摘要：本文在生物質燃燒特性的基礎上，介紹了生物質的直接燃燒和與煤混合燃燒技術的研究，分析了生物質燃燒的污染排放情況，指出了目前存在的一些問題，富通新能源生產銷售的
秸稈顆粒機、
秸稈壓塊機專業壓制
生物質成型顆粒燃料。
關鍵詞：生物質；鍋爐；燃燒；混燃
從我國能源消費結構來看，煤是主要的能源支柱，然而燃煤電廠、工業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，為可持續發展尋求出路。在眾多可再生能源中，生物質具有極大的開發潛力。
生物質是指由光合作用而產生的各種有機體，是有機物中除化石燃料外的所有來源于動、植物可再生的物質。生物質是僅次子煤、石油和天然氣的世界第四大能源，當前，生物質燃料的消耗已占世界能源總消耗量的14%，在發展中國家這一比例高到38%，生物質燃料的開發利用已經成為世界的共識。
在眾多的生物質能源轉換技術中，生物質燃燒是最簡便可行的生物質利用方式之一。
秸稈顆粒機壓制的小麥秸稈顆粒燃料如下所示：
秸稈壓塊機壓制的玉米秸稈顆粒燃料如下所示：
富通新能源生產銷售的秸稈顆粒機等生物質成型機如下所示：
1、生物質燃料的燃燒特性
研究生物質的燃燒，必然要掌握生物質燃料的組成成分，劉建禹等人通過對生物質燃燒特性的研究對比了生物質與煤的燃料特性。由表可以看出，生物質和煤在組成和特性（如發熱量）上存在著顯著的差異。雖然生物質的組成和特性因種類、產地、氣候、環境及生產過程等變化很大，但仍具有許多共性：
(1)從工業分析可以看出，生物質的灰分一般很低，而生物質的揮發分含量很高，揮發分一般在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，絕大多數生物質是低硫低氮燃料。
(3)與煤相比，生物質灰分中堿金屬（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渣、積灰及相應腐蝕。
(4)生物質低位發熱量一般在10～20kj/kg之間，而煤的低位發熱量一般在24kj/kg左右，生物質的低位發熱量較小，此外生物質的體積密度很低，因此生物質的能量密度（即單位體積的發熱量）比煤低得多。
由于生物質燃料與煤燃料組成存在較大差異，因此生物質燃燒過程中的燃燒機理、反應速率以及燃燒產物的成分都與燃燃燒有很大的不同：
(1)由于生物質密度小，結構松散，揮發分含量高，其在250℃就開始熱分解，350℃時揮發分能析出80%，若不采取措施改善空氣供應，揮發分很容易由于不完全燃燒而導致燃燒效率下降，排煙污染增加。
(2)揮發分燃燒完全后，焦炭燃燒受到灰燼的包裹，空氣很難與焦炭進行有效的接觸，從而導致焦炭不完全燃燒，如不采取適當的措施，必然增加機械不完全燃燒熱損失。
由此可見，生物質燃燒與煤燃燒有很大的不同，若要保證生物質燃燒運行的經濟可靠，提高生物質燃燒效率，必須對生物質的燃燒特性和燃燒設備進行研究。
2、生物質燃燒技術的發展現狀
生物質燃燒技術主要包括直接燃燒技術和生物質與煤混合燃燒技術兩種。
2.1生物質直接燃燒技術
生物質直接燃燒是將生物質直接作為燃料燃燒，主要包括爐灶燃燒和鍋爐燃燒技術。
爐灶燃燒是最古老的生物質能利用技術，一直是農村生活用能的主要方式，但傳統的爐灶轉換效率很低(一般不足10%)，浪費嚴重，煙塵和余灰的排放導致居住和生活環境日益惡化，但在其它先進的生物質能轉化技術還沒有成熟之前，其仍將是我國乃至發展中國家農村居民利用生物質能的主要方式。
鍋爐燃燒是指采用先進的燃燒技術，把生物質作為鍋爐的燃料燃燒，用以生產水蒸氣進而推動汽輪機發電，該技術較傳統的生物質直接燃燒提高了燃燒效率，是大規模利用生物質最有效、最廉價的方式。
生物質燃料鍋爐的種類很多，按照鍋爐燃用生物質品種的不同可分為：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生物質直接燃燒流化床技術
目前，國外采用流化床技術開發生物質能已具有相當的規模和一定的運行經驗。我國對該技術的研究是從自20世紀80年代末開始的。
華中科技大學劉皓等人根據稻殼的物理、化學性質和燃燒特性，設計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，有利于揮發份中的可燃物在懸浮段進一步充分燃燒。通過試驗研究證明，該鍋爐具有流化性能良好、燃燒穩定、不易結焦等優點。
哈爾濱工業大學別如山等人對燃生物質流化床鍋爐進行了深入細致地研究。研究中主要采用細砂等顆粒作為媒體床料，以保證形成穩定的密相區料層，為生物質燃料提供充分的預熱和干燥熱源：采用稀相區強旋轉切向二次風形成強烈旋轉上升氣流，加強高溫煙氣、空氣與生物質物料顆粒的混合，促進可燃氣體和固體顆粒進一步充分燃燒。
在研究基礎上，哈爾濱工業大學先后與長春鍋爐廠、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，投入生產后運行效果良好，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（設計參數為：鍋爐蒸發量10t/h;工作壓力1125MPa;過熱蒸汽溫度350℃設計效率80.86%），經測試，燃燒效率達99%，鍋爐熱效率達83%，這兩個主要技術指標均已達到國際先進水平。
陳冠益等人在試驗研究的基礎上，與無錫鍋爐廠合作設計開發了35t/h燃稻殼流化床鍋爐。該鍋爐設計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，避免了因給料機堵塞引起的給料中斷現象；采用厚壁管的防磨環用以防止床層埋管的磨損，尾部加吹灰器吹風防止受熱面積灰；通過調整一、二次風風量大小與煙氣再循環實現爐內風速的改變，擴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王智微和李定凱等人在燃煤循環流化床鍋爐模型化設計的基礎上，針對生物質燃料的特點和現有的循環流化床研究成果，進行了生物質燃料循環流化床鍋爐的建模、程序設計和鍋爐設計，并采用已報道的試驗結果對模型進行了比較，為生物質燃料循環流化床鍋爐的運用和推廣提供了一個理論基礎和實用工具，為生物質燃料循環流化床鍋爐的試驗和理論研究提供了有益的借鑒。
2.1.2生物質直接燃燒層燃技術
農業部規劃設計院田宜水等人通過對秸稈本身的堆積密度，含水率和揮發分等特性的分析研究，在秸稈直燃熱水鍋爐燃燒室的設計中，采用下飼式進料方式和雙燃燒室結構。第一燃燒室為主燃區，設置于爐膛前部；第二燃燒室為輔助燃燒區，設置于爐膛后部，兩者間由擋火拱分隔。測試結果表面，該布置方式加強了秸稈與高溫煙氣、空氣地相互混合，同時延長了物料在爐內燃燒的停留時間，確保了秸稈燃燒的充分完全，提高了秸稈的能源利用率。
翟學民根據甘蔗渣的燃燒機理，研制出了一種采用閉式爐膛結構的甘蔗渣鍋爐。該鍋爐將燃燒室與輻射受熱面分開布置，甘蔗渣在爐內進行半層燃半懸浮燃燒；爐膛內布置人字型前后拱，通過前后拱的相互配合加強了高溫煙氣對甘蔗渣的輻射。該設計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定燃燒。由于甘蔗渣作為生物質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。
何育恒開發設計了燃木屑、木粉、樹皮等廢料的層燃鍋爐，該鍋爐結構設計新穎，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；爐膛內布置有防爆門，防止木粉爆燃；鍋爐為負壓燃燒，保證木粉在燃燒時不向爐外噴火。經測試鍋爐達到了預期的設計要求，為燃木屑、木粉等林業廢棄物鍋爐的開發設計提供了計算方法和實踐經驗。
2.2生物質與煤共燃技術
許衛國等及陳冠益等研究發現，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。陳冠益等還發現，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低于排放標準。以上研究結果說明了稻殼作為循環流化床鍋爐的燃料在運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的研究。
張殿軍等研究循環流化床鍋爐里燃燒稻殼和煤的混合燃料時發現，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，當稻殼含氯較高（如稻草）時，將使壁溫高于400℃的受熱面發生高溫腐蝕。
黑龍江建三江分局華盛熱電股份責任有限公司將原來燒煙煤的35t/h循環流化床鍋爐改燒煙煤和稻殼的混合物。根據不同的煤質變化情況，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。在一年的運行過程中，鍋爐節煤在20%～45%，經濟效益相當可觀。
劉德昌等人采用35t/h混燒甘蔗渣和煤的循環流化床鍋爐取得了成功。該鍋爐實際運行經驗表明，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，由于進料的問題，純燒甘蔗渣時會使鍋爐蒸發量下降，甘蔗渣的供給方式有待進一步研究改進。
此外，還有些學者對生物質與煤混燃進行了實驗性研究。華中科技大學徐朝芬、劉豪等人利用熱重一微分熱重分析技術研究了生物質、煤及其混合物燃燒的燃燒性質，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，計算了著火性能參數和綜合燃燒特性指數，結果發現，生物質與煤混燃可以有效的降低著火溫度，改善煤樣的燃燒性能，而且生物質與煤混合后，發熱量增加，提高了生物質的利用價值。
3、生物質燃燒污染排放
由于生物質揮發分和炭活性高，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，所以生物質燃燒過程具有C02零排放的特點，這對于緩解日益嚴重的“溫室效應”有著特殊的意義。
當生物質與煤混燃時，清華大學沈伯雄等人和華中科技大學張磊等人均研究發現，NOx的排放被有效的降低，這主要是由于生物質在流化床底部迅速燃燒和熱解，釋放出大量的揮發分，揮發分燃燒消耗氧氣，抑制了燃料氮轉變成N20和NOx;生物質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。
華中科技大學劉豪等人對一種典型的煤和兩種典型的生物質以及它們以一定的比例所得的混合燃料進行污染物排放特性分析，結果表明：在試驗用煤中加入生物質（質量比為1：1）后，由于生物質燃料含有很高的揮發分和較低的N、S，在生物質和煤混燒的過程中形成貧氧區，從而限制了燃料N的中間產物向NOx的轉化和SOx的形成，因此燃料NOx轉變率降低了2%～33%.燃料SOx轉變率降低了10%-17%；同時還發現不同的生物質和煤混燒降低SOx和NOx的能力不同，含N、S越低，揮發分越高的生物質，其降低的效果越顯著。
4、生物質燃燒利用存在問題及展望
(1)盡管生物質資源量非常大，但由于生物質資源較分散，其體積和能量密度小(一般僅為煤的1/10)，因此其運輸、儲存費用相對較高，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行費用，這是影響電廠經濟性的主要因素之一。
(2)當進行生物質直接燃燒時，由于生物質的種類繁雜，不同種類生物質之間外貌、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生物質燃燒的燃燒方式，從而限制了生物質直接燃燒技術的發展：
(3)燒結是采用循環流化床鍋爐燃燒秸稈經常發生的問題。秸稈具有很高的堿金屬含量，這些堿金屬與Cl和Si以一定的比例結合會產生腐蝕和形成沉淀，并使流化床產生流化問題。燒結的發生與溫度、流化速度和氣氛有關，其中溫度是影響燒結的最主要因素。別如山等人研究發現，合理布置燃燒系統及受熱面和添加Fe20 3、Al203等惰性添加劑可以很好的防止結焦。
(4)生物質種類繁多，但目前研究中，對生物質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、甘蔗渣等生物質燃料的研究相對較少。另外，目前尚未發現利用水生植物進行燃燒的相關文獻。
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