关键词：生物质；锅炉；燃烧；混燃
从我国能源消费结构来看，煤是主要的能源支柱，然而燃煤电厂、工业锅炉及民用锅炉向大气中排放大量S02、CO2及烟尘，使中国的酸雨污染面积日趋扩大，加之煤、石油这些化石能源储量有限，因此人类迫切要求寻找新的能源，为可持续发展寻求出路。在众多可再生能源中，生物质具有极大的开发潜力。
生物质是指由光合作用而产生的各种有机体，是有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物可再生的物质。生物质是仅次子煤、石油和天然气的世界第四大能源，当前，生物质燃料的消耗已占世界能源总消耗量的14%，在发展中国家这一比例高到38%，生物质燃料的开发利用已经成为世界的共识。
在众多的生物质能源转换技术中，生物质燃烧是最简便可行的生物质利用方式之一。
秸秆颗粒机压制的小麦秸秆颗粒燃料如下所示：
秸秆压块机压制的玉米秸秆颗粒燃料如下所示：
秸秆压块机压制的玉米秸秆颗粒燃料如下所示：
富通新能源生产销售的秸秆颗粒机等生物质成型机如下所示：
1、生物质燃料的燃烧特性研究生物质的燃烧，必然要掌握生物质燃料的组成成分，刘建禹等人通过对生物质燃烧特性的研究对比了生物质与煤的燃料特性。由表可以看出，生物质和煤在组成和特性（如发热量）上存在着显著的差异。虽然生物质的组成和特性因种类、产地、气候、环境及生产过程等变化很大，但仍具有许多共性：
(1)从工业分析可以看出，生物质的灰分一般很低，而生物质的挥发分含量很高，挥发分一般在60～80%；固定碳一般在10～20%之间。
(2)从元素分析可以看出，生物质的含碳量均低于煤，一般在30～50%，属于低碳燃料；氢含量较高，一般在5～8%，而煤中氢含量一般不到4%;其它有机组成元素包括S、N等含量较低，其中S约为0.1～0.3%，N-般在0.1～2%之间，因此，绝大多数生物质是低硫低氮燃料。
(3)与煤相比，生物质灰分中碱金属（K20形式）含量很高，一般为10～20%，所以尽管灰分含量不多，但较高的碱金属含量在燃烧过程中会引起受热面结渣、积灰及相应腐蚀。
(4)生物质低位发热量一般在10～20kj/kg之间，而煤的低位发热量一般在24kj/kg左右，生物质的低位发热量较小，此外生物质的体积密度很低，因此生物质的能量密度（即单位体积的发热量）比煤低得多。
由于生物质燃料与煤燃料组成存在较大差异，因此生物质燃烧过程中的燃烧机理、反应速率以及燃烧产物的成分都与燃燃烧有很大的不同：
(1)由于生物质密度小，结构松散，挥发分含量高，其在250℃就开始热分解，350℃时挥发分能析出80%，若不采取措施改善空气供应，挥发分很容易由于不完全燃烧而导致燃烧效率下降，排烟污染增加。
(2)挥发分燃烧完全后，焦炭燃烧受到灰烬的包裹，空气很难与焦炭进行有效的接触，从而导致焦炭不完全燃烧，如不采取适当的措施，必然增加机械不完全燃烧热损失。
由此可见，生物质燃烧与煤燃烧有很大的不同，若要保证生物质燃烧运行的经济可靠，提高生物质燃烧效率，必须对生物质的燃烧特性和燃烧设备进行研究。
2、生物质燃烧技术的发展现状
生物质燃烧技术主要包括直接燃烧技术和生物质与煤混合燃烧技术两种。
2.1生物质直接燃烧技术
生物质直接燃烧是将生物质直接作为燃料燃烧，主要包括炉灶燃烧和锅炉燃烧技术。
炉灶燃烧是最古老的生物质能利用技术，一直是农村生活用能的主要方式，但传统的炉灶转换效率很低(一般不足10%)，浪费严重，烟尘和余灰的排放导致居住和生活环境日益恶化，但在其它先进的生物质能转化技术还没有成熟之前，其仍将是我国乃至发展中国家农村居民利用生物质能的主要方式。
锅炉燃烧是指采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，用以生产水蒸气进而推动汽轮机发电，该技术较传统的生物质直接燃烧提高了燃烧效率，是大规模利用生物质最有效、最廉价的方式。
生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃用生物质品种的不同可分为：木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉和层燃炉等。
2.1.1生物质直接燃烧流化床技术
目前，国外采用流化床技术开发生物质能已具有相当的规模和一定的运行经验。我国对该技术的研究是从自20世纪80年代末开始的。
华中科技大学刘皓等人根据稻壳的物理、化学性质和燃烧特性，设计出以流化床燃烧方式为主，辅之以悬浮燃烧和固定床燃烧的组合燃烧式流化床锅炉，并且采取了四段送风的方式，从而使得流化床中燃料颗粒的流化速度较低，有利于减少稻壳随烟气飞出流化床的份额，延长了稻壳在床层的停留时间；提供了足够的悬浮燃烧空间，有利于挥发份中的可燃物在悬浮段进一步充分燃烧。通过试验研究证明，该锅炉具有流化性能良好、燃烧稳定、不易结焦等优点。
哈尔滨工业大学别如山等人对燃生物质流化床锅炉进行了深入细致地研究。研究中主要采用细砂等颗粒作为媒体床料，以保证形成稳定的密相区料层，为生物质燃料提供充分的预热和干燥热源：采用稀相区强旋转切向二次风形成强烈旋转上升气流，加强高温烟气、空气与生物质物料颗粒的混合，促进可燃气体和固体颗粒进一步充分燃烧。
在研究基础上，哈尔滨工业大学先后与长春锅炉厂、长沙锅炉厂、营口锅炉总厂、天山锅炉厂合作研制开发燃甘蔗渣、稻壳、板厂废料和棕榈空果穗等生物废料流化床锅炉，投入生产后运行效果良好，其中与营口锅炉总厂合作研制的三台10t/h燃废木与木屑流化床锅炉（设计参数为：锅炉蒸发量10t/h;工作压力1125MPa;过热蒸汽温度350℃设计效率80.86%），经测试，燃烧效率达99%，锅炉热效率达83%，这两个主要技术指标均已达到国际先进水平。
陈冠益等人在试验研究的基础上，与无锡锅炉厂合作设计开发了35t/h燃稻壳流化床锅炉。该锅炉设计中采用气力输送装置输送稻壳，不但输送量大，而且输送安全，避免了因给料机堵塞引起的给料中断现象；采用厚壁管的防磨环用以防止床层埋管的磨损，尾部加吹灰器吹风防止受热面积灰；通过调整一、二次风风量大小与烟气再循环实现炉内风速的改变，扩大了锅炉的燃料适用范围。
国家电力公司热工研究院和清华大学王智微和李定凯等人在燃煤循环流化床锅炉模型化设计的基础上，针对生物质燃料的特点和现有的循环流化床研究成果，进行了生物质燃料循环流化床锅炉的建模、程序设计和锅炉设计，并采用已报道的试验结果对模型进行了比较，为生物质燃料循环流化床锅炉的运用和推广提供了一个理论基础和实用工具，为生物质燃料循环流化床锅炉的试验和理论研究提供了有益的借鉴。
2.1.2生物质直接燃烧层燃技术
农业部规划设计院田宜水等人通过对秸秆本身的堆积密度，含水率和挥发分等特性的分析研究，在秸秆直燃热水锅炉燃烧室的设计中，采用下饲式进料方式和双燃烧室结构。第一燃烧室为主燃区，设置于炉膛前部；第二燃烧室为辅助燃烧区，设置于炉膛后部，两者间由挡火拱分隔。测试结果表面，该布置方式加强了秸秆与高温烟气、空气地相互混合，同时延长了物料在炉内燃烧的停留时间，确保了秸秆燃烧的充分完全，提高了秸秆的能源利用率。
翟学民根据甘蔗渣的燃烧机理，研制出了一种采用闭式炉膛结构的甘蔗渣锅炉。该锅炉将燃烧室与辐射受热面分开布置，甘蔗渣在炉内进行半层燃半悬浮燃烧；炉膛内布置人字型前后拱，通过前后拱的相互配合加强了高温烟气对甘蔗渣的辐射。该设计方案既有助于甘蔗渣的着火和燃尽，又可以布置足够的受热面，满足了燃烧和传热两方面的要求，有利于甘蔗渣的及时着火和稳定燃烧。由于甘蔗渣作为生物质燃料有一定的代表性，其它如稻壳、树皮、废木材、油棕榈等生物燃料都同它很接近，因此这种炉型对这些生物燃料有一定的通用性。
何育恒开发设计了燃木屑、木粉、树皮等废料的层燃锅炉，该锅炉结构设计新颖，前墙及炉膛布置少量水冷壁管，保证炉膛具有较高的温度，以便木屑、木粉的燃烬；炉膛内布置有防爆门，防止木粉爆燃；锅炉为负压燃烧，保证木粉在燃烧时不向炉外喷火。经测试锅炉达到了预期的设计要求，为燃木屑、木粉等林业废弃物锅炉的开发设计提供了计算方法和实践经验。
2.2生物质与煤共燃技术
许卫国等及陈冠益等研究发现，纯稻壳不易流化，与煤混合后的综合流化性能有一定改善，而与石英砂混合效果更好。陈冠益等还发现，锅炉的飞灰含碳量明显高于灰渣的含碳量。尽管如此，燃烧效率仍高达97%;另外，由于稻壳本身氮和硫的含量极少，在不用任何脱硫剂、脱硝措施情况下，稻壳燃烧所排放出的主要大气污染物都远低于排放标准。以上研究结果说明了稻壳作为循环流化床锅炉的燃料在运行状况和气体排放上是可行的，而在金属排放方面还需要展开相应的研究。
张殿军等研究循环流化床锅炉里燃烧稻壳和煤的混合燃料时发现，稻壳里的碱金属（钠和钾）对灰在换热表面上的沉淀影响很大。而且，当稻壳含氯较高（如稻草）时，将使壁温高于400℃的受热面发生高温腐蚀。
黑龙江建三江分局华盛热电股份责任有限公司将原来烧烟煤的35t/h循环流化床锅炉改烧烟煤和稻壳的混合物。根据不同的煤质变化情况，煤和稻壳的混料比例一般在2：1和3：1之间时燃烧工况最佳。在一年的运行过程中，锅炉节煤在20%～45%，经济效益相当可观。
刘德昌等人采用35t/h混烧甘蔗渣和煤的循环流化床锅炉取得了成功。该锅炉实际运行经验表明，锅炉也可纯烧甘蔗渣，但纯烧甘蔗渣时锅炉的熟效率会有所下降。另外，由于进料的问题，纯烧甘蔗渣时会使锅炉蒸发量下降，甘蔗渣的供给方式有待进一步研究改进。
此外，还有些学者对生物质与煤混燃进行了实验性研究。华中科技大学徐朝芬、刘豪等人利用热重一微分热重分析技术研究了生物质、煤及其混合物燃烧的燃烧性质，考察了各自的着火温度、最大失重速度和燃尽温度等燃烧特征参数，计算了着火性能参数和综合燃烧特性指数，结果发现，生物质与煤混燃可以有效的降低着火温度，改善煤样的燃烧性能，而且生物质与煤混合后，发热量增加，提高了生物质的利用价值。
3、生物质燃烧污染排放
由于生物质挥发分和炭活性高，N、S含量低、灰分低，其直接燃烧相对与煤而言硫氧化物、氮氧化物及烟尘的排放量较低；同时由于生物质在燃烧过程中排放出的C02与其生长过程中所吸收的一样多，所以生物质燃烧过程具有C02零排放的特点，这对于缓解日益严重的“温室效应”有着特殊的意义。
当生物质与煤混燃时，清华大学沈伯雄等人和华中科技大学张磊等人均研究发现，NOx的排放被有效的降低，这主要是由于生物质在流化床底部迅速燃烧和热解，释放出大量的挥发分，挥发分燃烧消耗氧气，抑制了燃料氮转变成N20和NOx;生物质快速燃烧和气化形成多孔性焦炭，有利于N20和NOx的分解；随着生物质和煤的混合比例增加，N20的削减率幅度减少，而NOx的削减率幅度基本不变。
华中科技大学刘豪等人对一种典型的煤和两种典型的生物质以及它们以一定的比例所得的混合燃料进行污染物排放特性分析，结果表明：在试验用煤中加入生物质（质量比为1：1）后，由于生物质燃料含有很高的挥发分和较低的N、S，在生物质和煤混烧的过程中形成贫氧区，从而限制了燃料N的中间产物向NOx的转化和SOx的形成，因此燃料NOx转变率降低了2%～33%.燃料SOx转变率降低了10%-17%；同时还发现不同的生物质和煤混烧降低SOx和NOx的能力不同，含N、S越低，挥发分越高的生物质，其降低的效果越显著。
4、生物质燃烧利用存在问题及展望
(1)尽管生物质资源量非常大，但由于生物质资源较分散，其体积和能量密度小(一般仅为煤的1/10)，因此其运输、储存费用相对较高，且其利用半径一般为80～120 km，这大大限制了大型电厂对其有效利用；另外，生物质水分含量很高，不仅会给制粉带来困难，且在燃料制备过程中必要的干燥会增加运行费用，这是影响电厂经济性的主要因素之一。
(2)当进行生物质直接燃烧时，由于生物质的种类繁杂，不同种类生物质之间外貌、组分、物性和燃烧性能千差万别，不可能找到一种适合大多数生物质燃烧的燃烧方式，从而限制了生物质直接燃烧技术的发展：
(3)烧结是采用循环流化床锅炉燃烧秸秆经常发生的问题。秸秆具有很高的碱金属含量，这些碱金属与Cl和Si以一定的比例结合会产生腐蚀和形成沉淀，并使流化床产生流化问题。烧结的发生与温度、流化速度和气氛有关，其中温度是影响烧结的最主要因素。别如山等人研究发现，合理布置燃烧系统及受热面和添加Fe20 3、Al203等惰性添加剂可以很好的防止结焦。
(4)生物质种类繁多，但目前研究中，对生物质燃料所占比重较大的废弃木材、秸秆、稻壳研究的较多，而对果核、橄榄饼、甘蔗渣等生物质燃料的研究相对较少。另外，目前尚未发现利用水生植物进行燃烧的相关文献。
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