秸稈壓制燃料在生物質鍋爐的燃燒特性及排放控制方式

馬付明，高 威

(1.吉林石化公司動力二廠，吉林 吉林 132000；2.黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

資源與環境問題是當今時代的重大問題，資源短缺、環境污染制約著社會發展與進步，傳統能源正逐步被新型能源所取代，生物質燃料就是近年來關注度很高的一種新型燃料。農業生產產生的秸稈資源是重要的生物質燃料原材料，其具有生長范圍集中、產出量大的優勢，推進農作物秸稈資源的能源化利用，能顯著降低資源壓力，減少秸稈田間焚燒造成的環境污染。《農業農村部辦公廳關于做好2022年農作物秸稈綜合利用工作的通知》中強調：“推進秸稈變能源降碳，助力“雙碳”工作。”要求在鄉村社區、園區及公共機構等推廣“成型燃料+生物質鍋爐供熱”技術。為進一步優化秸稈成型燃料在生物質鍋爐的燃燒品質，增加資源利用率并降低排放污染，開展了專項研究。

1 技術背景

以秸稈資源為代表的生物質能是世界第4大能源類別，其能量來源是植物體中所含的葉綠體通過光合作用而吸收到植株內部的能量，其包括除化石燃料外的全部來自動植物中的可再生能源，具有儲備量大、分布廣泛、低污染排放、能夠再生的特征，生物質能源約占全球一次能源的14%。近年來，我國對農業生產的秸稈利用政策日趨完善，各地結合中央關于秸稈綜合利用的政策開展了秸稈回收補貼、作業補貼等多項激勵政策，根據我國2022年統計數據顯示，農業生產中的秸稈綜合利用率已達86%以上，秸稈利用市場主體進一步壯大，秸稈的能源化利用技術日趨成熟。以秸稈為原材料制造生物質能源，需與生物質鍋爐技術相配套，生物質能源的燃燒能滿足社會對于熱量和能源的供應需求。現階段，部分生物質鍋爐的應用仍存在一定的不足，如能源利用率低，排放中含有過量的NOX、SO2和顆粒物等污染物，針對生物質鍋爐的技術優化和燃燒特性研究還需進一步深入[1]。

2 秸稈壓制燃料的燃燒特性

2.1 成分測定與分析

秸稈壓制燃料是秸稈資源的能源化利用形式之一，其通過向秸稈中添加少量添加劑后利用高溫高壓設備將秸稈壓制成為密度更大的秸稈塊。秸稈壓制燃料能在一定程度替代傳統煤炭、木材等燃料能源，且具有可再生、重復利用特征。以農業生產中常見的玉米、小麥秸稈的壓制燃料為基礎，進行成分的工業分析，混合秸稈材料制成的壓制燃料成分如圖1所示，可見其中含量最高的為碳元素和氧元素，分別達到總成分的46%和39%，此外還包含有一定量的氫和少量的氮元素及微量的硫元素。可見秸稈壓制制造成為的生物質燃料，其特征是含氮、硫等元素比例很低，燃燒只會產生微少的NOX、SO2等有害物質，對引起空氣污染的影響不大[2]。

圖1 混合秸稈材料制成的壓制燃料成分

通過對秸稈壓制燃料進行成分測定，秸稈壓塊處理后其平均含水率低于3%，表示具有良好的易燃性和燃燒生熱能力。經過燃燒測定后，秸稈壓制燃料的灰分僅為4%～6%，表明不可燃燒的成分較少，燃燒后廢棄物不多。由于混合秸稈壓塊制造的燃料含碳量為46%左右，與煤炭的含碳量(75%～90%)相比明顯偏低，而碳元素的含量與燃燒產生的熱量直接相關，因此，秸稈壓制燃料燃燒產生的熱量比煤炭低很多，但同時，由于其內部含有的氮元素、硫元素與煤炭相比明顯更低，其燃燒產生的污染很少。

2.2 燃燒過程特性測定

按照生物質燃料的綜合特征，其燃燒過程通常包括四個階段：第一階段散失內部水分，第二階段壓制燃料開始熱分解，第三階段燃料開始燃燒，第四階段穩定燃燒生熱。經過對四個燃燒階段進行溫度測試與統計，可見秸稈壓制燃料在各個階段可產生的最高溫度如圖2所示。

圖2 秸稈壓制燃料各燃燒階段的最高熱值

在燃燒過程中，第一階段和第二階段平均質量損失較少，第三階段平均質量損失最高，達到總質量的50%以上，第四階段穩定燃燒，熱量升高，但持續時間較短。總體來說，與煤炭相對比，煤炭穩定燃燒其平均溫度可達550～700 ℃，而秸稈壓制燃料的產熱能力相對較低。

2.3 燃燒過程中可能產生的有害物質

秸稈壓制燃料作為生物質燃料的一種，其內部能量來源于農作物生長過程光合作用吸收的二氧化碳，通過將二氧化碳轉換成為有機物存于植株內部作為能量，在生物質鍋爐內燃燒過程又將內部的有機物分解成為二氧化碳釋放出來，本質上講不會對空氣中的二氧化碳含量造成明顯影響。從秸稈壓制燃料的成分來看，與煤炭等礦物質燃料相比，秸稈壓制燃料因成分較為簡單，有害礦物質少，燃燒過程污染相對較輕，主要污染物僅為NOX，且產生量較少。在實際應用過程中，秸稈壓制燃料在生物質鍋爐中的燃燒還會受到環境因素、鍋爐技術先進性、人員操作規范性等因素影響，導致產生過量污染物。導致燃燒后污染物增多的原因包括：一是秸稈壓制燃料制作工藝不合格，原材料中混有大量的雜質，如泥土、碎石、金屬碎屑等，可能導致燃燒過程產生不可控的污染物，同時，若秸稈壓制過程使用的添加劑不合格，也會造成燃燒過程產生其他污染物；二是鍋爐燃燒效率不足，若秸稈壓制燃料燃燒條件不充分，如氧氣不足、空氣循環不佳等，可能導致燃燒不充分，產生過量CO及粉塵；三是缺少排氣處理機構，導致燃燒后的有害物質直接進入大氣層。總體來說，秸稈壓制燃料在不理想的環境燃燒會產生超過理想狀態的污染物量，此時產生的污染物包括NOX、CO、S02、PMl0、PM2.5等，此類污染物混合在空氣中，在陽光照射下發生化學反應，可能引起臭氧層破壞等嚴重問題[3]。

3 生物質鍋爐燃燒排放性能優化

3.1 排放標準要求

根據我國環保管理部門環辦函〔2009〕797號結合吉林(DB22/T 2581—2020)、天津(DB12/T 765—2018)等地近年來對生物質鍋爐的排放標準要求，生物質鍋爐排放要求日趨嚴格，整合各地的排放標準，目前生物質鍋爐排放應滿足的合理標準如表1所示。

表1 生物質鍋爐主要污染物排放上限

3.2 降低排放污染物的方法

在生物質鍋爐保持優質燃燒性能的前提下，還可采取針對性措施降低主要污染物燃燒后的生成量，使生物質鍋爐的燃燒產物更加綠色環保。

3.2.1 NOX排放控制

NOX燃燒后的排放量主要可通過以下幾種方式進行控制，一是優化燃燒條件，可利用自動控制技術調節空氣供給量，使燃燒過程分為低氧燃燒和富氧燃燒兩階段，低氧燃燒空氣供給量接近燃燒的理想狀態，此時產生的NOX量很少，但也會產生較多的不完全燃燒現象，然后通過富氧燃燒階段將碳化物充分燃燒釋放熱量，此種方式成本較低，但燃燒效率也隨之降低；二是催化還原技術，是指在特定的燃燒溫度和催化劑作用下減少NOX的生成量，常用的催化劑包括NH3、液氨、尿素等，催化劑加入后可將燃燒生成的NOX轉化成為N2和H2O。此外，還可通過生物質活性炭、臭氧氧化脫硝等技術減少NOX排放[4-5]。

3.2.2 SO2排放控制

SO2排放主要通過脫硫技術控制，隨著鍋爐技術的發展，近年來傳統鍋爐和生物質鍋爐在脫硫技術上都實現了升級，傳統的脫硫技術主要依靠石灰作為主原料制造成為脫硫劑，當燃燒產生的SO2進入脫硫裝置后，會與石灰中的鈣元素發生氧化還原反應，生成CaSOX，有效減少SO2進入的量。但該類技術存在脫硫劑使用時間短，使用時間長后脫硫能力下降，產生廢水、廢物需處理等問題。近年來，新型脫硫技術得到更多應用，例如利用氣液耦合器進行脫硫，氧化還原反應更徹底，使用壽命更長，使脫硫效率和結構壽命均延長近1倍。同時，該設備的維護保養更為便捷，環保性更好。

3.2.3 顆粒物排放控制

秸稈壓制燃料在生物質鍋爐燃燒，會因為燃燒條件不理想導致出現不完全燃燒或燃燒產物在熱反應下生成顆粒物，盡管生物質鍋爐燃燒秸稈壓制燃料等生物質能源的顆粒物排放量僅為傳統鍋爐燃燒煤炭的25%～30%，但其生成的顆粒物以PM2.5為主，PMl0相對較少，根據我國《GB 13271-014鍋爐大氣污染物排放標準》，應該為生物質鍋爐配備有效的顆粒物處理設備，降低顆粒物排放進入大氣的比例。傳統的顆粒物排放控制技術為布袋除塵器技術，既具有較高的除塵效率，且配套成本較低，但長時間使用容易因高溫、雨雪等腐蝕而破損，維修和更換頻率較高；隨著生物質鍋爐技術優化，新型的氣旋串聯除塵設備逐漸被推廣應用，不僅能有效去除粉塵，且安裝、更換、維護保養都相對容易，適合在新型鍋爐上普及。

3.2.4 煙氣黑度控制

煙氣黑度主要通過改善燃燒條件進行控制，應主要從兩方面對生物質鍋爐進行升級，一是優化鍋爐自動控制系統，實現秸稈壓制燃料與空氣供給的科學匹配；二是優化鍋爐硬件配套，利用傳感器檢測排氣質量，增設煙氣回收二次燃燒功能，以提高碳化物的燃燒率。

4 結語

生物質資源的高效利用已成為時代的必然需求，以秸稈作為基料制造的生物制燃料具有低污染、可再生、成本低等多種優點，應通過生產實踐與科學技術相融合，不斷提升秸稈壓制燃料在生物質鍋爐中的燃燒質量，在提高熱源利用的同時，降低燃燒產生的環境污染，實現能源利用的綠色可持續。