生物質燃燒技術的研究進展

摘要：生物質燃燒技術是生物質能轉化利用途徑研究較成熟的一種主要方式。從影響生物質燃燒特性的因素出發，綜述了生物質燃料組分、理化特性和運行條件在生物質燃燒技術中的作用，介紹了生物質燃燒過程的動力學模擬研究現狀，對生物質燃燒過程中存在的問題進行了總結和探討，并對今后生物質燃燒技術的發展進行了展望。

關鍵詞：生物質燃燒；轉化利用途徑；動力學模擬

中圖分類號：ＴＫ６２文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）21－4326-04

Progress of Biomass Combustion Technology

ＧＵＯ Ｃｏｎｇ－ｙｉｎｇ，ＹＵＡＮ Ｑｉａｏ－ｘｉａ，ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７０， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂｉｏｍａｓｓ cｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｍａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍａｊｏｒ ｗａｙ ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ ｆｕｅｌ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｓ， ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｂｉｏｍａｓｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｂｉｏｍａｓｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｂｉｏｍａｓｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｂｉｏｍａｓｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ； ｗａｙ ｏｆ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ； ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

生物質是指來源于生物有機體的材料［１］，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、木質素等。但目前生物質原料不僅僅局限于植物類的廢棄物，還包括農林畜產品廢棄物、食品加工產業廢棄物、餐飲廢棄物和城市有機生活垃圾等。生物質能是綠色植物通過光合作用將光能儲存為生物有機體內的化學能，與煤相比，生物質能作為新興能源，受到全世界越來越多的關注，主要因其具有如下特點［１－４］：①生物質能是一種綠色能源，符合可再生、可持續利用能源的目標，成為當前最潔凈的能源之一，對環境污染小，可以降低對傳統化石能源的依賴性；②生物質能在成長過程中吸收環境中的ＣＯ２，在生命周期內可以實現ＣＯ２的零排放或零增長，降低使用化石燃料造成的溫室氣體排放量；③生物質中灰分比重低、含硫量少和揮發分含量高；④生物質種類繁多、來源廣泛、總量豐富，且具有本土特性。

生物質能由于其在社會效益、環境效益和經濟效益中的可持續發展而備受世界各方重視并得以大力推廣。目前生物質能提供全球總量１０％～１５％的能源供應［１］，是世界上排名第四的能源［５］。在工業發達國家中，生物質能占到能源總量的９％～１４％，而在發展中國家則更高，占到２５％～３０％，部分地區甚至高達５０％～９０％［１］。但在這些國家中，大部分生物質能被當地低收入者用于炊事和供暖用能，商業化程度并不高，且熱利用效率極低［１，６］。

隨著科技的進步，生物質能的轉化利用形式也多種多樣，改變了簡單的直燃模式下利用效率低的缺點。當前生物質能轉化的方式主要可以歸結為：熱裂解、氣化、液化、超臨界流體提取、厭氧消化、厭氧發酵、酸解、酶解和酯化降解等［４，６］，但這些生物質轉換技術由于成本、技術的成熟度和使用效率等方面的原因，難以大面積推廣，生物質能的應用仍以直接燃燒為主。到目前為止，生物質燃燒所利用的能源約占全球生物質能利用的９５％［5］。為了提高熱利用效率，如何對其燃燒利用技術進行深入地研究，已成為國內外各方相關人員普遍關注的問題。

１生物質燃燒特性的影響因素

生物質能是一種可再生且ＣＯ２零增長的能源來源。盡管生物質中氫、硫以及著火溫度等差別很小，但是生物質的結構、組分以及元素組成有著相當大的差異，這些對生物質燃燒具有很大的影響［５］。生物質燃燒一般都是直接燃燒或者與煤進行混合燃燒。許多學者對生物質燃燒屬性進行了研究［５，7－１0］，結果表明生物質燃燒特性受到生物質基本組分和組成元素、燃料的理化性質以及運行條件的影響。

１．１生物質燃料組分對生物質燃燒的影響

生物質與煤具有很多不同的地方，包括有機物和無機物成分，熱值和物理屬性等［５，7，８］。氮、氯和灰分的含量對ＮＯｘ排放、腐蝕和灰分沉積有直接影響。生物質中揮發性物質、固定碳和灰分的含量是影響生物質燃燒質量的重要因素。半纖維素、纖維素和木質素含量是決定生物質熱值的關鍵因素［１1］，生物質中木質素含量高，其熱值也高。因此一般可將生物質分為含有木質素較多的林業廢棄物生物質和含纖維素較多的農業生產廢棄物兩大類。揮發性物質的釋放一般處于燃燒的起始階段，影響生物質的燃燒速率和著火特性，它與微分熱重曲線中的點火溫度和最快燃燒速率有直接關系［５，8－１0］。生物質中灰分的含量會影響燃燒設備的使用壽命、設備維護成本以及煙氣中污染物的排放量。生物質中水分含量較高，影響其燃燒過程中的熱化學反應，降低爐膛內部溫度，從而降低了灰分的熔融點，增加了灰分結渣結垢的不良影響。

Ｄｅｍｉｒｂａｓ［５］對２４種生物質燃料的主要組成成分以及灰分含量進行了收集整理，為生物質能的燃燒利用提供了重要的數據和理論基礎。Ｄａｒｅ等［8］利用ＩＣＰ－ＭＳ以及ＤＴＡ／ＴＧＡ儀器對樹皮廢棄物和桉樹的燃燒特性進行了研究，其燃燒過程的主要參數包括灰分的結垢結渣程度、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。

由于生物質中揮發分含量高，生物質燃料和產生的焦炭具有高的反應活性，使其成為一種重要的優質燃料。測定含碳物質的反應活性一般采用等溫或者不等溫熱重技術，繪制失重曲線［１1－１5］。一般都有水分蒸發、干燥，揮發分的釋放，揮發分和焦油的燃燒３個階段。生物質燃料焦炭的反應活性普遍要高于煤［８］，這主要歸結于生物質焦炭的多空以及無序的碳結構，可以提高氧氣的接觸面積。

１．２生物質燃料理化特性對生物質燃燒的影響

生物質燃料的理化性質主要包括燃料密度、粒徑大小、主要元素含量、著火特性和易碎性以及熱值等［８］。與煤相比，生物質一般少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［５，7，８］。

林業廢棄物生物質Ｎ和灰分的含量較低，農業類生物質Ｎ和灰分的含量則較高。灰分的含量以及灰分中元素的組成直接影響燃燒過程中產生的結焦結垢以及灰分熔融等問題。小麥秸稈灰分中Ｋ２Ｏ和Ｃｌ的含量分別為２０．０％和３．６％［５］。熱裂解后的焦炭可以通過水洗的方式去除Ｋ和殘留的Ｃｌ。這樣可以避免因Ｋ的存在而對鍋爐造成損害。堿金屬的存在會與Ｓ和Ｃｌ反應，從而對熱化學轉換系統不利，造成熱交換器表面、汽輪機刃片的結垢和腐蝕，以及一些其他部件的損害［8］。Ｄｅｍｉｒｂａｓ［５］對煤和生物質中的理化特性進行了比較，并對２４種生物質燃料的主要元素以及灰分中的無機物的含量進行了定量分析，為生物質的混合燃燒提供了技術支撐。

生物質的密度比較低，約為５００ ｋｇ／ｍ３，粒徑較大，孔隙度較大。這些因素導致了單位質量生物質燃料的比表面積大，燃燒反應速度快等優點。盡管各種生物質間理化性質有較大差距，但是生物質的著火溫度都相對集中，一般在１７７ ℃左右［４］。

１．３運行條件對生物質燃燒的影響

Ｊｅｎｋｉｎｓ等［9］對木柴和水稻秸稈進行了生物質燃燒試驗，通過控制空燃比?準（?準＝１表示理論計算的空燃比，比值小于１表示燃料不足）可以調節ＮＯｘ的排放量。結果顯示，ＮＯｘ的生成與ＨＣ的氧化同時進行。在富燃狀態下，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轉化為ＣＯ快速反應消耗了大量的氧氣，從而使得形成ＮＯｘ所獲的氧氣量減少。另外，相關試驗研究表明，在ＨＣ燃料中增加Ｎ元素的濃度可以降低燃料中的氮向ＮＯｘ的轉化［１4］。

生物質燃燒質量與生物質中揮發分的釋放和燃燒有著重要的關系。揮發分的釋放隨著溫度的升高而加劇。因此，為了使揮發分得到充分燃燒，需要獲得足夠的氣相停留時間，以保證揮發分能夠在燃燒室內得到有效燃燒，降低未燃氣體在煙氣中的含量，提高熱效率。生物質燃料中Ｎ元素的轉移與揮發分的釋放有直接關系。７９％～９１％的Ｎ在燃料熱裂解過程中隨著揮發分進行釋放［１0］。在較低的溫度或者較短的氣相停留時間里，燃料中的Ｎ傾向于滯留在焦炭中，形成富氮焦炭，熱裂解產物揮發分Ｎ主要是ＮＨ３、ＨＣＮ和ＨＮＣＯ等。ＮＨ３氧化形成ＮＯ，并根據化學當量比和燃料中Ｎ的濃度不同，與ＮＯ和其他含Ｎ物質轉化形成Ｎ２。

燃燒爐內溫度的高低，對生物質燃燒的熱裂解以及揮發分的組分有著重要作用。高溫可以促進熱裂解過程，使生物質燃料中揮發分釋放充分［１6］。在不同的溫度范圍內，生物質所釋放的揮發分產物差異明顯。生物質燃燒過程中空氣的進入方式和流速的選擇，影響生物質的燃燒狀態，生物質流化床燃燒技術中，一次進風以及二次進風比例和流速對其燃燒效率影響明顯。隨著燃燒反應的進行，在燃燒爐上部會形成富燃狀態，缺氧易導致燃燒不充分、增加污染物排放量的可能。因此，對燃燒爐內進行二次進風調節可以有效防止富燃現象的發生，降低有害氣體的排放。調節一次進風的流速，可以在增加氧氣供應的同時，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［１4］認為盡管過量空氣可以促進反應進行和控制污染物的生成，但是必須與化學過程相結合進行合理控制，而且應該盡可能接近化學當量比，因為過量空氣系數越小，熱量損失也越少。

２生物質燃燒的動力學模型

隨著計算流體力學和研究手段的不斷發展，對生物質燃燒的研究已經不僅僅局限于試驗了。尤其是在生物質燃燒反應過程的模擬以及燃燒狀態的數值計算方面，已經有了很多報道［１2－１8］。通過物理模型和數學模型的簡化，借助ＣＦＤ軟件的相關算法，可以預測生物質燃燒反應過程和產物構成，有利于對生物質燃燒反應過程機理進行更深入的研究，并能指導生物質燃燒設備的設計，節約設計成本。

Ｆｌｅｔｃｈｅｒ等［１7］通過計算流體力學模擬流化床生物質氣化爐的流場和反應過程，用數值計算方法計算傳熱傳質過程，得出流場的狀態方程，并對流場內的生物質顆粒燃燒軌跡進行模擬。該模擬結果表明大的體積流量與燃燒速率相關聯，顆粒周圍的速度場對氣化反應過程的影響不大，停留時間對氣化過程有較大影響。因此使用雷諾應力模型和κ－ε模型對反應過程進行模擬區別很小，但不燃燒情況下的模擬結果差異比較明顯。

Ｊｏｎｅｓ等［１6］對小麥秸稈的燃燒特性進行了模擬分析，并與煤的燃燒模型進行比較。盡管秸稈燃燒的相對速率和反應階段與煤差異較大，但使用煤燃燒的脫揮發分子模型ＦＧ－ＤＶＣ可以精確地模擬生物質的脫揮發分過程。與煤相比，由于化學結構對脫揮發分過程的影響較大，導致它們的燃燒特性差異明顯。生物質脫揮發分過程更加迅速，揮發分（大部分是ＣＯ和Ｈ２）的產量更高，燃燼時間較短。

Ｅｄｇａｒｄｏ等［１8］對生物質燃燒過程產生的衍生物和氣相產物的化學動力學機理進行的研究，是生物質燃燒過程模擬中惟一考慮生物質燃燒過程產生甲醇和含氮化合物的機理研究。結果表明，該模型與試驗結果具有較好的一致性，甲醇的存在對生物質燃燒過程以及污染物排放的影響與輕碳氫化合物相似，但是也有很大的區別，因此在進行生物質燃燒模擬時，不能忽略它的作用。盡管化學動力學機理研究（ＤＣＫ）是模擬燃燒過程氣相化學的有效工具，可以預測燃燒效率和污染物的形成，但還是具有燃燒反應不清楚、化學反應級數不確定、智能計算能力有限等缺點。許多學者利用熱重微分／熱重曲線對生物質燃燒過程進行動力學模擬［7，１2－１5］。Ｊａａｋｋｏ等［１2］通過熱重曲線對生物質混合燃燒進行了數值模擬，研究了組分對混合燃燒的相互影響。Ｌｏ等［１3］利用熱重分析儀進行等溫試驗，對５８ μｍ松木屑的熱分解過程進行模擬。Ｋａｓｔａｎａｋｉ等［7］采用非等溫熱重分析對煤與生物質混合燃燒的反應活性和動力學進行研究，利用純燃料的活化能和反應級數，改變指前因子就可以對混合碳的燃燒進行模擬。混合焦炭燃燒的特性就可以通過指前因子的改變反映出來。為了更深入了解生物質燃燒中粒子的形成過程，Ｓａｎｔｉａｇｏ等［１5］研究了生物質與其他高硫燃料（如煤和焦炭）混合燃燒對顆粒物質釋放的影響，建立了生物質燃燒細微粒子的形成過程模型。

３生物質燃燒中存在的主要問題

３．１鍋爐結垢和附聚物的影響

生物質燃燒過程中會釋放大量的煙氣，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發生化學反應，形成具有腐蝕性的物質積累在散熱器或者爐壁管道上面，形成殘留物。同時由于生物質中含有水分較多，導致生物質燃燒長期處于較低的溫度范圍內，在Ｋ和Ｃｌ的催化作用下，灰分的熔融點將降低，這樣形成附聚物的可能性將大大提高。這些有害物質附著在設備管道等處，形成累積，降低了傳熱傳質效率，同時腐蝕設備，降低了設備的使用壽命，增加了維護成本。對形成鍋爐結垢和附聚物生成的控制還缺乏有效的方法，因此這已經成為生物質燃燒過程中亟待解決的技術難點［１］。

３．２有害氣體的排放

由于生物質生長環境的不同，導致生物體內發生了一些積聚現象，比如Ｋ和Ｃａ等的積聚，富含這些元素的生物質燃料進行燃燒時會產生一些化學反應，釋放出一些有害物質。在生物質燃燒過程中形成的有害物質包括顆粒物質（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，包括揮發分有機物和多環芳香烴。通過調節當量比和控制燃料中的水分含量，可以控制這類物質的生成。ＮＯｘ和ＨＣ結合的光化學反應形成臭氧，引發環境問題。顆粒物質包括煤煙灰、灰分、黏稠性氣體（焦油）以及可吸入性物質。這些都會引發人的呼吸道疾病，對身體具有很大的危害。Darvell等［１０］對控制有害氣體排放量的相關措施做了詳細的報道。

３．３堿金屬和Ｃｌ元素的影響

生物質燃料中無機物的主要成分是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［１0］通過燃料中單位產能上堿金屬氧化物的含量，即堿金屬指數（ＡＩ）來預測生物質燃燒灰分的結渣性能，ＡＩ＝ｋｇ（Ｋ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ）／ＧＪ。如果ＡＩ＞０．３４ｋｇ／ＧＪ時，則表示很可能會出現灰分結渣。而另一個指標酸比Ｒｂ／ａ（金屬氧化物／酸性氧化物）則反映灰分熔點的變化，Ｒｂ／ａ升高，則灰分熔點降低。這些都反映了生物質燃燒過程中堿金屬所產生的負面影響，因此，通過化學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垢結渣的問題。Ｓａｎｔｉａｇｏ等［１5］對實際工程和實驗室燃燒爐內殘渣的形成以及腐蝕性進行了研究，發現在相對較低的爐壁溫度下，Ｃｌ加速了鍋爐的腐蝕以及熔融殘渣的形成。對生物質燃燒過程中加入ＳＯ２氣體形成富硫狀態，可以降低粒子中Ｃｌ的含量。

4 展望

生物質能源的利用開發已經受到了越來越多的重視，在能源短缺日益嚴重的形勢下，生物質燃燒技術的應用將會變得更加廣泛，但是就目前而言，大部分燃燒設備都是采用燃煤鍋爐，缺乏有針對性的燃燒鍋爐，因此，研究專門的生物質燃燒爐將是今后生物質能利用開發的主攻方向，攻克生物質燃燒過程中出現的設備腐蝕、灰分熔融以及污染物排放控制等技術難點將成為研究熱點。

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［１6］ ＪＯＮＥＳ Ｊ Ｍ，ＰＯＵＲＫＡＳＨＡＮＩＡＮ Ｍ ，ＷＩＬＬＩＡＭＳ Ａ ，ｅｔ ａｌ． Ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｂｉｏｍａｓｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ［Ｊ］． Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ，２０００，１９（1-2）：２２９－２３４．

［１7］ ＦＬＥＴＣＨＥＲ Ｄ Ｆ， ＨＡＹＮＥＳ Ｂ Ｓ， ＣＨＲＩＳＴＯ Ｆ Ｃ，ｅｔ ａｌ． Ａ ＣＦＤ ｂａｓｅｄ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｎ ｅｎｔｒａｉｎｅｄ ｆｌｏｗ ｂｉｏｍａｓｓ gａｓｉｆｉｅｒ［Ｊ］． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ， ２０００， ２４（3）：１６５－１８２．

［１8］ ＥＤＧＡＲＤＯ Ｃ Ｚ， ＭＩＫＫＯ Ｈ． Ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｋｉｎｅｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｅｔｈａｎｏｌ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｇａｓ－ｐｈａｓｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｉｏｍａｓｓ－ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｕｅｌｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｌａｍｅ， ２００８，１５２（1-2）：１４－２７．