生物質(zhì)燃燒技術(shù)的研究進(jìn)展

郭聰穎，袁巧霞，趙紅

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢430070）

　　摘要：生物質(zhì)燃燒技術(shù)是生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用途徑研究較成熟的一種主要方式。從影響生物質(zhì)燃燒特性的因素出發(fā)，綜述了生物質(zhì)燃料組分、理化特性和運(yùn)行條件在生物質(zhì)燃燒技術(shù)中的作用，介紹了生物質(zhì)燃燒過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模擬研究現(xiàn)狀，對(duì)生物質(zhì)燃燒過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和探討，并對(duì)今后生物質(zhì)燃燒技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　生物質(zhì)是指來(lái)源于生物有機(jī)體的材料，尤其是基于植物體的材料，包括大量的草本植物、淀粉、纖維素、木質(zhì)素等。但目前生物質(zhì)原料不僅僅局限于植物類的廢棄物，還包括農(nóng)林畜產(chǎn)品廢棄物、食品加工產(chǎn)業(yè)廢棄物、餐飲廢棄物和城市有機(jī)生活垃圾等。生物質(zhì)能是綠色植物通過(guò)光合作用將光能儲(chǔ)存為生物有機(jī)體內(nèi)的化學(xué)能，與煤相比，生物質(zhì)能作為新興能源，受到全世界越來(lái)越多的關(guān)注，主要因其具有如下特點(diǎn)：①生物質(zhì)能是一種綠色能源，符合可再生、可持續(xù)利用能源的目標(biāo)，成為當(dāng)前最潔凈的能源之一，對(duì)環(huán)境污染小，可以降低對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴性；②生物質(zhì)能在成長(zhǎng)過(guò)程中吸收環(huán)境中的CO2，在生命周期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)CO2的零排放或零增長(zhǎng)，降低使用化石燃料造成的溫室氣體排放量；③生物質(zhì)中灰分比重低、含硫量少和揮發(fā)分含量高；④生物質(zhì)種類繁多、來(lái)源廣泛、總量豐富，且具有本土特性。

　　生物質(zhì)能由于其在社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益中的可持續(xù)發(fā)展而備受世界各方重視并得以大力推廣。目前生物質(zhì)能提供全球總量10％～15％的能源供應(yīng)，是世界上排名第四的能源。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，生物質(zhì)能占到能源總量的9％～14％，而在發(fā)展中國(guó)家則更高，占到25％～30％，部分地區(qū)甚至高達(dá)50％～90％。但在這些國(guó)家中，大部分生物質(zhì)能被當(dāng)?shù)氐褪杖胝哂糜诖妒潞凸┡媚?，商業(yè)化程度并不高，且熱利用效率極低。

　　隨著科技的進(jìn)步，生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用形式也多種多樣，改變了簡(jiǎn)單的直燃模式下利用效率低的缺點(diǎn)。當(dāng)前生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的方式主要可以歸結(jié)為：熱裂解、氣化、液化、超臨界流體提取、厭氧消化、厭氧發(fā)酵、酸解、酶解和酯化降解等，但這些生物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)由于成本、技術(shù)的成熟度和使用效率等方面的原因，難以大面積推廣，生物質(zhì)能的應(yīng)用仍以直接燃燒為主。到目前為止，生物質(zhì)燃燒所利用的能源約占全球生物質(zhì)能利用的95％。為了提高熱利用效率，如何對(duì)其燃燒利用技術(shù)進(jìn)行深入地研究，已成為國(guó)內(nèi)外各方相關(guān)人員普遍關(guān)注的問(wèn)題。

　　1生物質(zhì)燃燒特性的影響因素

　　生物質(zhì)能是一種可再生且CO2零增長(zhǎng)的能源來(lái)源。盡管生物質(zhì)中氫、硫以及著火溫度等差別很小，但是生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組分以及元素組成有著相當(dāng)大的差異，這些對(duì)生物質(zhì)燃燒具有很大的影響。生物質(zhì)燃燒一般都是直接燃燒或者與煤進(jìn)行混合燃燒。許多學(xué)者對(duì)生物質(zhì)燃燒屬性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明生物質(zhì)燃燒特性受到生物質(zhì)基本組分和組成元素、燃料的理化性質(zhì)以及運(yùn)行條件的影響。

　　1．1生物質(zhì)燃料組分對(duì)生物質(zhì)燃燒的影響

　　生物質(zhì)與煤具有很多不同的地方，包括有機(jī)物和無(wú)機(jī)物成分，熱值和物理屬性等。氮、氯和灰分的含量對(duì)NOx排放、腐蝕和灰分沉積有直接影響。生物質(zhì)中揮發(fā)性物質(zhì)、固定碳和灰分的含量是影響生物質(zhì)燃燒質(zhì)量的重要因素。半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量是決定生物質(zhì)熱值的關(guān)鍵因素，生物質(zhì)中木質(zhì)素含量高，其熱值也高。因此一般可將生物質(zhì)分為含有木質(zhì)素較多的林業(yè)廢棄物生物質(zhì)和含纖維素較多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物兩大類。揮發(fā)性物質(zhì)的釋放一般處于燃燒的起始階段，影響生物質(zhì)的燃燒速率和著火特性，它與微分熱重曲線中的點(diǎn)火溫度和最快燃燒速率有直接關(guān)系。生物質(zhì)中灰分的含量會(huì)影響燃燒設(shè)備的使用壽命、設(shè)備維護(hù)成本以及煙氣中污染物的排放量。生物質(zhì)中水分含量較高，影響其燃燒過(guò)程中的熱化學(xué)反應(yīng)，降低爐膛內(nèi)部溫度，從而降低了灰分的熔融點(diǎn)，增加了灰分結(jié)渣結(jié)垢的不良影響。

　　Demirbas對(duì)24種生物質(zhì)燃料的主要組成成分以及灰分含量進(jìn)行了收集整理，為生物質(zhì)能的燃燒利用提供了重要的數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。Dare等利用ICP－MS以及DTA／TGA儀器對(duì)樹(shù)皮廢棄物和桉樹(shù)的燃燒特性進(jìn)行了研究，其燃燒過(guò)程的主要參數(shù)包括灰分的結(jié)垢結(jié)渣程度、灰分浸出特征、痕量元素（主要為As，B，Se，Hg，Cl）和S的釋放水平。

　　由于生物質(zhì)中揮發(fā)分含量高，生物質(zhì)燃料和產(chǎn)生的焦炭具有高的反應(yīng)活性，使其成為一種重要的優(yōu)質(zhì)燃料。測(cè)定含碳物質(zhì)的反應(yīng)活性一般采用等溫或者不等溫?zé)嶂丶夹g(shù)，繪制失重曲線。一般都有水分蒸發(fā)、干燥，揮發(fā)分的釋放，揮發(fā)分和焦油的燃燒3個(gè)階段。生物質(zhì)燃料焦炭的反應(yīng)活性普遍要高于煤，這主要?dú)w結(jié)于生物質(zhì)焦炭的多空以及無(wú)序的碳結(jié)構(gòu)，可以提高氧氣的接觸面積。

　　1．2生物質(zhì)燃料理化特性對(duì)生物質(zhì)燃燒的影響

　　生物質(zhì)燃料的理化性質(zhì)主要包括燃料密度、粒徑大小、主要元素含量、著火特性和易碎性以及熱值等。與煤相比，生物質(zhì)一般少C多O，Si和K含量較高，Al、Fe和S含量較低，熱值低，水分含量高，密度和易脆性低。

　　林業(yè)廢棄物生物質(zhì)N和灰分的含量較低，農(nóng)業(yè)類生物質(zhì)N和灰分的含量則較高?；曳值暮恳约盎曳种性氐慕M成直接影響燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)焦結(jié)垢以及灰分熔融等問(wèn)題。小麥秸稈灰分中K2O和Cl的含量分別為20．0％和3．6％。熱裂解后的焦炭可以通過(guò)水洗的方式去除K和殘留的Cl。這樣可以避免因K的存在而對(duì)鍋爐造成損害。堿金屬的存在會(huì)與S和Cl反應(yīng)，從而對(duì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不利，造成熱交換器表面、汽輪機(jī)刃片的結(jié)垢和腐蝕，以及一些其他部件的損害。Demirbas對(duì)煤和生物質(zhì)中的理化特性進(jìn)行了比較，并對(duì)24種生物質(zhì)燃料的主要元素以及灰分中的無(wú)機(jī)物的含量進(jìn)行了定量分析，為生物質(zhì)的混合燃燒提供了技術(shù)支撐。

　　生物質(zhì)的密度比較低，約為500kg／m3，粒徑較大，孔隙度較大。這些因素導(dǎo)致了單位質(zhì)量生物質(zhì)燃料的比表面積大，燃燒反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。盡管各種生物質(zhì)間理化性質(zhì)有較大差距，但是生物質(zhì)的著火溫度都相對(duì)集中，一般在177℃左右。

　　1．3運(yùn)行條件對(duì)生物質(zhì)燃燒的影響

　　Jenkins等對(duì)木柴和水稻秸稈進(jìn)行了生物質(zhì)燃燒試驗(yàn)，通過(guò)控制空燃比∅（∅＝1表示理論計(jì)算的空燃比，比值小于1表示燃料不足）可以調(diào)節(jié)NOx的排放量。結(jié)果顯示，NOx的生成與HC的氧化同時(shí)進(jìn)行。在富燃狀態(tài)下，NOx化合物生成量減少，反之，其生成量則較高。這是由于在燃料中的C轉(zhuǎn)化為CO快速反應(yīng)消耗了大量的氧氣，從而使得形成NOx所獲的氧氣量減少。另外，相關(guān)試驗(yàn)研究表明，在HC燃料中增加N元素的濃度可以降低燃料中的氮向NOx的轉(zhuǎn)化。

　　生物質(zhì)燃燒質(zhì)量與生物質(zhì)中揮發(fā)分的釋放和燃燒有著重要的關(guān)系。揮發(fā)分的釋放隨著溫度的升高而加劇。因此，為了使揮發(fā)分得到充分燃燒，需要獲得足夠的氣相停留時(shí)間，以保證揮發(fā)分能夠在燃燒室內(nèi)得到有效燃燒，降低未燃?xì)怏w在煙氣中的含量，提高熱效率。生物質(zhì)燃料中N元素的轉(zhuǎn)移與揮發(fā)分的釋放有直接關(guān)系。79％～91％的N在燃料熱裂解過(guò)程中隨著揮發(fā)分進(jìn)行釋放。在較低的溫度或者較短的氣相停留時(shí)間里，燃料中的N傾向于滯留在焦炭中，形成富氮焦炭，熱裂解產(chǎn)物揮發(fā)分N主要是NH3、HCN和HNCO等。NH3氧化形成NO，并根據(jù)化學(xué)當(dāng)量比和燃料中N的濃度不同，與NO和其他含N物質(zhì)轉(zhuǎn)化形成N2。

　　燃燒爐內(nèi)溫度的高低，對(duì)生物質(zhì)燃燒的熱裂解以及揮發(fā)分的組分有著重要作用。高溫可以促進(jìn)熱裂解過(guò)程，使生物質(zhì)燃料中揮發(fā)分釋放充分。在不同的溫度范圍內(nèi)，生物質(zhì)所釋放的揮發(fā)分產(chǎn)物差異明顯。生物質(zhì)燃燒過(guò)程中空氣的進(jìn)入方式和流速的選擇，影響生物質(zhì)的燃燒狀態(tài)，生物質(zhì)流化床燃燒技術(shù)中，一次進(jìn)風(fēng)以及二次進(jìn)風(fēng)比例和流速對(duì)其燃燒效率影響明顯。隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，在燃燒爐上部會(huì)形成富燃狀態(tài)，缺氧易導(dǎo)致燃燒不充分、增加污染物排放量的可能。因此，對(duì)燃燒爐內(nèi)進(jìn)行二次進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)可以有效防止富燃現(xiàn)象的發(fā)生，降低有害氣體的排放。調(diào)節(jié)一次進(jìn)風(fēng)的流速，可以在增加氧氣供應(yīng)的同時(shí)，增加燃料與空氣的接觸面積，起到提高燃燒效率的作用。然而Menghini等認(rèn)為盡管過(guò)量空氣可以促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行和控制污染物的生成，但是必須與化學(xué)過(guò)程相結(jié)合進(jìn)行合理控制，而且應(yīng)該盡可能接近化學(xué)當(dāng)量比，因?yàn)檫^(guò)量空氣系數(shù)越小，熱量損失也越少。

　　2生物質(zhì)燃燒的動(dòng)力學(xué)模型

　　隨著計(jì)算流體力學(xué)和研究手段的不斷發(fā)展，對(duì)生物質(zhì)燃燒的研究已經(jīng)不僅僅局限于試驗(yàn)了。尤其是在生物質(zhì)燃燒反應(yīng)過(guò)程的模擬以及燃燒狀態(tài)的數(shù)值計(jì)算方面，已經(jīng)有了很多報(bào)道。通過(guò)物理模型和數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化，借助CFD軟件的相關(guān)算法，可以預(yù)測(cè)生物質(zhì)燃燒反應(yīng)過(guò)程和產(chǎn)物構(gòu)成，有利于對(duì)生物質(zhì)燃燒反應(yīng)過(guò)程機(jī)理進(jìn)行更深入的研究，并能指導(dǎo)生物質(zhì)燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

　　Fletcher等通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)模擬流化床生物質(zhì)氣化爐的流場(chǎng)和反應(yīng)過(guò)程，用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算傳熱傳質(zhì)過(guò)程，得出流場(chǎng)的狀態(tài)方程，并對(duì)流場(chǎng)內(nèi)的生物質(zhì)顆粒燃燒軌跡進(jìn)行模擬。該模擬結(jié)果表明大的體積流量與燃燒速率相關(guān)聯(lián)，顆粒周圍的速度場(chǎng)對(duì)氣化反應(yīng)過(guò)程的影響不大，停留時(shí)間對(duì)氣化過(guò)程有較大影響。因此使用雷諾應(yīng)力模型和κ－ε模型對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行模擬區(qū)別很小，但不燃燒情況下的模擬結(jié)果差異比較明顯。

　　Jones等對(duì)小麥秸稈的燃燒特性進(jìn)行了模擬分析，并與煤的燃燒模型進(jìn)行比較。盡管秸稈燃燒的相對(duì)速率和反應(yīng)階段與煤差異較大，但使用煤燃燒的脫揮發(fā)分子模型FG－DVC可以精確地模擬生物質(zhì)的脫揮發(fā)分過(guò)程。與煤相比，由于化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)脫揮發(fā)分過(guò)程的影響較大，導(dǎo)致它們的燃燒特性差異明顯。生物質(zhì)脫揮發(fā)分過(guò)程更加迅速，揮發(fā)分（大部分是CO和H2）的產(chǎn)量更高，燃燼時(shí)間較短。

　　Edgardo等對(duì)生物質(zhì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生的衍生物和氣相產(chǎn)物的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行的研究，是生物質(zhì)燃燒過(guò)程模擬中惟一考慮生物質(zhì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生甲醇和含氮化合物的機(jī)理研究。結(jié)果表明，該模型與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，甲醇的存在對(duì)生物質(zhì)燃燒過(guò)程以及污染物排放的影響與輕碳?xì)浠衔锵嗨?，但是也有很大的區(qū)別，因此在進(jìn)行生物質(zhì)燃燒模擬時(shí)，不能忽略它的作用。盡管化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究（DCK）是模擬燃燒過(guò)程氣相化學(xué)的有效工具，可以預(yù)測(cè)燃燒效率和污染物的形成，但還是具有燃燒反應(yīng)不清楚、化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)不確定、智能計(jì)算能力有限等缺點(diǎn)。許多學(xué)者利用熱重微分／熱重曲線對(duì)生物質(zhì)燃燒過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬。

　　Jaakko等通過(guò)熱重曲線對(duì)生物質(zhì)混合燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了組分對(duì)混合燃燒的相互影響。Lo等利用熱重分析儀進(jìn)行等溫試驗(yàn)，對(duì)58μm松木屑的熱分解過(guò)程進(jìn)行模擬。Kastanaki等采用非等溫?zé)嶂胤治鰧?duì)煤與生物質(zhì)混合燃燒的反應(yīng)活性和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，利用純?nèi)剂系幕罨芎头磻?yīng)級(jí)數(shù)，改變指前因子就可以對(duì)混合碳的燃燒進(jìn)行模擬。混合焦炭燃燒的特性就可以通過(guò)指前因子的改變反映出來(lái)。為了更深入了解生物質(zhì)燃燒中粒子的形成過(guò)程，Santiago等研究了生物質(zhì)與其他高硫燃料（如煤和焦炭）混合燃燒對(duì)顆粒物質(zhì)釋放的影響，建立了生物質(zhì)燃燒細(xì)微粒子的形成過(guò)程模型。

　　3生物質(zhì)燃燒中存在的主要問(wèn)題

　　3．1鍋爐結(jié)垢和附聚物的影響

　　生物質(zhì)燃燒過(guò)程中會(huì)釋放大量的煙氣，隨著溫度的降低以及煙氣管道的阻力作用，與灰分中的堿金屬和Cl發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成具有腐蝕性的物質(zhì)積累在散熱器或者爐壁管道上面，形成殘留物。同時(shí)由于生物質(zhì)中含有水分較多，導(dǎo)致生物質(zhì)燃燒長(zhǎng)期處于較低的溫度范圍內(nèi)，在K和Cl的催化作用下，灰分的熔融點(diǎn)將降低，這樣形成附聚物的可能性將大大提高。這些有害物質(zhì)附著在設(shè)備管道等處，形成累積，降低了傳熱傳質(zhì)效率，同時(shí)腐蝕設(shè)備，降低了設(shè)備的使用壽命，增加了維護(hù)成本。對(duì)形成鍋爐結(jié)垢和附聚物生成的控制還缺乏有效的方法，因此這已經(jīng)成為生物質(zhì)燃燒過(guò)程中亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。

　　3．2有害氣體的排放

　　由于生物質(zhì)生長(zhǎng)環(huán)境的不同，導(dǎo)致生物體內(nèi)發(fā)生了一些積聚現(xiàn)象，比如K和Ca等的積聚，富含這些元素的生物質(zhì)燃料進(jìn)行燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些化學(xué)反應(yīng)，釋放出一些有害物質(zhì)。在生物質(zhì)燃燒過(guò)程中形成的有害物質(zhì)包括顆粒物質(zhì)（煙灰，焦油）、CO、HC、N的氧化物（NOx，一般為NO和NO2）、S的氧化物（SOx，如SO2）。同時(shí)也釋放一些酸性氣體，如HCl等。這些有害氣體很多都是由于不完全燃燒所形成的，如CO和HC，包括揮發(fā)分有機(jī)物和多環(huán)芳香烴。通過(guò)調(diào)節(jié)當(dāng)量比和控制燃料中的水分含量，可以控制這類物質(zhì)的生成。NOx和HC結(jié)合的光化學(xué)反應(yīng)形成臭氧，引發(fā)環(huán)境問(wèn)題。顆粒物質(zhì)包括煤煙灰、灰分、黏稠性氣體（焦油）以及可吸入性物質(zhì)。這些都會(huì)引發(fā)人的呼吸道疾病，對(duì)身體具有很大的危害。

　　Darvell等對(duì)控制有害氣體排放量的相關(guān)措施做了詳細(xì)的報(bào)道。

　　3．3堿金屬和Cl元素的影響

　　生物質(zhì)燃料中無(wú)機(jī)物的主要成分是K、Si、Ca和Mg，它們以氧化物、硫酸鹽、磷酸鹽以及碳酸鹽的形式存在。Darvell等通過(guò)燃料中單位產(chǎn)能上堿金屬氧化物的含量，即堿金屬指數(shù)（AI）來(lái)預(yù)測(cè)生物質(zhì)燃燒灰分的結(jié)渣性能，AI＝kg（K2O＋Na2O）／GJ。如果AI＞0．34kg／GJ時(shí)，則表示很可能會(huì)出現(xiàn)灰分結(jié)渣。而另一個(gè)指標(biāo)酸比Rb／a（金屬氧化物／酸性氧化物）則反映灰分熔點(diǎn)的變化，Rb／a升高，則灰分熔點(diǎn)降低。這些都反映了生物質(zhì)燃燒過(guò)程中堿金屬所產(chǎn)生的負(fù)面影響，因此，通過(guò)化學(xué)和物理的方法降低燃料中K和Na的含量有助于減少灰分結(jié)垢結(jié)渣的問(wèn)題。Santiago等對(duì)實(shí)際工程和實(shí)驗(yàn)室燃燒爐內(nèi)殘?jiān)男纬梢约案g性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在相對(duì)較低的爐壁溫度下，Cl加速了鍋爐的腐蝕以及熔融殘?jiān)男纬伞?duì)生物質(zhì)燃燒過(guò)程中加入SO2氣體形成富硫狀態(tài)，可以降低粒子中Cl的含量。

　　4展望

　　生物質(zhì)能源的利用開(kāi)發(fā)已經(jīng)受到了越來(lái)越多的重視，在能源短缺日益嚴(yán)重的形勢(shì)下，生物質(zhì)燃燒技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)變得更加廣泛，但是就目前而言，大部分燃燒設(shè)備都是采用燃煤鍋爐，缺乏有針對(duì)性的燃燒鍋爐，因此，研究專門(mén)的生物質(zhì)燃燒爐將是今后生物質(zhì)能利用開(kāi)發(fā)的主攻方向，攻克生物質(zhì)燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的設(shè)備腐蝕、灰分熔融以及污染物排放控制等技術(shù)難點(diǎn)將成為研究熱點(diǎn)。