生物质成型燃料燃烧设备的研究进展

李榕根

（广州市特种承压设备检测研究院，广东　广州　510100）

　　[摘要]生物质成型燃料是一种可再生的绿色能源，对其进行合理利用既能减少环境污染又能实现二氧化碳减排。由于生物质成型燃料的特性较为特别，因此与之相适应的燃料燃烧设备是影响生物质成型燃料利用的关键因素。本文综述了近年来生物质成型燃料燃烧设备的研究进展，并对生物质成型燃料锅炉的发展趋势作出了展望。

　　1引言

　　我国的农作物秸秆资源十分丰富，据统计每年约生产7亿t农作物秸秆。在过去相当一部分的农作物秸秆被直接燃烧用来炊事或取暖，但随着农民生活水平的不断提高，液化石油气的使用在农村有了较大增长，使得大量秸秆被遗弃在耕地中，有些地区甚至将对秸秆进行焚烧处理，引起了严重的空气污染，极大地影响了陆空交通。而如果将这些松散细碎的秸秆用机械加压的方法挤压成质地致密、形状规则的成型燃料，则压缩后的生物质成型燃料密度可达0.8~1.3t/m³，能量密度与中质煤相当，储存运输方便，且燃烧特性比原生物质有较大改善，燃烧时炉膛温度高、黑烟少，因此生物质成型燃料有较好的应用前景。

　　生物质成型燃料目前的主要用途是代替煤用于工业锅炉。由于生物质成型燃料与煤有较大差异，将生物质成型燃料直接用于燃煤锅炉时会出现热效率较低、污染物排放超标等问题，最初是希望对原有的燃煤锅炉进行简单改造，使之适合生物质成型燃料燃烧，但刘圣勇等[3]指出，燃煤锅炉经改造后仍因炉膛的容积、形状和过量空气系数等与生物质成型燃料不匹配，而使热效率较低和污染物排放超标的问题未能得到有效解决。因此，只有根据生物质成型燃料的特点，设计出符合其燃烧特性的燃烧设备，才能提高其利用效率。近年来围绕生物质成型燃料锅炉的设计和试验有较多的研究，关于锅炉的结构、设计参数和运行参数等有了较大的进展，本文将这些进展进行了系统的梳理，提出了较完整的生物质成型燃料锅炉的设计原则，有助于以后建立生物质成型燃料锅炉的设计标准。

　　2生物质成型燃料燃烧设备的设计基础

　　燃煤锅炉不适合燃用生物质成型燃料的根本原因是煤与生物质成型燃料存在许多差异，因此只有充分研究生物质成型燃料的特点，才能设计出适合生物质成型燃料燃烧的锅炉。

　　原生物质在压缩过程中以物理变化为主，因此生物质成型燃料的元素组成和微观结构与原生物质基本相同，因此生物质成型燃料的挥发分远高于煤，而固定碳远低于煤。在挥发分的逸出速度方面，生物质成型燃料经过压缩成块后，焦炭骨架的机械强度有所提高，焦炭基本能保持层状燃烧，且挥发分的逸出速度比原生物质低得多，但由于生物质成型燃料的机械强度仍不及煤，因此挥发分的逸出速度仍比煤高。刘圣勇等对玉米秆成型燃料进行了燃烧动力学分析，结果表明：玉米秸秆的热解过程可分为三个阶段，第一阶段为室温到200℃，为吸热失水阶段，第二阶段为200~380℃，燃料失重放热，为挥发份的析出和燃烧阶段，最大失重速率出现在300℃，第三阶段为380~550℃，失重率维持在一定水平小幅波动，为固定碳的平稳燃烧阶段。另外，由于生物质中的Si含量和碱金属（Na、K）含量较高，因而其灰熔点比煤的低，结渣问题严重，因此需要研究结渣的影响因素，尽量减少结渣。

　　3生物质成型燃料燃烧设备的研究进展

　　3.1炉排数目的影响

　　炉排数目是影响生物质成型燃料锅炉的关键因素，因此在采用双层炉排还是单层炉排的问题上有较多的研究。杨高峰等在通过试验确定生物质成型燃料燃烧设备的设计参数时发现：双层炉排的燃烧效率高于单层炉排，且烟尘量烟气中的CO量较低；双层炉排燃烧设备的过剩空气系数在1.5~2.5比较适宜，此时燃烧设备的热效率较高，出力较大，且排烟中NO_x和SO₂含量较低。袁超等比较了双层炉排和单层炉排秸秆成型燃料锅炉的热效率随排烟过量空气系数α_py的变化，实验结果表明：对于双层炉排，当α_py增大时，散热损失减小，排烟损失增大，气体和固体不完全燃烧损失均先减小后增大，其中存在使热效率最高的α_py，单层炉排的情况与此类似；在相同α_py下，双层炉排的燃烧情况比单层炉排好，因此炉温较高，散热损失较大，但不完全燃烧损失较小，另外，由于双层炉排的排烟温度较高，排烟损失较大；在相同α_py下，双层炉排的热效率比单层炉排高；在较好工况下，双层炉排的燃烧效率比单层炉排高约5%，热效率约高10%。

　　3.2实现分级燃烧

　　由生物质成型燃料的热解特性可知分级燃烧有助于改善生物质成型燃料的燃烧，河南农业大学于2003年设计的下吸式生物质成型燃料锅炉的试验结果表明：采用下吸式锅炉可以有效实现分级燃烧，原因是采用下吸式的燃烧方式可缓解燃烧速度，使燃烧时需氧量和供氧量相匹配，从而降低了气体和固体不完全燃烧损失。

　　4结语

　　生物质成型燃料具有广阔的应用前景，目前对其燃烧特性和相关燃烧设备已有广泛的研究，且已开发出性能较好的生物质成型燃料锅炉，但目前生物质成型燃料燃烧设备的设计标准仍非常缺乏，且大多数生物质成型燃料燃烧设备都是参照工业锅炉节能检测方法（GB/T 15137-94）和工业锅炉热工性能试验规程（GB 10180-2003）来测试的，因此很有必要制订生物质成型燃料燃烧设备的设计标准和试验方法。

　　[参考文献]

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　　[2]朱锡锋.生物质热解原理与技术.合肥:中国科学技术大学出版社，2006.

　　[3]刘圣勇，张百良，杨群发et al.双层炉排生物质成型燃料锅炉设计与研究[J].农业工程学报，2003.

　　[4]刘圣勇，陈张百良.国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状[J].可再生能源，2002.

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　　[6]刘圣勇，王艳玲，白冰et al.玉米秸秆致密成型燃料燃烧动力学分析[J].农业工程学报，2011.

　　[7]杨高峰，杨富营，叶玉莹et al.生物质致密燃料燃烧设备主要设计参数的试验确定[J].河南农业大学学报，2006.

　　[8]袁超，张明，秦立臣et al.秸秆成型燃料锅炉的热损失试验及分析[J].河南农业大学学报，2005.