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马洪儒，苏宜虎
（安阳工学院机械系，河南 安阳455000）
摘要：我国是一个生物质能源消耗大国。在我国的广大农村地区，大部分生物质燃料为直接燃烧，这种农村能源结构在一个相当长的时期内不会改变，这是由我国的国情所决定的。所以，对生物质作为能源的直接燃烧技术和装置的研究是十分必要的。生物质在燃烧过程中二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减少温室效应。为此，通过对生物质直接燃烧、生物质-煤混合燃烧技术的分析，指出了生物质是我国今后能 源有效利用的发展方向。
0引言
生物质能源一直是人们赖以生存的重要能源。目前，生物质能源仅次于煤炭、石油和天然气而居世界能源消费总量的第4位，在整个能源系统中占有重要地位。生物质能源的利用占世界总能耗的14%，相当于12.57亿t的石油。在发展中国家，生物质能占能耗的35%。但目前，全世界生物质利用 总量还不到其产量的1%，生物质能开发利用前景十分广阔[1]。为此，笔者对生物质直接燃烧技术进行了探讨。
1生物质燃料和矿物燃料(煤)的主要差别
典型生物质燃料和典型的烟煤、无烟煤的元素组成与工业分析成分组成如表1所示，生物质燃料和煤炭在结构特性上的主要差别如表2所示。
从表1和表2可以看出，生物质燃料和煤炭相比主要差别为：
1)含碳量较少，含固定碳少。生物质燃料中含碳量最高的也仅50%左右，相当于生成年代较少的褐煤的含碳量。特别是固定碳的含量，明显地比煤炭少。因此，生物质燃料热值较低。
2)含氢量稍多，挥发分明显较多。生物质燃料中的碳多数和氢结合成低分子的碳氢化合物，遇一定的温度后热分解而析出挥发分。所以，生物质燃料易被引燃，燃烧初期，析出量较大，在空气和温度不足的情况下易产生镶黑边的火焰。
3)含氧量多。从表2可知，生物质燃料含氧量明显地多于煤炭，使得生物质燃料热值低，但易于引燃。在燃烧时，可相对地减少供给空气量。
4)密度小。生物质燃料的密度明显地较煤炭低，质地比较疏松，特别是农作物秸秆和畜禽粪便。这样使得这类燃料易于燃烧和燃尽，灰烬中残留的碳量较燃用煤炭者少。
5)含硫量低。大部分生物质燃料含硫量少于0.02%， 燃烧时不必设置气体脱硫装置，降低了成本，有利于环境保护。
2生物质燃料的燃烧特性
根据刘建禹和翟国勋[3]等对生物质燃料的特性的研究可以发现，生物质燃料与化石燃料相比存在明显的差异。由于生物质燃料的特性与化石燃料不同，从而导致了生物质燃料在燃烧过程中的燃烧机理、反应速度以及燃烧产物的成分与化石燃料相比也存在较大差别，表现出不同于化石燃料的燃烧特性。生物质燃料的燃烧过程主要分为挥发分析出、燃烧和残余焦炭的燃烧以及燃尽两个独立阶段。
其燃烧过程的特点：一是生物质水分含量较多，燃烧需要较高的干燥温度和较长的干燥时间，产生的烟气体积较大，排烟热损失较高；二是生物质燃料的密度小，结构比较松散，迎风面积大，容易被吹起，悬浮燃烧的比例较大；三是由于生物质发热量低，炉内温度场偏低，组织稳定的燃烧比较困难；四是由于生物质挥发分含量高，燃料着火温度较低，一般在250℃~350℃温度下挥发分就大量析出并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足，将会增加燃料的化学不完全燃烧损失；五是挥发分析出燃尽后受到灰烬包裹和空气渗透困难的影响，焦炭颗粒燃烧速度缓慢，燃尽困难，若不采取适当的必要措施，将会导致灰烬中残留较多的余碳，增大机械不完全燃烧损失。
由此可见，生物质燃烧设备的设计和运用方式的选择只有从不同种类生物质的燃烧特性出发，才能保证生物质燃烧设备运行的经济性和可靠性，提高生物质开发利用的效率。
3生物质直接燃烧技术
生物质直接燃烧是将生物质直接作为燃料燃烧，主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。直接燃烧是最简单也是最早被采用的生物质能利用方式，但在过去的传统燃烧方式中，生物质燃烧效率极低，能源和资源的浪费很大。因此，若能开发一种方便和高效的生物质直接燃烧技术，必将具有很好的经济和社会效益[4]。
3.1炉灶燃烧技术
炉灶在中国农村生活中已沿用了几千年，且占有相当大的比例。旧式柴灶不但热效率低（只有10%左右）、浪费燃料，而且严重污染了环境[5]。自20世纪80年代开始，我国政府在农村大力推广节柴灶，至1996年底推广节柴灶1.7亿户，每年减少了数千万吨标准煤的能源消耗[6]。节柴灶具有以下特点：一是热能在灶内停留时间长，可以得到充分利用，故热效率高(可达20%~25%)；二是没有熏烟，污染少；三是质量小，可拆装；四是多功能。节柴灶的灶桥可以调整，随着灶桥的调整可烧柴、烧锯灰和烧煤。
目前，节柴灶的推广仍然是一些农村地区特别是偏远山区生物质能利用的一个重要方面。采用先进技术，提高全国数亿台小型炉具的燃烧和热利用效率，降低污染物的排放，开发燃用农作物的生物质炉具，实现农村炉具的商品化和规模化，以达到更广泛的应用，对于改变我国农村生物质利用状况具有重大意义。
3.2锅炉燃烧
锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料，以提高生物质的利用效率，适应于相对集中、大规模利用生物质资源。生物质燃料的种类很多，按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉和层燃炉等。本文重点讨论生物质直接燃烧流化床技术。
3.2.1国外发展利用状况
国外采用流化床技术开发生物质能已有相当规模和一定的运行经验。美国爱达荷能源产品公司已经开发生产出燃烧生物质媒体流化床锅炉，蒸汽锅炉出力为4.5~50t/h，供热锅炉出力为36.67MW；美国CE公司利用鲁奇技术研制的大型燃烧废木循环流化床锅炉出力为100t/h，蒸汽压力为8.7MPa；此外，瑞典以树枝和树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以利用，锅炉热效率可达到80%；丹麦采用高倍率循环流化床锅炉，将干草与煤按照6：4的比例送入炉内进行燃烧，锅炉出力为100t/h，热功率达到80MW[7]。
英国Fibrowatt电站的3台额定负荷为12.7MW，13.5MW和38.5MW的锅炉，每年直接燃用75万t的家禽粪便，发电量足够10万个家庭使用；禽粪经燃烧后质量减轻90%，便于运输，并作为肥料在全英和中东及远东销售[8]。欧盟成员国在大力发展本国生物质能利用技术的同时，在1991年与东盟合作启动了“COGEN计划”，其宗旨就是帮助东南亚各国有效利用本国的生物质资源，从而加速该地区的发展[9]。
3.2.2国内发展利用状况
我国对采用流化床技术开发生物质直接燃烧方面的研究起步较晚。哈尔滨703研究所设计的一台用石英砂作床料的媒体流化床燃木屑锅炉于1986年10月9日通过省级鉴定，燃炉燃烧效率达到99.4%，填补了国内空白[10]。
哈尔滨工业大学在20世纪80年代末进行了生物质燃料的流化床燃烧技术研究，研制成功12.5t/h燃甘蔗渣流化床锅炉[11]。为了提高锅炉燃烧效率，研究人员采用细砂等颗粒作为媒体床料，以保证形成稳定的密相区料层，为生物质燃料提供充分的预热和干燥热源；采用稀相区强旋转切向二次风形成强烈旋转上升气流，加强高温烟气、空气与生物质物料颗粒的混合，促进可燃气体和固体颗粒进一步充分燃烧。浙江大学提出了用于不同规模、各种炉型的生物质燃烧系统的生物质利用转化方案，并先后与无锡锅炉厂和杭州锅炉厂合作开发了10t/h燃用咖啡渣流化床发电锅炉、35t/h燃用稻壳流化床锅炉以及10t/h燃用稻壳的链条炉[12]。
华中理工大学等对稻壳进行了气力输送试验，并在固定床及半工业性流化床试验台上进行了燃烧试验研究，得出了燃烧速率表达式[13]，并设计出以流化床燃烧方式为主、辅之以悬浮燃烧和固定床燃烧的组合燃烧式流化床锅炉，并且为配合3段组合燃烧采取了4段送风的方式。其优点在于：流化床中燃料颗粒的流化速度较低，有利于减少稻壳随烟气飞出流化床的份额，延长了稻壳在床层的停留时间；提供了足够的悬浮燃烧空间，有利于挥发分中的可燃物在悬浮段进一步充分燃烧。
从国内外生物质直接燃烧技术的发展状况来看，流化床锅炉对生物质燃料的适应性较好，负荷调节范围较大。床内工质颗粒扰动剧烈，传热和传质工况十分优越，有利于高温烟气、空气与燃料充分混合，为高水分、低热值的生物质燃料提供极佳的着火条件。同时，由于燃料在床内停留的时间较长，可以确保生物质燃料完全燃烧，从而提高了生物质锅炉的效率。另外，流化床锅炉能够较好地维持生物质在850℃左右的稳定燃烧，所以燃料燃尽后不易结渣，并且减少了NOX和SOX等有害气体的生成，具有显著的经济效益和环保效益。
3.3生物质和矿物燃料的混合燃烧技术
由于大部分生物质燃料的含水量较高，且组分复杂，因此很难使燃用生物质的锅炉以较低的成本达到与常规锅炉相比的效率。然而，实践表明，采用生物质与矿物燃料的混合燃烧技术，既可以达到经济上的合理性，又可以降低锅炉排放物的浓度。这是因为生物质的含氮量比煤少，且生物质燃料中的水分使燃烧过程冷却，减少了NOX的热形成。混合燃烧会对燃烧稳定性、给料及制粉系统产生影响，可通过调整燃烧器和组料系统满足要求。
目前，国内已有多家锅炉厂家生产生物质和煤混烧的链条炉和流化床炉。典型的混燃锅炉分别在东南亚国家和我国广东、浙江等省运行。其中，东方锅炉厂生产的DG220/9.8-13型烟煤与纸渣混烧循环流化床锅炉已在浙江宁波投入运行。
生物质型煤是指破碎成一定粒度和干燥到一定程度的煤及可燃生物质按一定比例掺混，加入少量固硫剂，利用生物质中的木质素、纤维素、半纤维素等与煤粘接性的差异压制而成。生物质在其中既起粘接作用又起助燃作用。国内研究机构（如清华大学、浙江大学、煤炭科学研究总院、北京煤化学研究所和哈尔滨理工大学等）进行了生物质型煤的某些开发工作和实验室研究。生物质型煤虽然具有优良的燃烧性能和环保节能效果，但在国内尚处于实验室研究与工业试生产阶段，尚未形成规模产业，技术经济因素阻碍了它的工业化发展应用。
4生物质直接燃烧技术存在的问题
生物质直接燃烧具有技术成熟、设备较简单、燃烧后的灰分用途广泛等优点，但也存在以下问题：
1)生物质流化床锅炉对入炉的燃料颗粒尺寸要求严格，因此需对生物质进行筛选、干燥和粉碎等一系列预处理，使其尺寸、状况均一化，以保证生物质燃料的正常流化。
2)对于稻壳和木屑等比重较小、结构散松及蓄热能力差的生物质，必须不断地添加石英砂等床料，以维持正常燃烧所需的蓄热床料[14][15]。燃烧后产生的生物质飞灰较硬，容易磨损锅炉受热面，并且灰渣混入了石英砂等床料后很难加以综合利用。
3)为了维持一定的流化床温，锅炉的耗电量较大，运行费用也相对较高。
4)生物质燃料的高含水量使锅炉排烟容积增大、效率降低；燃烧某些碱金属含量较高的燃料(如稻草)时受热面易高温腐蚀、流化床燃烧过程中某些燃料与床料之间的反应而导致床凝结、直接燃烧某些高含氮量燃料时NOX浓度过高等现象，大大影响了燃烧效率的提高和排放物浓度的有效控制。
5)在垃圾焚烧技术方面，城市生活垃圾的水分较多、热值偏低，其组成成分和热值高低随季节与地区的变化而变化，导致垃圾焚烧时不易着火，燃烧和燃烬困难。
5结论
1)生物质的种类繁杂，应根据不同种类的生物质燃料的燃烧特性开发不同的燃烧技术，并研制相应的燃烧设备，这有利于提高生物质燃料的燃烧效率。
2)生物质燃料与矿物质燃料混合燃烧，既可以减少运行成本，提高燃烧效率，又可以降低SOx和NOX等有害气体的排放浓度。
3)采用生物质燃烧设备可以最大速度地实现生物质资源的大规模减量化、无害化和资源化利用，而且成本较低，具有良好的经济性和开发潜力。
4)在我国长期大量使用化石燃料过程中，对于化石燃料燃烧技术的研究及其应用已取得了丰硕的成果，在此基础上发展生物质废弃物直接燃烧技术，将生物质废弃物作为燃料进行开发利用，能够同时取得能源和环境两方面的效益，是比较适合我国国情的、大规模高效利用生物质废弃物的、最有前途的技术之一。
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