生物质直接燃烧技术的发展研究
摘要：随着能源危机和环境问题的日益严重，人们不断致力于开发研究低污染、可再生的新能源。在众多的可再生能源中，生物质能是一种储量丰富、清洁方便的绿色可再生能源，具有极大的开发潜力。为了大力开发利用生物质资源，分析比较了国内外生物质直接燃烧技术发展现状，提出应根据生物质燃料的燃烧特性，开发相应的燃烧技术和燃烧设备，以实现生物质资源的大规模集中高效利用。关键词：生物质；燃烧；锅炉
众所周知，人类的生存和发展离不开能源。随着世界能源需求量的迅猛增长，以煤、石油、天然气为代表的常规能源将最终被开采殆尽，同时大量使用这些化石燃料会导致一系列严重的环境污染问题。因此，大力提高能源的利用效率，以高新技术开发低污染、可再生的新能源，逐步取代石油、煤、天然气等不可再生能源，是解决能源危机和环境问题的重要途径。在众多的可再生能源中，生物质能以其资源储量丰富、清洁方便和可再生的特点，具有极大的开发潜力。
生物质能是指绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量，其主要来源是：农林废弃物、工业废水和废渣、城市生活垃圾以及人畜粪便等。目前，生物质的开发利用技术主要包括生物质的固化、气化、液化，以及生物质直接燃烧。国外许多国家都相继制定了各自的生物质能源研究开发计划，如美国的能源农场、日本的阳光计划、巴西的酒精能源计划以及印度的绿色能源工程等。就我国的基本国情和生物质利用开发水平而言，生物质直接燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。
1生物质燃料的燃烧特性
研究生物质燃料的组成成分，掌握其燃烧特性，有利于进一步科学、合理地开发利用生物质能。从对生物质燃料特性的研究中可以发现，生物质燃料与化石燃料相比存在明显的差异，如表1所示。由于生物质燃料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都存在较大差别，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份的析出、燃烧和残余焦炭的燃烧、燃尽两个独立阶段，其燃烧过程的特点是：
(1) 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；
(2) 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；
(3) 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；
(4) 由于生物质挥发份含量高，燃料着火温度较低，一般在250℃～350℃温度下挥发份就大量析出并开始剧烈燃烧，此时若空气供应量不足，将会增大燃料的化学不完全燃烧损失；
(5) 挥发份析出燃尽后，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，如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行方式的选择应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。
表1 生物质燃料与煤的燃料特性
2 生物质直接燃烧技术的发展现状
2.1 生物质直接燃烧技术的特点
生物质直接燃烧是将生物质直接作为燃料燃烧，燃烧产生的能量主要用于发
电或集中供热。作为最早采用的一种生物质开发利用方式，生物质直接燃烧具有如下特点：
(1)生物质燃烧所释放出的CO
2
大体相当于其生长时通过光合作用所吸收的
CO
2，因此可以认为是CO
2
的零排放，有助于缓解温室效应；
(2)生物质的燃烧产物用途广泛，灰渣可加以综合利用；
(3)生物质燃料可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、NOx等有害气体的排放浓度；
(4)采用生物质燃烧设备可以最快速度地实现各种生物质资源的大规模减量化、无害化、资源化利用，而且成本较低，因而生物质直接燃烧技术具有良好的经济性和开发潜力。
2.2 生物质直接燃烧技术
生物质直接燃烧主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。炉灶燃烧操作简便、投资较省，但燃烧效率普遍偏低，从而造成生物质资源的严重浪费；而锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效率，适用于相对集中、大规模地利用生物质资源。
生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃用生物质品种的不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉、层燃炉等。
2.2.1 生物质直接燃烧流化床技术
目前，国外采用流化床技术开发生物质能已具有相当的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生物质媒体流化床锅炉，蒸汽锅炉出力为4.5 t⋅h-1～50 t⋅h-1，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废木循环流化床发电锅炉出力为 100 t⋅h-1，蒸汽压力为8.7 MPa；美国B&W公司制造的燃木柴流化床锅炉也于20世纪80年代末至90年代初投入运行。此外，瑞典以树枝、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100 t⋅h-1，热功率达80MW。我国自20世纪80年代末开始，对燃生物质流化床锅炉进行了深入细致地研究。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。根据以上研究成果，哈尔滨工业大学分别与国内四家锅炉厂合作开发了一系列燃用甘蔗渣、稻壳、果穗、木屑等生物废料的流化床锅炉，投入生产后运行效果良好，深受用户的好评。根据稻壳的物理、化学性质和燃烧特性，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，并且为配合三段组合燃烧采取了四段送风的方式。采用这种独特的燃烧方式和配风方式，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，有利于挥发份中的可燃物在悬浮段进一步充分燃烧。通过试验研究证明，该锅炉具有流化性能良好、燃烧稳定、不易结焦等优点，已经获得国家专利。在试验研究的基础上，与无锡锅炉厂合作设计开发了35t⋅h-1燃稻壳流化床锅炉。该锅炉设计的主要特点是：采用气力输送装置输送稻壳，不但输送量大，而且输送安全，避免了因给料机堵塞引起的给料中断现象；采用厚壁管的防磨环用以防止床层埋管的磨损，尾部加吹灰器吹风防止受热面积灰；通过调整一、二次风风量大小与烟气再循环实现炉内风速的改变，扩大了锅炉的燃料适用范围。
2.2.2 生物质直接燃烧层燃技术
1)农林废弃物开发利用技术
生物质层燃技术被广泛应用在农林业废弃物的开发利用方面。Benson型锅炉采用两段式加热，由四个并行的供料器供给物料，秸秆、木屑可以在炉栅上充分燃烧，并且炉膛和管道内还设置有纤维过滤器以减轻烟气中有害物质对设备的磨损和腐蚀。经实践运行证明，改造后的生物质锅炉运行稳定，并取得了良好的社会和经济效益。
通过对秸秆本身特性的分析研究，在秸秆直燃热水锅炉燃烧室的设计中，采用双燃烧室结构。第一燃烧室为主燃区，设置于炉膛前部；第二燃烧室为辅助燃烧区，设置于炉膛后部，两者间由挡火拱分隔。该布置方式加强了秸秆与高温烟气、空气地相互混合，同时延长了物料在炉内燃烧的停留时间，确保了秸秆燃烧
