摘要：在1臺燃煤鍋爐上進行了
生物質顆粒燃料燃燒試驗和與燃煤的對比試驗。結果顯示，燃煤鍋爐須經改造才能適應生物質顆粒燃料。生物質顆粒燃料與燃煤比較，不論燃料性質、燃燒現象、結焦特性、對爐膛的要求等方面都不同，生物質顆粒燃料燃燒時出現了不低于1300℃高溫區域和較高的NOx排放，與文獻報道差別較大。
0、前言
由于能源價格的劇烈波動，生物質能源越來越多受關注。這種關注已經從技術界擴展到經濟界和金融界。
中國對生物質能源的關注超過了以往任何時候。中國政府先后出臺了可再生能源中長期發展規劃、《可再生能源與新能源國際科技合作計劃》和可再生能源發展“十一五”規劃。這些規劃和計劃中指出：中國現階段全國農作物秸稈年產生量約6億噸，其中大約3億噸可作為燃料使用，折合約1.5億噸標準煤。林木枝椏和林業廢棄物年可獲得量約9億噸，大約3億噸可作為能源利用，折合約2億噸標準煤。這些規劃確定生物質成型燃料是重點發展的領域，明確指出：(1)2010年前，結合解決農村基本能源需要和改變農村用能方式，開展500個生物質固體成型燃料應用示范點建設。在示范點建設生物質固體成型燃料加工廠，就近為當地農村居民提供燃料，富余量出售給城鎮居民和工業用戶。2010年后，全國生物質固體成型燃料年利用量達到100萬噸。(2)到2020年，使生物質固體成型燃料成為普遍使用的一種優質燃料。全國生物質固體成型燃料年利用量達到5000萬噸（國家發展改革委《可再生能源中長期發展規劃》）。
2006年以前，中國大陸境內的生物質顆粒燃料生產一直處于停滯狀態，中國政府批準的清潔發展機制項目中，70%以上是可再生能源。通過品種改良和擴大種植，生物能的資源量可以在2006年水平再翻一番。而目前還沒有出現專門為生物質顆粒燃料設計的工業鍋爐。
1、試驗燃煤鍋爐和試驗方法
試驗鍋爐是1臺設計燃料為煙煤的往復爐排臥式水火管鍋爐。鍋爐主要受熱面積包括：爐膛；對流火管；省煤器}實際測量的排煙溫度為137℃和129℃。生物質顆粒燃料的原料為直徑8mm，長約15mm的玉米秸稈成型燃料。
過量空氣系數、煙氣成分和主要排放物用便攜式儀器測量。給水流量由水箱水位變化獲得，燃料消耗量用消耗的燃料體積獲得。
2、試燒的主要結果
試驗是按照熱工技術要求進行的。主要測點包括燃燒室前部、燃燒室中部、爐膛尾部和尾部煙道。煙氣分析儀探頭上攜帶有熱電偶，可以直接獲得探頭所在點處的實際溫度。
2.1燃料床上溫度和煙氣成分分布
圖1是燃燒室不同部位的溫度分布和煙氣成分分布。溫度和成分測量選擇爐排上垂直方向3個高度。圖1顯示，爐排燃料床以上燃料成分和溫度分布基本上是均勻的。由于測量不能同時進行。從燃燒室前部獲得的氧氣分布顯示[圖l(a)]，出現了較多的氧氣消耗，而爐膛中部古氧量較大表明燃燒已經明顯削弱，氧氣可以大量地跨越爐排[圖1(b)]。爐膛中部氧氣消耗出現很大波動，與爐排結構有很大關系。當氧氣繞過爐排（見2.2）時，爐排上的含氧量較大；而在氧氣穿過爐排時，與爐排上的可燃物反應消耗掉相當比例的氧氣。
圖1還給出了氣體有害成分的分布。爐膛前部的C02從爐排向上是減少的[圖l(a)]，揮發分的大量析出和燃燒可能是重要的原因。[圖1(b)]中的CO2幾乎沒有發生變化，可能表明在燃料床上幾乎沒有發生燃燒反應，到燃料床比較高處才出現增加。2個位置的測量顯示，爐膛前部的NOx量較少，NOx生成的濃度絕對值仍然比較高。圖2是實際測得的沿著燃料床的溫度分布。這個分布與圖l看到的不同，包括了燃料層中的溫度。
由于攜帶的熱電偶最高測量限度為1100℃（K型熱電偶），在短時間達到-1300℃后迅即將熱電偶抽出。但不排除實際溫度高于1300℃的情形。這個測量結果與以前生物質燃燒報道不同。這種高溫可能是NOx濃度較高的直接原因。圖3是鍋爐尾部的溫度變化和氣體成分。
2.2生物質燃燒的火焰和結焦現象
火焰觀察點主要分布在爐前（看火孔）、爐膛中部（爐門）和爐膛尾部（爐門）。由這些觀察點看到的火焰和爐排結焦現象對于燃燒生物質顆粒燃料鍋爐有重要參考價值。
從爐膛后部看到的生物質顆粒燃料火焰要比燃煤時明亮許多。明亮的火焰可能意味著揮發分集中析出、迅速燃燒造成的爐膛內的局部高溫。
生物質顆粒燃料燃燒的結焦現象，無論從機理還是外在表現都沒有獲得清晰的物理和化學認識。但從生物質燃燒時導致結焦的燃燒條件和燃料元素看，比較公認的結焦原因可以歸結到燃料中堿金屬含量的多少，主要是鉀、鈉。相同的認識還包括燃料中的氯元素不僅加重結焦還加重腐蝕現象。生物質顆粒燃料（以秸稈最嚴重，木質次之）中的堿金屬元素遠遠超過燃煤，表現的結焦比燃煤鍋爐都嚴重。這臺鍋爐在燃煤時，產生的焦渣都在一定尺寸范圍內，沒有對一次風構成明顯的妨礙，而在改燒生物質顆粒燃料后出現了明顯的大面積結焦（見圖5）。
生物質顆粒燃料結焦幅度很大，已經將整個爐排覆蓋住。落渣口處的落渣形成幕布下落的感覺。對于燃燒這種生物質顆粒燃料鍋爐的設計提出了嚴苛的設計要求。
3、結語
生物質顆粒燃料與燃煤有著非常大的差異。不僅涉及到燃燒，還涉及到積灰、結焦、腐蝕等眾多的燃燒伴隨現象。
(1)往復爐排能夠適應生物質顆粒燃料燃燒，但鍋爐設計應重點考慮燃料床結焦現象，新設計的鍋爐應能保證連續穩定運行。
(2)燃煤鍋爐不加改造就不能很好地適應生物質顆粒燃料燃燒。其原因：一是因為生物質顆粒燃料揮發分太高，揮發分集中析出要求集中供應二次風。二是揮發分燃燒需要燃燒空間和受熱面等多種設計條件配合。三是生物質顆粒燃料固定碳含量少，需要的高溫停留時間短，需要的爐排面積、燃燒強度都小。四是生物質燃燒溫度低，鍋爐受熱面需要按照生物質燃燒特性設置。
(3)生物質燃燒的污染物排放控制主要集中在氮氧化合物方面。由于生物質硫含量通常較低，加上堿金屬和堿土金屬的含量較高，形成很高的自脫硫能力。因此，硫氧化合物基本可以達標。粉塵需要具有一定除塵能力的除塵器保證顆粒物排放達標。
(4)生物質燃燒時出現了不低于1300℃的高溫區域，這與生物質散料（包括秸稈燃料）燃燒時的情形不同。由于這個高溫區域的出現，導致了較高的氮氧化合物生成。
(5)雖然都屬于非均相固體燃料燃燒，生物質顆粒燃料燃燒與燃煤幾乎不是同一概念。著火時間和著火位置、火焰形狀和溫度分布、焦渣出現部位和焦渣特征等都明顯不同。
(6)為保證生物質顆粒燃料在爐膛中迅速著火、完全燃燒，需要及時供應環境條件。如溫度、氧氣、充分混合。
(7)為保證生物質顆粒燃料連續、穩定燃燒，需要燃燒裝置對結焦現象有足夠的適應能力，包括抑焦能力、破焦能力。
（轉載請注明：富通新能源秸稈顆粒機
m.ac12313.com）
