摘要：本文在生物質(zhì)燃燒特性的基礎(chǔ)上，介紹了生物質(zhì)的直接燃燒和與煤混合燃燒技術(shù)的研究，分析了生物質(zhì)燃燒的污染排放情況，指出了目前存在的一些問題，富通新能源生產(chǎn)銷售的
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)專業(yè)壓制
生物質(zhì)成型顆粒燃料。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；鍋爐；燃燒；混燃
從我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)來看，煤是主要的能源支柱，然而燃煤電廠、工業(yè)鍋爐及民用鍋爐向大氣中排放大量S02、CO2及煙塵，使中國的酸雨污染面積日趨擴(kuò)大，加之煤、石油這些化石能源儲量有限，因此人類迫切要求尋找新的能源，為可持續(xù)發(fā)展尋求出路。在眾多可再生能源中，生物質(zhì)具有極大的開發(fā)潛力。
生物質(zhì)是指由光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，是有機(jī)物中除化石燃料外的所有來源于動、植物可再生的物質(zhì)。生物質(zhì)是僅次子煤、石油和天然氣的世界第四大能源，當(dāng)前，生物質(zhì)燃料的消耗已占世界能源總消耗量的14%，在發(fā)展中國家這一比例高到38%，生物質(zhì)燃料的開發(fā)利用已經(jīng)成為世界的共識。
在眾多的生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)中，生物質(zhì)燃燒是最簡便可行的生物質(zhì)利用方式之一。
秸稈顆粒機(jī)壓制的小麥秸稈顆粒燃料如下所示：
秸稈壓塊機(jī)壓制的玉米秸稈顆粒燃料如下所示：
富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機(jī)等生物質(zhì)成型機(jī)如下所示：
1、生物質(zhì)燃料的燃燒特性
研究生物質(zhì)的燃燒，必然要掌握生物質(zhì)燃料的組成成分，劉建禹等人通過對生物質(zhì)燃燒特性的研究對比了生物質(zhì)與煤的燃料特性。由表可以看出，生物質(zhì)和煤在組成和特性（如發(fā)熱量）上存在著顯著的差異。雖然生物質(zhì)的組成和特性因種類、產(chǎn)地、氣候、環(huán)境及生產(chǎn)過程等變化很大，但仍具有許多共性：
(1)從工業(yè)分析可以看出，生物質(zhì)的灰分一般很低，而生物質(zhì)的揮發(fā)分含量很高，揮發(fā)分一般在60～80%；固定碳一般在10～20%之間。
(2)從元素分析可以看出，生物質(zhì)的含碳量均低于煤，一般在30～50%，屬于低碳燃料；氫含量較高，一般在5～8%，而煤中氫含量一般不到4%;其它有機(jī)組成元素包括S、N等含量較低，其中S約為0.1～0.3%，N-般在0.1～2%之間，因此，絕大多數(shù)生物質(zhì)是低硫低氮燃料。
(3)與煤相比，生物質(zhì)灰分中堿金屬（K20形式）含量很高，一般為10～20%，所以盡管灰分含量不多，但較高的堿金屬含量在燃燒過程中會引起受熱面結(jié)渣、積灰及相應(yīng)腐蝕。
(4)生物質(zhì)低位發(fā)熱量一般在10～20kj/kg之間，而煤的低位發(fā)熱量一般在24kj/kg左右，生物質(zhì)的低位發(fā)熱量較小，此外生物質(zhì)的體積密度很低，因此生物質(zhì)的能量密度（即單位體積的發(fā)熱量）比煤低得多。
由于生物質(zhì)燃料與煤燃料組成存在較大差異，因此生物質(zhì)燃燒過程中的燃燒機(jī)理、反應(yīng)速率以及燃燒產(chǎn)物的成分都與燃燃燒有很大的不同：
(1)由于生物質(zhì)密度小，結(jié)構(gòu)松散，揮發(fā)分含量高，其在250℃就開始熱分解，350℃時揮發(fā)分能析出80%，若不采取措施改善空氣供應(yīng)，揮發(fā)分很容易由于不完全燃燒而導(dǎo)致燃燒效率下降，排煙污染增加。
(2)揮發(fā)分燃燒完全后，焦炭燃燒受到灰燼的包裹，空氣很難與焦炭進(jìn)行有效的接觸，從而導(dǎo)致焦炭不完全燃燒，如不采取適當(dāng)?shù)拇胧�，必然增加機(jī)械不完全燃燒熱損失。
由此可見，生物質(zhì)燃燒與煤燃燒有很大的不同，若要保證生物質(zhì)燃燒運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)可靠，提高生物質(zhì)燃燒效率，必須對生物質(zhì)的燃燒特性和燃燒設(shè)備進(jìn)行研究。
2、生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
生物質(zhì)燃燒技術(shù)主要包括直接燃燒技術(shù)和生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)兩種。
2.1生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)
生物質(zhì)直接燃燒是將生物質(zhì)直接作為燃料燃燒，主要包括爐灶燃燒和鍋爐燃燒技術(shù)。
爐灶燃燒是最古老的生物質(zhì)能利用技術(shù)，一直是農(nóng)村生活用能的主要方式，但傳統(tǒng)的爐灶轉(zhuǎn)換效率很低(一般不足10%)，浪費(fèi)嚴(yán)重，煙塵和余灰的排放導(dǎo)致居住和生活環(huán)境日益惡化，但在其它先進(jìn)的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)還沒有成熟之前，其仍將是我國乃至發(fā)展中國家農(nóng)村居民利用生物質(zhì)能的主要方式。
鍋爐燃燒是指采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)，把生物質(zhì)作為鍋爐的燃料燃燒，用以生產(chǎn)水蒸氣進(jìn)而推動汽輪機(jī)發(fā)電，該技術(shù)較傳統(tǒng)的生物質(zhì)直接燃燒提高了燃燒效率，是大規(guī)模利用生物質(zhì)最有效、最廉價的方式。
生物質(zhì)燃料鍋爐的種類很多，按照鍋爐燃用生物質(zhì)品種的不同可分為：木材爐、薪柴爐、秸稈爐、垃圾焚燒爐等；按照鍋爐燃燒方式的不同又可分為流化床鍋爐和層燃爐等。
2.1.1生物質(zhì)直接燃燒流化床技術(shù)
目前，國外采用流化床技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模和一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。我國對該技術(shù)的研究是從自20世紀(jì)80年代末開始的。
華中科技大學(xué)劉皓等人根據(jù)稻殼的物理、化學(xué)性質(zhì)和燃燒特性，設(shè)計(jì)出以流化床燃燒方式為主，輔之以懸浮燃燒和固定床燃燒的組合燃燒式流化床鍋爐，并且采取了四段送風(fēng)的方式，從而使得流化床中燃料顆粒的流化速度較低，有利于減少稻殼隨煙氣飛出流化床的份額，延長了稻殼在床層的停留時間；提供了足夠的懸浮燃燒空間，有利于揮發(fā)份中的可燃物在懸浮段進(jìn)一步充分燃燒。通過試驗(yàn)研究證明，該鍋爐具有流化性能良好、燃燒穩(wěn)定、不易結(jié)焦等優(yōu)點(diǎn)。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)別如山等人對燃生物質(zhì)流化床鍋爐進(jìn)行了深入細(xì)致地研究。研究中主要采用細(xì)砂等顆粒作為媒體床料，以保證形成穩(wěn)定的密相區(qū)料層，為生物質(zhì)燃料提供充分的預(yù)熱和干燥熱源：采用稀相區(qū)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)切向二次風(fēng)形成強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)上升氣流，加強(qiáng)高溫?zé)煔�、空氣與生物質(zhì)物料顆粒的混合，促進(jìn)可燃?xì)怏w和固體顆粒進(jìn)一步充分燃燒。
在研究基礎(chǔ)上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)先后與長春鍋爐廠、長沙鍋爐廠、營口鍋爐總廠、天山鍋爐廠合作研制開發(fā)燃甘蔗渣、稻殼、板廠廢料和棕櫚空果穗等生物廢料流化床鍋爐，投入生產(chǎn)后運(yùn)行效果良好，其中與營口鍋爐總廠合作研制的三臺10t/h燃廢木與木屑流化床鍋爐（設(shè)計(jì)參數(shù)為：鍋爐蒸發(fā)量10t/h;工作壓力1125MPa;過熱蒸汽溫度350℃設(shè)計(jì)效率80.86%），經(jīng)測試，燃燒效率達(dá)99%，鍋爐熱效率達(dá)83%，這兩個主要技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到國際先進(jìn)水平。
陳冠益等人在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，與無錫鍋爐廠合作設(shè)計(jì)開發(fā)了35t/h燃稻殼流化床鍋爐。該鍋爐設(shè)計(jì)中采用氣力輸送裝置輸送稻殼，不但輸送量大，而且輸送安全，避免了因給料機(jī)堵塞引起的給料中斷現(xiàn)象；采用厚壁管的防磨環(huán)用以防止床層埋管的磨損，尾部加吹灰器吹風(fēng)防止受熱面積灰；通過調(diào)整一、二次風(fēng)風(fēng)量大小與煙氣再循環(huán)實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)風(fēng)速的改變，擴(kuò)大了鍋爐的燃料適用范圍。
國家電力公司熱工研究院和清華大學(xué)王智微和李定凱等人在燃煤循環(huán)流化床鍋爐模型化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)和現(xiàn)有的循環(huán)流化床研究成果，進(jìn)行了生物質(zhì)燃料循環(huán)流化床鍋爐的建模、程序設(shè)計(jì)和鍋爐設(shè)計(jì)，并采用已報(bào)道的試驗(yàn)結(jié)果對模型進(jìn)行了比較，為生物質(zhì)燃料循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)用和推廣提供了一個理論基礎(chǔ)和實(shí)用工具，為生物質(zhì)燃料循環(huán)流化床鍋爐的試驗(yàn)和理論研究提供了有益的借鑒。
2.1.2生物質(zhì)直接燃燒層燃技術(shù)
農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)院田宜水等人通過對秸稈本身的堆積密度，含水率和揮發(fā)分等特性的分析研究，在秸稈直燃熱水鍋爐燃燒室的設(shè)計(jì)中，采用下飼式進(jìn)料方式和雙燃燒室結(jié)構(gòu)。第一燃燒室為主燃區(qū)，設(shè)置于爐膛前部；第二燃燒室為輔助燃燒區(qū)，設(shè)置于爐膛后部，兩者間由擋火拱分隔。測試結(jié)果表面，該布置方式加強(qiáng)了秸稈與高溫?zé)煔狻⒖諝獾叵嗷セ旌�，同時延長了物料在爐內(nèi)燃燒的停留時間，確保了秸稈燃燒的充分完全，提高了秸稈的能源利用率。
翟學(xué)民根據(jù)甘蔗渣的燃燒機(jī)理，研制出了一種采用閉式爐膛結(jié)構(gòu)的甘蔗渣鍋爐。該鍋爐將燃燒室與輻射受熱面分開布置，甘蔗渣在爐內(nèi)進(jìn)行半層燃半懸浮燃燒；爐膛內(nèi)布置人字型前后拱，通過前后拱的相互配合加強(qiáng)了高溫?zé)煔鈱Ω收嵩妮椛�。該設(shè)計(jì)方案既有助于甘蔗渣的著火和燃盡，又可以布置足夠的受熱面，滿足了燃燒和傳熱兩方面的要求，有利于甘蔗渣的及時著火和穩(wěn)定燃燒。由于甘蔗渣作為生物質(zhì)燃料有一定的代表性，其它如稻殼、樹皮、廢木材、油棕櫚等生物燃料都同它很接近，因此這種爐型對這些生物燃料有一定的通用性。
何育恒開發(fā)設(shè)計(jì)了燃木屑、木粉、樹皮等廢料的層燃鍋爐，該鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，前墻及爐膛布置少量水冷壁管，保證爐膛具有較高的溫度，以便木屑、木粉的燃燼；爐膛內(nèi)布置有防爆門，防止木粉爆燃；鍋爐為負(fù)壓燃燒，保證木粉在燃燒時不向爐外噴火。經(jīng)測試鍋爐達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，為燃木屑、木粉等林業(yè)廢棄物鍋爐的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了計(jì)算方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
2.2生物質(zhì)與煤共燃技術(shù)
許衛(wèi)國等及陳冠益等研究發(fā)現(xiàn)，純稻殼不易流化，與煤混合后的綜合流化性能有一定改善，而與石英砂混合效果更好。陳冠益等還發(fā)現(xiàn)，鍋爐的飛灰含碳量明顯高于灰渣的含碳量。盡管如此，燃燒效率仍高達(dá)97%;另外，由于稻殼本身氮和硫的含量極少，在不用任何脫硫劑、脫硝措施情況下，稻殼燃燒所排放出的主要大氣污染物都遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn)。以上研究結(jié)果說明了稻殼作為循環(huán)流化床鍋爐的燃料在運(yùn)行狀況和氣體排放上是可行的，而在金屬排放方面還需要展開相應(yīng)的研究。
張殿軍等研究循環(huán)流化床鍋爐里燃燒稻殼和煤的混合燃料時發(fā)現(xiàn)，稻殼里的堿金屬（鈉和鉀）對灰在換熱表面上的沉淀影響很大。而且，當(dāng)?shù)練ず容^高（如稻草）時，將使壁溫高于400℃的受熱面發(fā)生高溫腐蝕。
黑龍江建三江分局華盛熱電股份責(zé)任有限公司將原來燒煙煤的35t/h循環(huán)流化床鍋爐改燒煙煤和稻殼的混合物。根據(jù)不同的煤質(zhì)變化情況，煤和稻殼的混料比例一般在2：1和3：1之間時燃燒工況最佳。在一年的運(yùn)行過程中，鍋爐節(jié)煤在20%～45%，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。
劉德昌等人采用35t/h混燒甘蔗渣和煤的循環(huán)流化床鍋爐取得了成功。該鍋爐實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，鍋爐也可純燒甘蔗渣，但純燒甘蔗渣時鍋爐的熟效率會有所下降。另外，由于進(jìn)料的問題，純燒甘蔗渣時會使鍋爐蒸發(fā)量下降，甘蔗渣的供給方式有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。
此外，還有些學(xué)者對生物質(zhì)與煤混燃進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性研究。華中科技大學(xué)徐朝芬、劉豪等人利用熱重一微分熱重分析技術(shù)研究了生物質(zhì)、煤及其混合物燃燒的燃燒性質(zhì)，考察了各自的著火溫度、最大失重速度和燃盡溫度等燃燒特征參數(shù)，計(jì)算了著火性能參數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)與煤混燃可以有效的降低著火溫度，改善煤樣的燃燒性能，而且生物質(zhì)與煤混合后，發(fā)熱量增加，提高了生物質(zhì)的利用價值。
3、生物質(zhì)燃燒污染排放
由于生物質(zhì)揮發(fā)分和炭活性高，N、S含量低、灰分低，其直接燃燒相對與煤而言硫氧化物、氮氧化物及煙塵的排放量較低；同時由于生物質(zhì)在燃燒過程中排放出的C02與其生長過程中所吸收的一樣多，所以生物質(zhì)燃燒過程具有C02零排放的特點(diǎn)，這對于緩解日益嚴(yán)重的“溫室效應(yīng)”有著特殊的意義。
當(dāng)生物質(zhì)與煤混燃時，清華大學(xué)沈伯雄等人和華中科技大學(xué)張磊等人均研究發(fā)現(xiàn)，NOx的排放被有效的降低，這主要是由于生物質(zhì)在流化床底部迅速燃燒和熱解，釋放出大量的揮發(fā)分，揮發(fā)分燃燒消耗氧氣，抑制了燃料氮轉(zhuǎn)變成N20和NOx;生物質(zhì)快速燃燒和氣化形成多孔性焦炭，有利于N20和NOx的分解；隨著生物質(zhì)和煤的混合比例增加，N20的削減率幅度減少，而NOx的削減率幅度基本不變。
華中科技大學(xué)劉豪等人對一種典型的煤和兩種典型的生物質(zhì)以及它們以一定的比例所得的混合燃料進(jìn)行污染物排放特性分析，結(jié)果表明：在試驗(yàn)用煤中加入生物質(zhì)（質(zhì)量比為1：1）后，由于生物質(zhì)燃料含有很高的揮發(fā)分和較低的N、S，在生物質(zhì)和煤混燒的過程中形成貧氧區(qū)，從而限制了燃料N的中間產(chǎn)物向NOx的轉(zhuǎn)化和SOx的形成，因此燃料NOx轉(zhuǎn)變率降低了2%～33%.燃料SOx轉(zhuǎn)變率降低了10%-17%；同時還發(fā)現(xiàn)不同的生物質(zhì)和煤混燒降低SOx和NOx的能力不同，含N、S越低，揮發(fā)分越高的生物質(zhì)，其降低的效果越顯著。
4、生物質(zhì)燃燒利用存在問題及展望
(1)盡管生物質(zhì)資源量非常大，但由于生物質(zhì)資源較分散，其體積和能量密度小(一般僅為煤的1/10)，因此其運(yùn)輸、儲存費(fèi)用相對較高，且其利用半徑一般為80～120 km，這大大限制了大型電廠對其有效利用；另外，生物質(zhì)水分含量很高，不僅會給制粉帶來困難，且在燃料制備過程中必要的干燥會增加運(yùn)行費(fèi)用，這是影響電廠經(jīng)濟(jì)性的主要因素之一。
(2)當(dāng)進(jìn)行生物質(zhì)直接燃燒時，由于生物質(zhì)的種類繁雜，不同種類生物質(zhì)之間外貌、組分、物性和燃燒性能千差萬別，不可能找到一種適合大多數(shù)生物質(zhì)燃燒的燃燒方式，從而限制了生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展：
(3)燒結(jié)是采用循環(huán)流化床鍋爐燃燒秸稈經(jīng)常發(fā)生的問題。秸稈具有很高的堿金屬含量，這些堿金屬與Cl和Si以一定的比例結(jié)合會產(chǎn)生腐蝕和形成沉淀，并使流化床產(chǎn)生流化問題。燒結(jié)的發(fā)生與溫度、流化速度和氣氛有關(guān)，其中溫度是影響燒結(jié)的最主要因素。別如山等人研究發(fā)現(xiàn)，合理布置燃燒系統(tǒng)及受熱面和添加Fe20 3、Al203等惰性添加劑可以很好的防止結(jié)焦。
(4)生物質(zhì)種類繁多，但目前研究中，對生物質(zhì)燃料所占比重較大的廢棄木材、秸稈、稻殼研究的較多，而對果核、橄欖餅、甘蔗渣等生物質(zhì)燃料的研究相對較少。另外，目前尚未發(fā)現(xiàn)利用水生植物進(jìn)行燃燒的相關(guān)文獻(xiàn)。
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