生物質成型燃料燃燒設備的研究進展
摘要
生物質成型燃料是一種可再生的綠色能源，對其進行合理利用既能減少環境污染又能實現二氧化碳減排。由於生物質成型燃料的特性較為特別，因此與之相適應的燃料燃燒設備是影響生物質成型燃料利用的關鍵因素。本文綜述了近年來生物質成型燃料燃燒設備的研究進展，並對生物質成型燃料鍋爐的發展趨勢作出了展望。
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引言
我國的農作物秸稈資源十分豐富，據統計每年約生產7億t農作物秸稈。在過去相當一部分的農作物秸稈被直接燃燒用來炊事或取暖，但隨著農民生活水平的不斷提高，液化石油氣的使用在農村有了較大增長，使得大量秸稈被遺棄在耕地中，有些地區甚至將對秸稈進行焚燒處理，引起了嚴重的空氣污染，極大地影響了陸空交通。而如果將這些鬆散細碎的秸稈用機械加壓的方法擠壓成質地緻密、形狀規則的成型燃料，則壓縮後的生物質成型燃料密度可達0.8~1.3t/m3，能量密度與中質煤相當，儲存運輸方便，且燃燒特性比原生物質有較大改善，燃燒時爐膛溫度高、黑煙少，因此生物質成型燃料有較好的應用前景。
生物質成型燃料目前的主要用途是代替煤用於工業鍋爐。由於生物質成型燃料與煤有較大差異，將生物質成型燃料直接用於燃煤鍋爐時會出現熱效率較低、污染物排放超標等問題，最初是希望對原有的燃煤鍋爐進行簡單改造，使之適合生物質成型燃料燃燒，但劉聖勇等[3]指出，燃煤鍋爐經改造後仍因爐膛的容積、形狀和過量空氣係數等與生物質成型燃料不匹配，而使熱效率較低和污染物排放超標的問題未能得到有效解決。因此，只有根據生物質成型燃料的特點，設計出符合其燃燒特性的燃燒設備，才能提高其利用效率。近年來圍繞生物質成型燃料鍋爐的設計和試驗有較多的研究，關於鍋爐的結構、設計參數和運行參數等有了較大的進展，本文將這些進展進行了系統的梳理，提出了較完整的生物質成型燃料鍋爐的設計原則，有助於以後建立生物質成型燃料鍋爐的設計標準。
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生物質成型燃料燃燒設備的設計基礎
燃煤鍋爐不適合燃用生物質成型燃料的根本原因是煤與生物質成型燃料存在許多差異，因此只有充分研究生物質成型燃料的特點，才能設計出適合生物質成型燃料燃燒的鍋爐。
原生物質在壓縮過程中以物理變化為主，因此生物質成型燃料的元素組成和微觀結構與原生物質基本相同，因此生物質成型燃料的揮發分遠高於煤，而固定碳遠低於煤。在揮發分的逸出速度方面，生物質成型燃料經過壓縮成塊後，焦炭骨架的機械強度有所提高，焦炭基本能保持層狀燃燒，且揮發分的逸出速度比原生物質低得多，但由於生物質成型燃料的機械強度仍不及煤，因此揮發分的逸出速度仍比煤高。劉聖勇等對玉米稈成型燃料進行了燃燒動力學分析，結果表明：玉米秸稈的熱解過程可分為三個階段，第一階段為室溫到200℃，為吸熱失水階段，第二階段為200~380℃，燃料失重放熱，為揮發份的析出和燃燒階段，最大失重速率出現在300℃，第三階段為380~550℃，失重率維持在一定水平小幅波動，為固定碳的平穩燃燒階段。另外，由於生物質中的Si含量和鹼金屬（Na、K）含量較高，因而其灰熔點比煤的低，結渣問題嚴重，因此需要研究結渣的影響因素，盡量減少結渣。
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生物質成型燃料燃燒設備的研究進展
3.1爐排數目的影響
爐排數目是影響生物質成型燃料鍋爐的關鍵因素，因此在採用雙層爐排還是單層爐排的問題上有較多的研究。楊高峰等在通過試驗確定生物質成型燃料燃燒設備的設計參數時發現：雙層爐排的燃燒效率高於單層爐排，且煙塵量煙氣中的CO量較低；雙層爐排燃燒設備的過剩空氣係數在1.5~2.5比較適宜，此時燃燒設備的熱效率較高，出力較大，且排煙中NOx和SO2含量較低。袁超等比較了雙層爐排和單層爐排秸稈成型燃料鍋爐的熱效率隨排煙過量空氣係數αpy的變化，實驗結果表明：對於雙層爐排，當αpy增大時，散熱損失減小，排煙損失增大，氣體和固體不完全燃燒損失均先減小後增大，其中存在使熱效率最高的αpy，單層爐排的情況與此類似；在相同αpy下，雙層爐排的燃燒情況比單層爐排好，因此爐溫較高，散熱損失較大，但不完全燃燒損失較小，另外，由於雙層爐排的排煙溫度較高，排煙損失較大；在相同αpy下，雙層爐排的熱效率比單層爐排高；在較好工況下，雙層爐排的燃燒效率比單層爐排高約5%，熱效率約高10%。
3.2實現分級燃燒
由生物質成型燃料的熱解特性可知分級燃燒有助於改善生物質成型燃料的燃燒，河南農業大學於2003年設計的下吸式生物質成型燃料鍋爐的試驗結果表明：採用下吸式鍋爐可以有效實現分級燃燒，原因是採用下吸式的燃燒方式可緩解燃燒速度，使燃燒時需氧量和供氧量相匹配，從而降低了氣體和固體不完全燃燒損失。
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結語
生物質成型燃料具有廣闊的應用前景，目前對其燃燒特性和相關燃燒設備已有廣泛的研究，且已開發出性能較好的生物質成型燃料鍋爐，但目前生物質成型燃料燃燒設備的設計標準仍非常缺乏，且大多數生物質成型燃料燃燒設備都是參照工業鍋爐節能檢測方法（GB/T 15137-94）和工業鍋爐熱工性能試驗規程（GB 10180-2003）來測試的，因此很有必要制訂生物質成型燃料燃燒設備的設計標準和試驗方法。
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作者：李榕根 來源：中國新能源網
圖片來源：網路
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