，国内在生物质燃烧应用研究方面主要集中于生物质的气化、固化、热解和液化等，且财政支持的大量相关实际项目正在实施中，而关于生物质直接燃烧技术方面进展并不是很顺利。而在国外，生物质气化、液化项目并不太受关注，但生物质直燃技术尤其是生物质直燃发电技术在国外的应用已取得快速发展且已相当成熟，因为生物质气化、液化需要外热源和二次能源电，必然导致利用成本增加，无法产生直接利益。生物质直燃技术发电处理的生物质大部分是经干燥加工处理的农林废弃物、木材厂、造纸厂的残余物等或其成型燃料，且已经有各类生物质燃烧的专用设备以及其应用技术。如，专门针对燃烧林木业废弃材料的蒸汽锅炉、生物质流化床炉。我国亦于20世纪90年代初开始对生物质流化床锅炉的探索，如哈工大开发的用于燃用稻谷壳、木屑等生物质废弃物的系列生物质流化床锅炉，也开发了能够燃烧各种林业废弃物的层燃式锅炉。但国内外所有应用均采用经干燥粉碎处理加工的生物质燃料，或经干燥、粉碎、成型加工的生物质成型燃料。生物质成型燃料有棒状、块状和颗粒状等形状。但成型燃料的最大的缺陷是加工难，加工设备损坏过快，加工成型燃料的能耗高、成本高，且成型燃料燃烧时与空气接触面积较小，燃烧速率慢，燃烧温度较低。中国的余有芳等在棉杆成型燃料燃烧实验中获得的最高温度为720℃。
当前技术有效利用的干燥粉碎生物质燃料、或生物质成型燃料，一方面，干燥需要热耗和电耗及成本；另一方面，农林生物质既便是干燥料其本身的热值较低，能量密度较低，燃烧的火焰温度较低，一般不会超过1000℃，既便是生物质所含的大量内水产生的气体也会带走大量热量，降低热效率，而含湿的生物质燃烧更是非常困难，现有炉灶或锅炉的燃烧技术不能有效地稳定着火燃烧，这就是须干燥粉碎加工或干燥粉碎成型加工为成型燃料的根本原因；其次，干燥加工或干燥成型生物质燃料较粗大颗粒的燃烧速度慢、燃尽率低，导致热效率更低。为提高生物质的燃烧性能，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室邓磊等采用热水浸泡水洗的方式对小麦秸秆、稻壳和桐木木屑进行粉碎、浸泡、水洗、干燥等处理，除去部分有害杂质，以提高其应用性能，但能耗高、成本高、处理量有限，且客观上造成二次污染。为解决生物质成型燃料的燃烧速度偏慢、粗颗粒燃尽率低的问题，河南科技大学魏学锋等采用固态催化氧化剂mno2和kmno4与干燥粉碎的秸秆粉末按mno2/kmno4:秸秆粉=2:1的质量比例混合进行燃烧实验，可有效解决燃尽率问题，达到完全燃尽，且燃烧温度可达1000℃左右，但催化剂用量过大（为秸秆粉的2倍），生产中没有经济性；湘潭大学环境工程系罗婕等以固体氧化剂与生物质（20目筛下的米糠和木屑）按质量比固体氧化剂2:生物质1的比例混合试验，可降低着火温度，提高燃尽率，但固体氧化剂用量为生物质量的2倍，工业生产中没有应用价值。为提高生物质燃料的燃烧温度拓展应用范围，华中科技大学开发了生物质高温燃烧技术进行了生物质微米燃料煅烧水泥的研究，选用研磨至粒径范围在80-160目(177um-100um)之间的锯末生物质微米燃料旋风燃烧技术方法（类似于旋风燃烧锅炉技术），将粒径范围在80-160目(177um-100um)之间的锯末粉制成生物质燃料，以此生物质微米燃料的旋风燃烧方法，将生物质燃烧温度提高到1385℃，极大的改善破碎生物质的燃烧状态和燃烧效率，提升了生物质燃料的品位。并在粉体燃料旋风燃烧方法实验中发现，在燃烧过程中粒径大于0.465mm的粉体很难点燃，没有出现理想的轰燃和持续、稳定燃烧的现象，烟气中co含量较高燃烧不充分，燃烧过程中除尘器中落出的灰分呈黑色，炉膛温度不稳定。该研究取得了显著的成果，但将生物质粉碎至20目已很困难且能耗很高，粉碎至80-160目的粉体放在工业生产应用中缺失可行性。
另一方面，水泥生产是世界上温室气体最大排放源之一，约占全球排放总量的5%，采用替代性燃料已成为世界关注的重要问题。今天，水泥厂燃烧生物质和其他废弃物技术在一些国家，尤其是发达国家已经相当成熟，如德国的海戴尔博格水泥集团以经过专业公司干燥加工或干燥成型加工的动物饲料、城市地下水中的污泥、废弃纸张、废轮胎、废塑料、废木料及润滑油作为替代燃料，最高替代率达83.9%。
我国是世界水泥最大产能国，水泥行业是我国节能减排的重点行业之一，利用生物质能源代替煤炭是水泥行业的发展趋势之一。生物质能就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，是一种可再生能源，也是一种可再生的碳源。我国每年产量逾10亿吨的植物纤维如农作物果枝、秸秆就是生物质能源，它在燃烧过程中排放的二氧化碳同其生长时吸收的二氧化碳达到碳平衡，被认定为具有二氧化碳零排放的特点。为此，国内科技工作者进行了大量的研究和实践。如《上海建材》（2014年第2期）《农作物秸秆在水泥焚烧替代燃料应用中的关键问题探讨》介绍了上海建筑材料集团水泥有限公司卢波等，以收集的秸秆输送至成型加工厂，经干燥、粉碎、固化成型制成秸秆成型燃料，并与天津水泥工业设计研究院有限公司合作，在新型干法水泥生产线的窑尾塔架外增加一套流态化分解炉协同处理废弃物，该流态化分解炉不是按正常的新型干法分解炉设计，而是适当增加了塔内面积（塔内炉底设置大量的风管风帽），三次风从炉底鼓入，计量后的秸秆成型燃料喂人流态化分解炉焚烧。流态化分解炉设有喂煤装置，煤粉与炉底进入的三次风混合后燃烧，炉内温度一般在850℃～900℃。该项目以成型秸秆燃料替代一部分燃煤取得了良好的减排效果，每1.5吨成型秸秆燃料可替代1吨燃煤，但存在如下主要问题：一是干燥成本问题，使用燃料烘干则没有经济性，只能人工晒干，无论从使用还是从脱水考虑，秸秆燃料的利用都需要很大的储存用地，其季节性、占地、脱水、防火成了不可忽视的问题；二是加工的成型设备磨损快，电耗高；三是成型秸秆燃料和煤粉在特殊的流化床式分解炉内的混合燃烧速度匹配性差，使系统操作难度增加；四是钾、氯含量高等因素对窑系统工况的稳定性产生了影响，客观上造成了熟料产量损失。又如《水泥》（2016.no.1)《生物质燃料应用于水泥窑的工业试验》介绍了河北金隅鼎鑫水泥有限公司韩永鹏等以糠醛渣作为生物质燃料，将糠醛渣粉磨后通过0.08mm方孔筛，试烧完全燃尽时间约60min，然后，按煤粉用量的3%～5%，将磨细的糠醛渣加入新型干法水泥生产线的窑尾烟室内焚烧，加入量不超过煤粉用量的3%时能保证水泥窑系统连续运行，窑台时产量有所降低。该方法虽然能协同处理生物质—糠醛渣，但处理量有限，且客观上影响了窑系统工况，降低熟料产量。
cn104428397a，khd洪保德韦达克有限公司提供了一种用于在生产水泥的设施中处理生物质的方法和与之相应的设施，其方法是采用换热装置利用水泥预热器系统的废热能，干燥湿润的农业生物质并在反应器中碳化，再以干燥并碳化的生物质作为燃料。该方法投资大，且换热以干化、碳化过程中易产生二次污染，不适合我国国情。
cn105829262a，纳幕尔杜邦公司提供了一种用于水泥窑的木质纤维素生物质发酵过程的联产品燃料，其方法是将木质纤维素生物质以醇曲酶发酵过程提醇产生的废弃物木质纤维素滤饼和木质纤维素糖浆为原料，然后将木质纤维素滤饼和木质纤维素糖浆按一定的比例再混合，再将混合物干燥后作为燃料，用于水泥窑中燃烧。但这种混合物干燥能耗高，干燥制成生物质燃料的过程中所需能耗产生的co2与这种生物质燃料的减排co2量相当。
再者，由于尚缺少全新的生物质燃烧技术方法，在目前的我国政策和环保标准中，直接燃烧生物质属于高污染燃料，只允许在农村的大灶中使用，不允许在城市中使用。生物质燃料的应用，实际主要是生物质成型燃料，是将农林废物作为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成各种成型（如块状、颗粒状等)的可直接燃烧的一种新型清洁燃料。客观点说，这种新型清洁燃料对于使用单位而言是清洁的，其干燥、成型等加工过程中是耗能的、有排放的，且其加工过程所消耗的能源与其清洁燃料的能源数量上几乎相当或处在同一数量级上。因此，对于水泥企业替代部分燃煤的生物质能源尤其是植物纤维燃料的应用，迫切需要一种全新的技术方法以有效降低含湿植物纤维燃料的加工应用能耗和成本、并便于实现窑系统工况的稳定。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种无需干燥、成型，可低成本利用含湿生物质燃料作为水泥生产用替代性燃料，且不影响窑系统工况、不会造成熟料产量损失的含湿生物质燃料的悬浮催化氧化燃烧方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化燃烧方法，包括如下步骤：
（1）改性处理：将含湿生物质燃料粉碎，粉碎过程中或粉碎后喷洒液态催化助燃剂，均化为改性含湿生物质燃料；
（2）悬浮催化氧化无焰燃烧：将步骤（1）所得的改性含湿生物质燃料送入干法水泥生产线系统上现有的分解炉内，提高干法水泥生产线系统的高温风机拉风量至系统平衡风量以上，利用系统的拉风及分解炉内840℃（分解炉边部840～900℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧，改性含湿生物质燃料悬浮催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉内碳酸钙的分解。
进一步，步骤（1）中，所述的含湿生物质燃料为含湿植物纤维燃料，是指农、林、牧、医（中药）等行业产生的以天然植物纤维为主要成份的含湿的物料或废弃物，如园林果枝、秸秆等。
进一步，步骤（1）中，将含湿生物质燃料以剪切/磨削方式粉碎为尺寸1～50mm的物料。
进一步，步骤（1）中，喷洒的液态催化助燃剂占含湿生物质燃料质量的0.05～2%。
进一步，步骤（1）中，所述的液态催化助燃剂是指能有效促进含湿生物质燃料裂解氧化、提高氧化速度的物质，为市售的产品、或市售的原料如重铬酸铵、偏钒酸铵、高铁酸钾、高氯酸锂、硝酸铈、硝酸镍、硝酸锂等中的一种或几种制成的水溶液。
进一步，步骤（2）中，改性含湿生物质燃料可同时从分解炉的上部/中部/下部多处分散布入分解炉内，或部分布入分解炉顶部的鹅颈管内，但不能从分解炉的锥部或底部送入，以确保送入分解炉内的含湿生物质燃料处于悬浮状态。
本发明的技术原理：
1）借用催化氧化燃烧的优势，将催化助燃物质直接吸附于含湿生物质燃料上，于高于800℃（分解炉内840℃～1200℃）的托底温度场，解决好含湿生物质燃料的难燃性问题和燃烧速度慢的问题，使含湿生物质燃料能高效裂解和快速氧化燃尽释放出热能。
2）优选地，以成熟应用的高效而节能的剪切和/或磨削粉碎方式，将含湿生物质燃料粉碎为尺寸1mm～50mm的物料，既为物料的改性创造好条件，也为进入分解炉内后被拉风形成悬浮状态催化氧化无焰燃烧创造出条件。且在满足应用的同时，节省了大量的干燥能耗和成本，最大限度地降低了含湿生物质燃料的加工能耗，最大限度地降低了加工成本。
3）针对大部分含湿生物质燃料既便是完全干燥压制为成型燃料其热值仍较燃煤为低，燃烧温度远远达不到窑内物料1450℃烧成温度必须的1650℃以上的火焰温度，但可达到分解炉内850℃以上的碳酸钙分解温度，而将改性含湿生物质燃料应用于分解炉内燃烧供热。并利用分解炉内高浓度高温悬浮粉料环境，实现改性含湿生物质燃料高效的催化裂解和快速氧化无焰燃烧，无焰燃烧的热能直接传递供给碳酸钙的分解。
4）以提高干法水泥生产线系统的高温风机拉风量至系统平衡风量以上，消除含湿生物质燃料的水分对窑系统的不利影响，确保在利用含湿生物质燃料作为替代性燃料时，窑系统的产量和热耗不受影响，具有经济性。
本发明的有益效果：
1）方法简单，工业应用占地小、投资小，且有较为成熟应用的设备可选用，便于推广。
2）可有效减少生物质利用加工过程中的能源消耗和环境污染，利于环保和节能减排。
3）为水泥企业利用替代性生物质能源提供一种经济而实用的方法，既利于水泥企业节能减排和降本增效，也利于解决生物质就地焚烧造成的环境污染问题。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
在某φ3.5x54m干法水泥生产线上实施，含湿植物纤维物料选用当地葡萄园修剪弃置的果枝，检测含水率27.4%、干基热值3317kcal/kg，催化助燃剂选用湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司的zc-27型液态催化助燃剂，包括如下步骤：
（1）改性处理：将含湿果枝直接以剪切式破碎机粉碎为尺寸3～30mm的物料，在粉碎过程中喷洒占含湿果枝物料质量0.2%的zc-27型液态催化助燃剂，均化为改性含湿果枝燃料；
（2）悬浮催化氧化无焰燃烧：将改性含湿果枝燃料从干法水泥生产线系统上现有的分解炉的下部和中部分别同时送入分解炉内，提高系统的高温风机拉风量至系统平衡风量以上，保持窑系统的动态稳定，利用系统的拉风及分解炉内870℃（分解炉边部870℃～890℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性含湿果枝燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧，改性含湿果枝燃料悬浮催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉内碳酸钙的分解。
逐步增加改性含湿果枝燃料的用量，逐步降低尾煤用量，同步动态调整系统高温风机的拉风量维持在平衡风量以上，至取代窑系统尾煤用量的50%为止，连续15小时50%的尾煤替代量至含湿果枝燃料用完，窑系统运行的工况稳定，生料投料量增加8%（即熟料产量增加8%），窑内清亮，熟料结粒性好。取试验段熟料样检测熟料物理力学性能指标相当。
试验结果表明，以含湿葡萄园废弃果枝直接改性作为生物质替代燃料实施含湿植物纤维燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧方法是可行的。
实施例2
在某φ4x64m干法水泥生产线上实施，含湿植物纤维物料选用当地的高粱秸秆，检测含水率26.2%、干基热值3632kcal/kg，催化助燃剂选用湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司的zc-29型液态催化助燃剂，包括如下步骤：
（1）改性处理：将含湿高粱秸秆直接以剪切式破碎机粉碎为尺寸10～30mm的物料，粉碎后喷洒占含湿高粱秸秆物料质量0.5%的zc-29型液态催化助燃剂，均化为改性含湿高粱秸秆燃料；
（2）悬浮催化氧化无焰燃烧：将改性含湿高粱秸秆燃料从干法水泥生产线系统上现有的分解炉的中部送入分解炉内，提高系统的高温风机拉风量至系统平衡风量以上，保持窑系统的动态稳定，利用系统的拉风及分解炉内880℃（分解炉边部880℃～895℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性含湿高粱秸秆燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧，改性含湿高粱秸秆燃料悬浮催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉内碳酸钙的分解。
逐步增加改性含湿高粱秸秆燃料的用量，逐步降低尾煤用量，同步动态调整系统高温风机的拉风量维持在平衡风量以上，至取代窑系统尾煤用量的55%为止，连续8小时55%的尾煤替代量至含湿高粱秸秆燃料用完，窑系统运行的工况稳定，生料投料量增加5%（即熟料产量增加5%），窑内清亮，熟料结粒性好。取试验段熟料样检测熟料物理力学性能指标相当。
试验结果表明，以含湿高粱秸秆直接改性作为生物质燃料实施含湿植物纤维燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧方法是可行的。
实施例3
在某φ3x46m干法水泥生产线上实施，含湿植物纤维物料选用当地的稻草，检测含水率45.7%、干基热值3078kcal/kg，催化助燃剂选用湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司的zc-27型液态催化助燃剂，包括如下步骤：
（1）改性处理：将含湿稻草直接以剪切式破碎机粉碎为尺寸5～50mm的物料，在粉碎过程中喷洒占含湿稻草物料质量0.8%的zc-27型液态催化助燃剂，均化为改性含湿稻草燃料；
（2）悬浮催化氧化无焰燃烧：将改性含湿稻草燃料从干法水泥生产线系统上现有的分解炉的下部和中部分别同时送入分解炉内，提高系统的高温风机拉风量至系统平衡风量以上，保持窑系统的动态稳定，利用系统的拉风及分解炉内870℃（分解炉边部870℃～890℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性含湿稻草燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧，改性含湿稻草燃料悬浮催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉内碳酸钙的分解。
逐步增加改性含湿稻草燃料的用量，逐步降低尾煤用量，同步动态调整系统高温风机的拉风量维持在平衡风量以上，至取代窑系统尾煤用量的30%为止，连续24小时30%的尾煤替代量至含湿稻草燃料用完，窑系统运行的工况稳定，生料投料量增加7%（即熟料产量增加7%），窑内清亮，熟料结粒性好。取试验段熟料样检测熟料物理力学性能指标相当。
试验结果表明，以含湿稻草直接改性作为生物质替代燃料实施含湿植物纤维燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧方法是可行的。
实施例4
在某φ4x64m干法水泥生产线上实施，含湿植物纤维物料选用当地的麦秆，检测含水率32.4%、干基热值3186kcal/kg，催化助燃剂选用市售的高氯酸锂、偏钒酸氨和硝酸铈按质量比1:1:1的比例溶于水制成饱和溶液，包括如下步骤：
（1）改性处理：将含湿麦秆直接以剪切式破碎机粉碎为尺寸3～30mm的物料，粉碎后喷洒占含湿麦秆物料质量1%的催化助燃剂，均化为改性含湿麦秆燃料；
（2）悬浮催化氧化无焰燃烧：将改性含湿麦秆燃料从干法水泥生产线系统上现有的分解炉的下部和中部分别同时送入分解炉内，提高系统的高温风机拉风量至系统平衡风量以上，保持窑系统的动态稳定，利用系统的拉风及分解炉内870℃（分解炉边部870℃～895℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性含湿麦秆燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧，改性含湿麦秆燃料悬浮催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉内碳酸钙的分解。
逐步增加改性含湿麦秆燃料的用量，逐步降低尾煤用量，同步动态调整系统高温风机的拉风量维持在平衡风量以上，至取代窑系统尾煤用量的40%为止，连续8小时40%的尾煤替代量至含湿麦秆燃料用完，窑系统运行的工况稳定，生料投料量增加6%（即熟料产量增加6%），窑内清亮，熟料结粒性好。取试验段熟料样检测熟料物理力学性能指标相当。
试验结果表明，以含湿麦秆直接改性作为生物质燃料实施含湿植物纤维燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧方法是可行的。
实施例5
在某φ3.5x54m干法水泥生产线上实施，含湿植物纤维物料选用当地菜市场废弃蔬果，检测含水率51.7%、干基热值2976kcal/kg，催化助燃剂选用湖南省小尹无忌环境能源科技开发有限公司的zc-27型液态催化助燃剂，包括如下步骤：
（1）改性处理：将含湿废弃蔬果直接以磨削式破碎机粉碎为尺寸1～20mm的物料，在粉碎过程中喷洒占含湿废弃蔬果物料质量1.2%的zc-27型液态催化助燃剂，均化改性为含湿废弃蔬果燃料；
（2）悬浮催化氧化无焰燃烧：将改性含湿废弃蔬果燃料从干法水泥生产线系统上现有的分解炉的中部和上部送入分解炉内，提高系统的高温风机拉风量至系统平衡风量以上，保持窑系统的动态稳定，利用系统的拉风及分解炉内880℃（分解炉边部880℃～900℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性含湿废弃蔬果燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧，改性含湿废弃蔬果燃料悬浮催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉内碳酸钙的分解。
逐步增加改性含湿废弃蔬果燃料的用量，逐步降低尾煤用量，同步动态调整系统高温风机的拉风量维持在平衡风量以上，至取代窑系统尾煤用量的18%为止，连续3小时18%的尾煤替代量至含湿废弃蔬果燃料用完，窑系统运行的工况稳定，生料投料量增加3%（即熟料产量增加3%），窑内清亮，熟料结粒性好。取试验段熟料样检测熟料物理力学性能指标相当。
试验结果表明，以含湿废弃蔬果直接改性作为生物质替代燃料实施含湿植物纤维燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧方法是可行的。