生物質免成型燃燒方式探討

席禮　席新穎　楊晶

摘要：為了應對氣候變化、環境保護和有限資源的嚴峻挑戰，能源的轉型發展勢在必行。文章以農作物秸稈為原料，通過對生物質免成型燃燒裝置進行分析，從而為探索生物質能有效燃燒利用提供一種思路。

關鍵詞：生物質能；免成型燃燒方式；燃燒特性；免成型設計；農作物秸稈 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK16 文章編號：1009-2374（2015）31-0098-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.049

1 概述

隨著經濟的發展和社會的進步，人們對能源的需求日益增長，在創造繁榮的同時，也加劇了以煤為主要能源的消耗，為了應對氣候變化、環境保護和有限資源的嚴峻挑戰，能源的轉型發展勢在必行，而發展低碳經濟，建設以低碳為主的社會，以低碳為基礎的可持續發展，顯然已經是中國未來建設的方向。

生物質能源資源豐富、品種多樣，其具有揮發性高、炭活性高、N和S含量低、灰分低、生命周期內燃燒過程CO2零排放等特點，特別適合燃燒轉化利用，是一種優質燃料。與化石能源相比，具有可再生性和低污染的優勢，已成為當前新能源轉型發展方向之一。

生物質能主要通過直接燃燒、氣化、液化和厭氧發酵加以利用。我國作為農業大國，每年生物質秸稈產量大，但是人們對秸稈作為能源再利用意識薄弱，存在秸稈就地燃燒產生的殘渣可以增加土地肥力等思想觀念，秸稈往往成為污染大氣環境的一種污染物來源，不能有效、合理地利用，以挖掘生物質能最大的潛力。本文以朔州農村地區農作物廢棄秸稈為生物質原料，通過對本人設計的生物質免成型燃燒裝置分析，從而為探索生物質能有效燃燒利用提供一種思路。

2 生物質燃料的燃燒特點

生物質燃料的燃燒過程是強烈的化學反應過程，又是燃料和空氣間的傳熱、傳質過程。可分作：預熱（水分蒸發）、分解（揮發分析出）、揮發分燃燒、焦炭（固定碳）燃燒、燃盡等過程。各階段燃燒特點如下：

2.1 預熱階段

此階段為預熱干燥過程，由于生物質含水量較多，燃料在熱輻射的作用下，表面溫度逐漸升高，水分隨著溫度的升高被蒸發出來，此階段的干燥時間決定于生物質的含水量，此過程將產生較大體積的煙氣，熱損失

較高。

2.2 分解階段

此階段生物質內部組分包括半纖維素、纖維素和木質素隨著溫度的繼續升高開始分解揮發。

2.3 揮發分燃燒階段

揮發出來的有機物隨著溫度升高與氧氣發生劇烈化學反應，釋放出大量熱能。

2.4 焦炭（固定碳）燃燒階段

當達到一定溫度，生物質燃料內的固定碳與氧氣發生反應，進一步加速燃燒釋放熱能。

2.5 焦炭（固定碳）燃盡階段

隨著焦炭的燃燒，灰分逐漸產生，直至把剩余焦炭包裹起來，阻礙空氣擴散，從而妨礙焦炭繼續燃燒，降低了燃燒的速度。

3 生物質能優勢

生物質燃料作為一種新型的燃料，以其特有的優勢在各個經濟領域贏得了廣泛的認可，與傳統的燃料相比，不僅環保經濟，而且取之不盡、用之不竭，是可再生能源。與其他新能源，如風能、太陽能等相比，生物質能源不僅可以像風能、太陽能等用于發電、加熱，也可以制成產品，可以提煉和生產各種燃料產品，常見的有沼氣、酒精、生物柴油、壓縮固體燃料等，其產品的多樣性也是生物質能的獨特優勢。

傳統生物質直燃技術投入成本高、能源利用率低、規模較小，雖然可以滿足人們基本的生活需求，但燃燒產生的大量煙氣和灰渣，因為農村分布零散，不能有效集中治理，給環境帶來很大的壓力。

隨著社會的進步、科技的不斷發展，現代化的燃燒技術應運而生，例如在工業過程、區域供熱、發電及熱電聯產領域。

生物質經過深加工后，燃料發熱量和朔州本地開采出的未經洗選的煤炭發熱量相比，基本相當，發熱量在3900～4800千卡/kg左右，而經炭化后，生物質能的發熱量可高達7000～8000千卡/kg，基本達到優質煤種的發熱量。另外，生物質燃料相對于煤炭，衛生清潔，不含煤矸石之類的雜質，燃燒產生的有害氣體成分含量以及排放的有害氣體少，而且投料方便，工人的勞動強度和勞動環境得到了很大的提高。除此之外，生物質燃料燃燒產生的灰渣相對于煤渣產生量少，而且產生的灰燼富含農作物所需的養分，可以當肥料直接使用，這是生物質燃料獨特的，也是其他新能源不能比擬的優勢。

4 以秸稈為原料的特性

在我國，由于農村分布范圍廣泛，經濟發展差異性大，相對配套基礎設施落后，多數農村能源用能結構雖然發生了一定的變化，但以廢棄農作物為主的生物質能源仍是農村生活中的主要能源，并且這種狀態在今后相當長的時期內將不會發生質的變化，尤其是經濟落后的山區，生物質能仍然是農民炊事、取暖的主要生活能源。本項目選用朔州周邊地區常見的玉米秸稈為原料，測定了秸稈主要組分及元素含量，詳見表1：

通過表1，可以表明秸稈富含氧，硫含量相對較少，在提高燃燒速率的同時，減少了燃燒產生的大氣污染物二氧化硫的排放。

5 生物質免成型燃燒分析

本次研究利用本人設計了一種生物質免成型燃燒裝置（ZL201220439563.7）：將生物質燃料玉米秸稈粉碎成塊徑0～40mm左右的碎料，通過螺旋絞料機將碎料輸送進風料混合倉，在風料混合倉的側體上有通向其內部的外部風，外部風為高溫熱風。

本裝置在使用時，通入風料混合倉中的熱風將進入風料混合倉中的生物質高速吹起旋動再進入鍋爐進行燃燒。此過程一方面有助于干燥生物質，減少其含水量，提高燃料質量；另一方面提供充足的氧氣，在保證鍋爐安全經濟運行的前提下，使燃料充分燃燒和燃盡。

由于破碎后的秸稈燃料密度小，結構相對石化燃料松散，再加上秸稈主要以揮發分為主，在燃料燃盡生成灰渣的同時，揮發分大部分洗出形成疏松的焦炭進入高溫煙氣，因而需先通過對受熱面降溫，降低通風速率，再進行除塵外排。

通過燃燒試驗可以看出，秸稈燃料隨著溫度的升高，在達到燃點前為吸熱過程，而到著火溫度后，釋放大量熱能，此過程為放熱過程。

由此可以得出，秸稈燃燒過程是一個先吸熱再放熱的反應，可以通過調節燃料量、輸送頻率、風量，達到對燃燒控制的目的。具體燃燒性能見表2：

通過表2得知，此種裝置操作簡單，升溫速度較快，熱效率顯著，同時在實驗中發現生物質在燃燒過程中，在燃燒設備受熱面上沉積的飛灰，因呈堿性而造成粘結腐蝕設備。另外，生物質成型燃料的灰熔點較低，燃燒過程容易結渣。

6 生物質燃燒展望

生物質作為一種可再生能源被認為是今后世界的第四大能源，歷經近20年的生物質能發展，我國取得了長足的進步，但是與世界先進生物能源利用技術相比差距還很大，普遍存在著能源利用率較低、能耗過高、設備磨損嚴重和使用壽命短等問題，而我國作為一個農作物種植豐富的國家，生物質能源在分布和蘊藏方面有著天然優勢，這些生物質資源來源于農村、發展于農村，因此，本文以玉米秸稈為例，通過對生物質免成型燃燒裝置的探討，為今后生物質能利用提供了一種新思路。此項專利技術的應用，必將為今后生物質能的利用提供可靠的技術支持，特別是對于沒有條件使用生物質成型燃料的廣大農村可廣泛推廣。在不久的將來，生物質能的深入研究與發展，必將成為中國社會未來能源發展的主導方向。

參考文獻

[1] 肖軍，段菁春，王華，等.生物質利用現狀[J].安全與環境工程，2003，10（1）.

[2] 萬仁新.生物質工程[M].北京：中國農業出版社，1992.

作者簡介：席禮（1966-），男，山西朔州人，山西榮申達科技有限公司工程師。

（責任編輯：黃銀芳）endprint