生物质燃烧技术的研究进展

郭聪颖，袁巧霞，赵红

（华中农业大学工学院，武汉430070）

　　摘要：生物质燃烧技术是生物质能转化利用途径研究较成熟的一种主要方式。从影响生物质燃烧特性的因素出发，综述了生物质燃料组分、理化特性和运行条件在生物质燃烧技术中的作用，介绍了生物质燃烧过程的动力学模拟研究现状，对生物质燃烧过程中存在的问题进行了总结和探讨，并对今后生物质燃烧技术的发展进行了展望。

　　生物质是指来源于生物有机体的材料，尤其是基于植物体的材料，包括大量的草本植物、淀粉、纤维素、木质素等。但目前生物质原料不仅仅局限于植物类的废弃物，还包括农林畜产品废弃物、食品加工产业废弃物、餐饮废弃物和城市有机生活垃圾等。生物质能是绿色植物通过光合作用将光能储存为生物有机体内的化学能，与煤相比，生物质能作为新兴能源，受到全世界越来越多的关注，主要因其具有如下特点：①生物质能是一种绿色能源，符合可再生、可持续利用能源的目标，成为当前最洁净的能源之一，对环境污染小，可以降低对传统化石能源的依赖性；②生物质能在成长过程中吸收环境中的CO2，在生命周期内可以实现CO2的零排放或零增长，降低使用化石燃料造成的温室气体排放量；③生物质中灰分比重低、含硫量少和挥发分含量高；④生物质种类繁多、来源广泛、总量丰富，且具有本土特性。

　　生物质能由于其在社会效益、环境效益和经济效益中的可持续发展而备受世界各方重视并得以大力推广。目前生物质能提供全球总量10％～15％的能源供应，是世界上排名第四的能源。在工业发达国家中，生物质能占到能源总量的9％～14％，而在发展中国家则更高，占到25％～30％，部分地区甚至高达50％～90％。但在这些国家中，大部分生物质能被当地低收入者用于炊事和供暖用能，商业化程度并不高，且热利用效率极低。

　　随着科技的进步，生物质能的转化利用形式也多种多样，改变了简单的直燃模式下利用效率低的缺点。当前生物质能转化的方式主要可以归结为：热裂解、气化、液化、超临界流体提取、厌氧消化、厌氧发酵、酸解、酶解和酯化降解等，但这些生物质转换技术由于成本、技术的成熟度和使用效率等方面的原因，难以大面积推广，生物质能的应用仍以直接燃烧为主。到目前为止，生物质燃烧所利用的能源约占全球生物质能利用的95％。为了提高热利用效率，如何对其燃烧利用技术进行深入地研究，已成为国内外各方相关人员普遍关注的问题。

　　1生物质燃烧特性的影响因素

　　生物质能是一种可再生且CO2零增长的能源来源。尽管生物质中氢、硫以及着火温度等差别很小，但是生物质的结构、组分以及元素组成有着相当大的差异，这些对生物质燃烧具有很大的影响。生物质燃烧一般都是直接燃烧或者与煤进行混合燃烧。许多学者对生物质燃烧属性进行了研究，结果表明生物质燃烧特性受到生物质基本组分和组成元素、燃料的理化性质以及运行条件的影响。

　　1．1生物质燃料组分对生物质燃烧的影响

　　生物质与煤具有很多不同的地方，包括有机物和无机物成分，热值和物理属性等。氮、氯和灰分的含量对NOx排放、腐蚀和灰分沉积有直接影响。生物质中挥发性物质、固定碳和灰分的含量是影响生物质燃烧质量的重要因素。半纤维素、纤维素和木质素含量是决定生物质热值的关键因素，生物质中木质素含量高，其热值也高。因此一般可将生物质分为含有木质素较多的林业废弃物生物质和含纤维素较多的农业生产废弃物两大类。挥发性物质的释放一般处于燃烧的起始阶段，影响生物质的燃烧速率和着火特性，它与微分热重曲线中的点火温度和最快燃烧速率有直接关系。生物质中灰分的含量会影响燃烧设备的使用寿命、设备维护成本以及烟气中污染物的排放量。生物质中水分含量较高，影响其燃烧过程中的热化学反应，降低炉膛内部温度，从而降低了灰分的熔融点，增加了灰分结渣结垢的不良影响。

　　Demirbas对24种生物质燃料的主要组成成分以及灰分含量进行了收集整理，为生物质能的燃烧利用提供了重要的数据和理论基础。Dare等利用ICP－MS以及DTA／TGA仪器对树皮废弃物和桉树的燃烧特性进行了研究，其燃烧过程的主要参数包括灰分的结垢结渣程度、灰分浸出特征、痕量元素（主要为As，B，Se，Hg，Cl）和S的释放水平。

　　由于生物质中挥发分含量高，生物质燃料和产生的焦炭具有高的反应活性，使其成为一种重要的优质燃料。测定含碳物质的反应活性一般采用等温或者不等温热重技术，绘制失重曲线。一般都有水分蒸发、干燥，挥发分的释放，挥发分和焦油的燃烧3个阶段。生物质燃料焦炭的反应活性普遍要高于煤，这主要归结于生物质焦炭的多空以及无序的碳结构，可以提高氧气的接触面积。

　　1．2生物质燃料理化特性对生物质燃烧的影响

　　生物质燃料的理化性质主要包括燃料密度、粒径大小、主要元素含量、着火特性和易碎性以及热值等。与煤相比，生物质一般少C多O，Si和K含量较高，Al、Fe和S含量较低，热值低，水分含量高，密度和易脆性低。

　　林业废弃物生物质N和灰分的含量较低，农业类生物质N和灰分的含量则较高。灰分的含量以及灰分中元素的组成直接影响燃烧过程中产生的结焦结垢以及灰分熔融等问题。小麦秸秆灰分中K2O和Cl的含量分别为20．0％和3．6％。热裂解后的焦炭可以通过水洗的方式去除K和残留的Cl。这样可以避免因K的存在而对锅炉造成损害。碱金属的存在会与S和Cl反应，从而对热化学转换系统不利，造成热交换器表面、汽轮机刃片的结垢和腐蚀，以及一些其他部件的损害。Demirbas对煤和生物质中的理化特性进行了比较，并对24种生物质燃料的主要元素以及灰分中的无机物的含量进行了定量分析，为生物质的混合燃烧提供了技术支撑。

　　生物质的密度比较低，约为500kg／m3，粒径较大，孔隙度较大。这些因素导致了单位质量生物质燃料的比表面积大，燃烧反应速度快等优点。尽管各种生物质间理化性质有较大差距，但是生物质的着火温度都相对集中，一般在177℃左右。

　　1．3运行条件对生物质燃烧的影响

　　Jenkins等对木柴和水稻秸秆进行了生物质燃烧试验，通过控制空燃比∅（∅＝1表示理论计算的空燃比，比值小于1表示燃料不足）可以调节NOx的排放量。结果显示，NOx的生成与HC的氧化同时进行。在富燃状态下，NOx化合物生成量减少，反之，其生成量则较高。这是由于在燃料中的C转化为CO快速反应消耗了大量的氧气，从而使得形成NOx所获的氧气量减少。另外，相关试验研究表明，在HC燃料中增加N元素的浓度可以降低燃料中的氮向NOx的转化。

　　生物质燃烧质量与生物质中挥发分的释放和燃烧有着重要的关系。挥发分的释放随着温度的升高而加剧。因此，为了使挥发分得到充分燃烧，需要获得足够的气相停留时间，以保证挥发分能够在燃烧室内得到有效燃烧，降低未燃气体在烟气中的含量，提高热效率。生物质燃料中N元素的转移与挥发分的释放有直接关系。79％～91％的N在燃料热裂解过程中随着挥发分进行释放。在较低的温度或者较短的气相停留时间里，燃料中的N倾向于滞留在焦炭中，形成富氮焦炭，热裂解产物挥发分N主要是NH3、HCN和HNCO等。NH3氧化形成NO，并根据化学当量比和燃料中N的浓度不同，与NO和其他含N物质转化形成N2。

　　燃烧炉内温度的高低，对生物质燃烧的热裂解以及挥发分的组分有着重要作用。高温可以促进热裂解过程，使生物质燃料中挥发分释放充分。在不同的温度范围内，生物质所释放的挥发分产物差异明显。生物质燃烧过程中空气的进入方式和流速的选择，影响生物质的燃烧状态，生物质流化床燃烧技术中，一次进风以及二次进风比例和流速对其燃烧效率影响明显。随着燃烧反应的进行，在燃烧炉上部会形成富燃状态，缺氧易导致燃烧不充分、增加污染物排放量的可能。因此，对燃烧炉内进行二次进风调节可以有效防止富燃现象的发生，降低有害气体的排放。调节一次进风的流速，可以在增加氧气供应的同时，增加燃料与空气的接触面积，起到提高燃烧效率的作用。然而Menghini等认为尽管过量空气可以促进反应进行和控制污染物的生成，但是必须与化学过程相结合进行合理控制，而且应该尽可能接近化学当量比，因为过量空气系数越小，热量损失也越少。

　　2生物质燃烧的动力学模型

　　随着计算流体力学和研究手段的不断发展，对生物质燃烧的研究已经不仅仅局限于试验了。尤其是在生物质燃烧反应过程的模拟以及燃烧状态的数值计算方面，已经有了很多报道。通过物理模型和数学模型的简化，借助CFD软件的相关算法，可以预测生物质燃烧反应过程和产物构成，有利于对生物质燃烧反应过程机理进行更深入的研究，并能指导生物质燃烧设备的设计，节约设计成本。

　　Fletcher等通过计算流体力学模拟流化床生物质气化炉的流场和反应过程，用数值计算方法计算传热传质过程，得出流场的状态方程，并对流场内的生物质颗粒燃烧轨迹进行模拟。该模拟结果表明大的体积流量与燃烧速率相关联，颗粒周围的速度场对气化反应过程的影响不大，停留时间对气化过程有较大影响。因此使用雷诺应力模型和κ－ε模型对反应过程进行模拟区别很小，但不燃烧情况下的模拟结果差异比较明显。

　　Jones等对小麦秸秆的燃烧特性进行了模拟分析，并与煤的燃烧模型进行比较。尽管秸秆燃烧的相对速率和反应阶段与煤差异较大，但使用煤燃烧的脱挥发分子模型FG－DVC可以精确地模拟生物质的脱挥发分过程。与煤相比，由于化学结构对脱挥发分过程的影响较大，导致它们的燃烧特性差异明显。生物质脱挥发分过程更加迅速，挥发分（大部分是CO和H2）的产量更高，燃烬时间较短。

　　Edgardo等对生物质燃烧过程产生的衍生物和气相产物的化学动力学机理进行的研究，是生物质燃烧过程模拟中惟一考虑生物质燃烧过程产生甲醇和含氮化合物的机理研究。结果表明，该模型与试验结果具有较好的一致性，甲醇的存在对生物质燃烧过程以及污染物排放的影响与轻碳氢化合物相似，但是也有很大的区别，因此在进行生物质燃烧模拟时，不能忽略它的作用。尽管化学动力学机理研究（DCK）是模拟燃烧过程气相化学的有效工具，可以预测燃烧效率和污染物的形成，但还是具有燃烧反应不清楚、化学反应级数不确定、智能计算能力有限等缺点。许多学者利用热重微分／热重曲线对生物质燃烧过程进行动力学模拟。

　　Jaakko等通过热重曲线对生物质混合燃烧进行了数值模拟，研究了组分对混合燃烧的相互影响。Lo等利用热重分析仪进行等温试验，对58μm松木屑的热分解过程进行模拟。Kastanaki等采用非等温热重分析对煤与生物质混合燃烧的反应活性和动力学进行研究，利用纯燃料的活化能和反应级数，改变指前因子就可以对混合碳的燃烧进行模拟。混合焦炭燃烧的特性就可以通过指前因子的改变反映出来。为了更深入了解生物质燃烧中粒子的形成过程，Santiago等研究了生物质与其他高硫燃料（如煤和焦炭）混合燃烧对颗粒物质释放的影响，建立了生物质燃烧细微粒子的形成过程模型。

　　3生物质燃烧中存在的主要问题

　　3．1锅炉结垢和附聚物的影响

　　生物质燃烧过程中会释放大量的烟气，随着温度的降低以及烟气管道的阻力作用，与灰分中的碱金属和Cl发生化学反应，形成具有腐蚀性的物质积累在散热器或者炉壁管道上面，形成残留物。同时由于生物质中含有水分较多，导致生物质燃烧长期处于较低的温度范围内，在K和Cl的催化作用下，灰分的熔融点将降低，这样形成附聚物的可能性将大大提高。这些有害物质附着在设备管道等处，形成累积，降低了传热传质效率，同时腐蚀设备，降低了设备的使用寿命，增加了维护成本。对形成锅炉结垢和附聚物生成的控制还缺乏有效的方法，因此这已经成为生物质燃烧过程中亟待解决的技术难点。

　　3．2有害气体的排放

　　由于生物质生长环境的不同，导致生物体内发生了一些积聚现象，比如K和Ca等的积聚，富含这些元素的生物质燃料进行燃烧时会产生一些化学反应，释放出一些有害物质。在生物质燃烧过程中形成的有害物质包括颗粒物质（烟灰，焦油）、CO、HC、N的氧化物（NOx，一般为NO和NO2）、S的氧化物（SOx，如SO2）。同时也释放一些酸性气体，如HCl等。这些有害气体很多都是由于不完全燃烧所形成的，如CO和HC，包括挥发分有机物和多环芳香烃。通过调节当量比和控制燃料中的水分含量，可以控制这类物质的生成。NOx和HC结合的光化学反应形成臭氧，引发环境问题。颗粒物质包括煤烟灰、灰分、黏稠性气体（焦油）以及可吸入性物质。这些都会引发人的呼吸道疾病，对身体具有很大的危害。

　　Darvell等对控制有害气体排放量的相关措施做了详细的报道。

　　3．3碱金属和Cl元素的影响

　　生物质燃料中无机物的主要成分是K、Si、Ca和Mg，它们以氧化物、硫酸盐、磷酸盐以及碳酸盐的形式存在。Darvell等通过燃料中单位产能上碱金属氧化物的含量，即碱金属指数（AI）来预测生物质燃烧灰分的结渣性能，AI＝kg（K2O＋Na2O）／GJ。如果AI＞0．34kg／GJ时，则表示很可能会出现灰分结渣。而另一个指标酸比Rb／a（金属氧化物／酸性氧化物）则反映灰分熔点的变化，Rb／a升高，则灰分熔点降低。这些都反映了生物质燃烧过程中碱金属所产生的负面影响，因此，通过化学和物理的方法降低燃料中K和Na的含量有助于减少灰分结垢结渣的问题。Santiago等对实际工程和实验室燃烧炉内残渣的形成以及腐蚀性进行了研究，发现在相对较低的炉壁温度下，Cl加速了锅炉的腐蚀以及熔融残渣的形成。对生物质燃烧过程中加入SO2气体形成富硫状态，可以降低粒子中Cl的含量。

　　4展望

　　生物质能源的利用开发已经受到了越来越多的重视，在能源短缺日益严重的形势下，生物质燃烧技术的应用将会变得更加广泛，但是就目前而言，大部分燃烧设备都是采用燃煤锅炉，缺乏有针对性的燃烧锅炉，因此，研究专门的生物质燃烧炉将是今后生物质能利用开发的主攻方向，攻克生物质燃烧过程中出现的设备腐蚀、灰分熔融以及污染物排放控制等技术难点将成为研究热点。