生物質(zhì)能是一種可再生能源，其消耗量?jī)H次于石油、煤炭和天然氣，居第4位。生物質(zhì)能具有可再生和環(huán)境友好的雙重屬性，近年來(lái)生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到人們的重視。我國(guó)的生物質(zhì)能資源十分豐富，每年農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)量約7.15億t，其中農(nóng)作物秸稈占70%。但我國(guó)大多數(shù)農(nóng)民仍以直接燃燒的方式利用秸稈、薪柴等資源，秸稈的揮發(fā)分含量較高，燃燒時(shí)會(huì)因助燃空氣不足而形成黑煙，既浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境，嚴(yán)重?fù)p害了人們的身心健康。
生物質(zhì)固體成型燃料是在一定溫度和壓力作用下，利用木質(zhì)素充當(dāng)粘合劑，將松散的秸稈、樹(shù)枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料。生物質(zhì)成型燃料的能量密度與中質(zhì)煙煤相當(dāng)；基本實(shí)現(xiàn)CO?零排放，NOx和SO?的排放量遠(yuǎn)小于煤，顆粒物排放量降低：燃燒特性明顯得到改善，利用效率顯著提高。因此，生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)高效、清潔利用的有效途徑之一。生物質(zhì)固體成型燃料主要分為顆粒、塊狀和棒狀3種形式，其中顆粒燃料具有流動(dòng)性強(qiáng)、燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此得到人們的廣泛關(guān)注。2005年，世界生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)了420萬(wàn)t，其中，美洲地區(qū)產(chǎn)量為110萬(wàn)t：歐洲地區(qū)產(chǎn)量為300萬(wàn)t，現(xiàn)有大型生物質(zhì)固體燃料廠285個(gè)。瑞典生物質(zhì)顆粒燃料年產(chǎn)量約為141.1萬(wàn)t，年消費(fèi)量約為171.5萬(wàn)t，位居世界首位。我國(guó)生物質(zhì)顆粒燃料及其燃燒設(shè)備的研究剛剛起步，研制方便、環(huán)保、高效、節(jié)能的生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備是目前科研人員面臨的主要課題。
1、生物質(zhì)顆粒燃料的特性
生物質(zhì)顆粒燃料通常是指直徑小于25 mm的圓柱體狀固體成型燃料，顆粒密度較壓縮前明顯增大，可達(dá)1.2～1.4 kg/m3；體積縮小75%～90%，便于貯存和運(yùn)輸；尺寸均勻，流動(dòng)性好，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化傳輸和燃燒。
生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分含量很高，通常為60%～70%，遠(yuǎn)高于煤，故其點(diǎn)火性能和燃燒性能都比煤好，屬于高活性燃料：碳含量為35%～42%，遠(yuǎn)低于煤，這使得其熱值比煤低：N含量為0.5%~3%，S含量?jī)H為0.1%~0.5%，燃燒時(shí)NO。排放量?jī)H為煤的1/5，S0：的排放量?jī)H為煤的1/10，CO，的凈排放量基本為0：與原生物質(zhì)相比，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時(shí)間明顯延長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，生物質(zhì)顆粒燃料是一種優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的燃料，其部分特性參數(shù)見(jiàn)表1。
2、生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備研究：
20世紀(jì)30年代，國(guó)外開(kāi)始發(fā)展生物質(zhì)成型燃料技術(shù)，現(xiàn)已達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用程度，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化產(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)。目前，世界各國(guó)研究的重點(diǎn)逐漸集中在成型燃料燃燒設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)上。
2.1國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
20世紀(jì)50年代，日本研制出棒狀燃料成型機(jī)及相關(guān)的燃燒設(shè)備。20世紀(jì)70年代后期，美國(guó)出現(xiàn)了木質(zhì)顆粒燃料及其燃燒設(shè)備，隨后西歐一些國(guó)家，如瑞典、芬蘭、丹麥等研制出顆粒成型機(jī)及配套的燃燒設(shè)備。20世紀(jì)80年代，亞洲一些國(guó)家，如泰國(guó)、菲律賓等也相繼研制出相關(guān)的燃燒設(shè)備。目前，日本、美國(guó)及歐洲一些國(guó)家的生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備已經(jīng)定型，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，在供熱、供暖、干燥和發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
生物質(zhì)顆粒燃料燃燒器的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，但是直到90年代后期才在瑞典、丹麥和奧地利等國(guó)家獲得一定的市場(chǎng)份額，目前在德國(guó)等國(guó)家也受到了很大關(guān)注，其中木質(zhì)顆粒燃料燃燒器制造比較規(guī)范，具有加工工藝合理、專業(yè)化程度高、操作自動(dòng)化程度高、熱效率高、排煙污染小等優(yōu)點(diǎn)。瑞典等國(guó)家的政府、設(shè)備制造商和國(guó)家檢測(cè)研究所在研發(fā)顆粒燃燒器的過(guò)程中，設(shè)定了自愿認(rèn)證系統(tǒng)，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，銷售的燃燒器必須符合一系列技術(shù)指標(biāo)的要求以及嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。奧地利還形成了生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備生產(chǎn)、供應(yīng)一體化市場(chǎng)和產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還大量銷售楊木木屑和玉米秸稈顆粒燃料。
我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究生物質(zhì)成型燃料技術(shù)，但有關(guān)成型燃料燃燒特性及燃燒設(shè)備的理論研究和應(yīng)用研究還較少。目前國(guó)內(nèi)也引進(jìn)一些以生物質(zhì)顆粒為燃料的燃燒器，但這些燃燒器的燃料適應(yīng)范圍很窄，只適用于木質(zhì)顆粒，改燃秸稈類顆粒時(shí)易出現(xiàn)結(jié)渣、堿金屬及氯腐蝕、設(shè)備內(nèi)飛灰嚴(yán)重等問(wèn)題，而且這些燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高、價(jià)格昂貴，不適合我國(guó)國(guó)情，因此沒(méi)有得到大面積推廣。專門燃用秸稈類顆粒燃料的高效燃燒器的研究未見(jiàn)有報(bào)道。
目前，在歐美等國(guó)家，家用生物質(zhì)顆粒燃料（主要為木質(zhì)顆粒燃料）及配套的高效燃燒設(shè)備已經(jīng)非常普及，顆粒燃料已成為許多家庭首選的生活用燃料。家庭式供熱鍋爐燃用顆粒燃料的熱效率可達(dá)80%，住宅區(qū)、學(xué)校等供熱系統(tǒng)中的高效節(jié)能燃燒鍋爐的熱效率可達(dá)到90%以上。
目前，我國(guó)已有近2億農(nóng)戶使用省柴節(jié)煤爐灶，其熱效率約為25%，與傳統(tǒng)爐灶相比，具有使用安全、方便、衛(wèi)生的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，不少研發(fā)機(jī)構(gòu)已開(kāi)始研發(fā)燃用生物質(zhì)顆粒燃料的供暖設(shè)備，如北京萬(wàn)發(fā)爐業(yè)中心研發(fā)的燃用秸稈類顆粒燃料的暖風(fēng)壁爐、水暖爐、炊事?tīng)t等一系列爐具，吉林華光生態(tài)工程技術(shù)研究所研發(fā)的暖風(fēng)壁爐和炊事采暖兩用爐等。
生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代末。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)主要分為生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電、生物質(zhì)與煤混合燃燒發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電3種技術(shù)。
目前，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已受到廣泛重視，其技術(shù)及相關(guān)設(shè)備都已比較成熟。奧地利成功建立了木材剩余物的區(qū)域供電站：丹麥BWE公司研發(fā)的秸稈燃燒發(fā)電機(jī)組已在丹麥、西班牙、瑞典、法國(guó)等國(guó)投產(chǎn)運(yùn)行多年；美國(guó)生物質(zhì)發(fā)電設(shè)備的裝機(jī)容量已達(dá)10.5 GW，其中70%采用生物質(zhì)與煤的混合燃燒工藝，單機(jī)容量為10～30MW，預(yù)計(jì)到2015年裝機(jī)容量將達(dá)16.3 GW[26]。
1999年，我國(guó)的電力生產(chǎn)總量為12 600億kWh，年人均發(fā)電量不到1 000 kWh，年人均生活用電只有110 kWh左右。若將目前農(nóng)林廢棄物總量的50%作為電站燃料，可發(fā)電4 000億kWh，占目前我國(guó)總耗電量的30%左右。與直接燃燒和氣化燃燒發(fā)電相比，生物質(zhì)顆粒燃料與煤混燒發(fā)電具有技術(shù)成熟、熱能利用率高、設(shè)備投資少、燃料貯運(yùn)方便等優(yōu)勢(shì)。國(guó)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，生物質(zhì)顆粒燃料發(fā)電具有利用規(guī)模大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br /> 生物質(zhì)顆粒燃料的另一大用途是作為工業(yè)大型供熱、干燥等領(lǐng)域的燃料，工業(yè)燃燒技術(shù)一般分為固定床、流化床和懸浮燃燒3種形式。
目前，發(fā)達(dá)國(guó)家如英國(guó)、法國(guó)、意大利等采用大型鍋爐集中處理農(nóng)作物秸稈用于供熱、干燥等工業(yè)領(lǐng)域，其技術(shù)比較成熟，已形成自動(dòng)化程度較高的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
在我國(guó)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)較早地進(jìn)行了生物質(zhì)燃料的流化床燃燒技術(shù)研究，并先后與無(wú)錫鍋爐廠、杭州鍋爐廠合作開(kāi)發(fā)了不同規(guī)模、不同爐型的生物質(zhì)烘燒鍋爐。此外，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出雙層爐排生物質(zhì)成型燃料鍋爐，浙江大學(xué)研制出燃用生物質(zhì)秸稈顆粒燃料的雙膽反燒鍋爐等。
使用高效燃燒設(shè)備可以明顯提高生物質(zhì)顆粒燃料燃燒效率。生物質(zhì)顆粒燃料尺寸較為單一、均勻，因此可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)料連續(xù)燃燒，燃燒效率通常能達(dá)到86%以上。通過(guò)與不同用途的設(shè)備（如鍋爐、壁爐、熱風(fēng)爐等）配套使用，燃燒器可以應(yīng)用到取暖、炊事、干燥等各個(gè)領(lǐng)域。圖1為典型的顆粒燃料燃燒系統(tǒng)示意圖。
生物質(zhì)顆粒燃料燃燒器的形式較多，分類方式也有多種。根據(jù)喂料方式的不同，可將燃燒器分為3種類型：上進(jìn)料式、底部進(jìn)料式和水平進(jìn)料式。
上進(jìn)料式燃燒器使用最為廣泛，此類燃燒器通常用于鍋爐或爐具中。絕大多數(shù)上進(jìn)料式燃燒設(shè)備內(nèi)壁上會(huì)設(shè)有落料通道，顆粒燃料由此落入燃燒室進(jìn)行燃燒：一次空氣和自動(dòng)點(diǎn)火所需的熱空氣由燃燒室底部進(jìn)入，二次空氣由燃燒室壁上的小孔進(jìn)入。常采用鼓風(fēng)機(jī)提供助燃空氣并促進(jìn)爐具與周圍空氣的熱交換。為簡(jiǎn)化清灰過(guò)程，將爐排設(shè)計(jì)為手動(dòng)或自動(dòng)移動(dòng)式，以便灰分隨爐排移動(dòng)落到集灰裝置中。
底部進(jìn)料式燃燒器最初用于木片的燃燒，后來(lái)逐漸發(fā)展用于顆粒燃料。顆粒燃料在進(jìn)料裝置的作用下，由燃燒器底部的管道進(jìn)入燃燒床進(jìn)行燃燒。一次空氣由進(jìn)料裝置或燃燒床上的小孔進(jìn)入燃燒室，二次空氣由燃燒床上方的氣孔進(jìn)入燃燒室。此類燃燒器不需要單獨(dú)的集灰裝置，燃燒后的灰分逐漸被顆粒燃料擠落入下方的集灰裝置或灰分傳送系統(tǒng)中。
水平進(jìn)料式燃燒器的原理與底部進(jìn)料式燃燒器基本相同，唯一的區(qū)別在于燃燒床的形式不同，另外水平進(jìn)料式常需要額外的集灰裝置。
在多數(shù)情況下，燃燒器與料倉(cāng)是分置的，因此在燃燒器和料倉(cāng)之間須要設(shè)置進(jìn)料系統(tǒng)。進(jìn)料系統(tǒng)的主要功能是將燃料輸送到燃燒室，進(jìn)料速度主要與熱量需求的多少有關(guān)。進(jìn)料方式很多，常見(jiàn)的主要有螺旋輸送和氣流輸送。
螺旋輸送機(jī)是最常見(jiàn)的進(jìn)料裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小而緊湊，操作管理方便，使用安全可靠，密閉性好，價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，適于短距離輸送，但其消耗功率相對(duì)較高，對(duì)燃料中的金屬和礦物雜質(zhì)等比較敏感，要求輸送的生物質(zhì)顆粒燃料相對(duì)均勻、清潔且符合規(guī)定的粒度。
當(dāng)燃燒器與料倉(cāng)的距離較大時(shí)，建議采用氣流輸送系統(tǒng)。此輸送方式類似于真空吸塵器，顆粒在氣動(dòng)裝置的強(qiáng)大吸力下，沿著管道進(jìn)入燃燒器的燃燒室中。氣流輸送系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)小顆粒及小塊狀物料的長(zhǎng)距離連續(xù)輸送，能進(jìn)行水平、傾斜輸送，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能好、安裝維修方便；其缺點(diǎn)是不易獲得均勻恒定的輸送速度，排氣噪音較大，價(jià)格相對(duì)較高。
點(diǎn)火方式主要有2種：一是采用電子點(diǎn)火裝置，二是使用引燃火焰。電子點(diǎn)火比引燃火焰的污染物排放量低，控制簡(jiǎn)單。
為了保證燃燒器清潔排放，應(yīng)盡可能避免多次啟動(dòng)或使用引燃火焰，同時(shí)還須保證穩(wěn)定的燃燒條件。設(shè)計(jì)良好的燃燒器在輸出額定熱量時(shí)效率能達(dá)到90%以上，當(dāng)在低負(fù)荷下運(yùn)行或負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，效率會(huì)有所下降，但一般也在86%以上．
燃燒器可根據(jù)熱量需求來(lái)精確控制進(jìn)料量，通過(guò)調(diào)整助燃空氣量來(lái)控制燃燒過(guò)程。根據(jù)熱量需求，通常將顆粒燃燒器設(shè)定幾個(gè)不同的固定熱輸出檔，當(dāng)輸出熱量低于設(shè)定值時(shí)，燃燒器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，直至達(dá)到設(shè)定的熱量輸出值。常采用溫度傳感器來(lái)監(jiān)控?zé)崃枯敵�，助燃空氣由鼓風(fēng)機(jī)供給，通過(guò)入傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)和控制助燃空氣供給量，保證高效清潔燃燒。小型燃燒設(shè)備常通過(guò)開(kāi)、關(guān)自動(dòng)調(diào)溫器來(lái)控制熱量輸出，大型燃燒設(shè)備則使用復(fù)雜的控制方式來(lái)控制熱量輸出。
燃燒器的運(yùn)行模式主要分為兩類：一類以瑞典為代表，燃燒器為一個(gè)獨(dú)立的單元，常與標(biāo)準(zhǔn)鍋爐匹配，進(jìn)料、點(diǎn)火和燃燒均為自動(dòng)化，但其熱量輸出不可控或只有2種選擇，即全輸出(100%)和半輸出(50%)；另一類以?shī)W地利為代表，進(jìn)料、點(diǎn)火、燃燒、清灰均為自動(dòng)化，其熱量輸出可在某一范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié)(如30%~100%)，使用極為方便，但價(jià)格也相對(duì)較高，要比前者高出50%左右。
清灰裝置的除灰方式分為機(jī)械刮除式和機(jī)械振動(dòng)式，也有其它的方式。有些燃燒器中還配有灰分壓縮機(jī)，以滿足長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行的需求。設(shè)計(jì)良好的燃燒器所需的維護(hù)和保養(yǎng)很少，目前大多數(shù)燃燒器的清灰裝置均能滿足燃燒器運(yùn)行一周清灰一次的要求。
生物質(zhì)顆粒燃燒器的煙氣中污染物主要包括不完全燃燒顆粒C。H。和有害氣體CO，它們主要是由燃料不充分燃燒產(chǎn)生的，也與顆粒燃料的組成有關(guān)。燃燒器的煙氣排放量非常低，尤其是配有進(jìn)風(fēng)及排風(fēng)裝置的燃燒器。由于生物質(zhì)顆粒燃料中N，S含量比較低，因此其NO。，SO。排放量比煤低許多。
雖然我國(guó)的生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，成型燃料技術(shù)已相對(duì)比較成熟，但相關(guān)的燃燒設(shè)備尚處于研究開(kāi)發(fā)階段，特別是秸稈類顆粒燃料燃燒器，目前的產(chǎn)品規(guī)格單一，應(yīng)用范圍有限，存在許多亟待解決的問(wèn)題。
秸稈類生物質(zhì)中Si含量較高，秸稈灰的變形溫度通常為750～1000℃，秸稈類顆粒燃料的灰分沉積速度一般都高于木質(zhì)顆粒。因此，設(shè)計(jì)生物質(zhì)顆粒燃燒器時(shí)要考慮清灰問(wèn)題，此外，積灰中通常存在大量堿性成分和氯化物，會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢、結(jié)渣等危害，結(jié)渣不僅影響燃燒設(shè)備的熱性能，甚至?xí)＜叭紵O(shè)備的安全。
宋鴻偉分析了生物質(zhì)燃燒過(guò)程中的積灰結(jié)渣特性，認(rèn)為K，Cl，S3種元素對(duì)積灰結(jié)渣特性有很大影響。王淮東利用專用爐灶研究了成型燃料的結(jié)渣特性，得出了結(jié)渣率隨著溫度升高、爐膛增大、燃料層厚度增加會(huì)有不同程度增加的結(jié)論。ShaojunXiong的研究表明，直接燃燒秸稈顆粒燃料時(shí)結(jié)渣很嚴(yán)重，灰渣大小約為網(wǎng)球直徑(6.35～6.67 cm)的1～2倍，當(dāng)在燃料中添加高嶺土、方解石等添加劑時(shí)，能有效降低秸稈顆粒的結(jié)渣趨勢(shì)。
秸稈類生物質(zhì)燃料中堿金屬、氯的含量比較高，在燃燒過(guò)程中Cl幾乎完全蒸發(fā)，形成HC1，Cl-)和堿金屬氯化物。隨著煙氣溫度的降低，堿和堿金屬氯化物冷凝在飛灰顆�；驌Q熱器表面上，與煙氣反應(yīng)形成硫酸鹽，并釋放出氯化物。氯化物具有較強(qiáng)的氧化能力，加快高溫腐蝕速率和金屬損耗速率，降低傳熱效率，甚至?xí)咕植總鳠岜砻鎲适鳠嵝阅�。因此，秸稈類顆粒燃料比木質(zhì)顆粒燃料更易損壞設(shè)備，對(duì)設(shè)備的材質(zhì)要求更嚴(yán)格。
目前國(guó)內(nèi)的燃燒設(shè)備一般都采用人工或半自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)，整套設(shè)備的自動(dòng)化程度不高，不利于顆粒燃料的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。許多小型設(shè)備采用自然通風(fēng)，因此常存在不完全燃燒產(chǎn)生的污染物排放量過(guò)高等問(wèn)題。
①國(guó)外生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備污染物排放量低、熱效率高、自動(dòng)化程度高，已在供暖、發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備目前正處于研究開(kāi)發(fā)階段，存在積灰結(jié)渣嚴(yán)重、燃料適應(yīng)性差、污染物排放高、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題。
②隨著我國(guó)生物質(zhì)顆粒燃料需求量的大幅增加及成型技術(shù)的日益成熟，生物質(zhì)顆粒燃料將占有越來(lái)越大的市場(chǎng)份額，因此，須加緊研究與之相配套的、適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的秸稈類顆粒燃料燃燒設(shè)備，并進(jìn)一步推廣普及。
③針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備積灰結(jié)渣嚴(yán)重等問(wèn)題，可借鑒國(guó)外先進(jìn)的燃燒技術(shù)，對(duì)燃燒設(shè)備的關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低積灰結(jié)渣程度，提高燃料適應(yīng)性。
④應(yīng)用先進(jìn)的污染物控制技術(shù)，監(jiān)控燃燒設(shè)備內(nèi)部溫度、氣體濃度等變化，減少污染物排放，提高燃燒效率。
⑤設(shè)計(jì)自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)，利用自動(dòng)控制器件對(duì)設(shè)備的熱量輸出進(jìn)行控制，滿足用戶需求，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度。
