許艷波¹，李偉奇²，林靜¹

（1深圳市碧園環保技術有限公司，2深圳市百川檢測有限公司廣東深圳518028）

　　摘要：從使用添加劑（抗結渣劑、氧化劑、提卡劑、助燃劑）、控制適宜的工藝參數及借助先進的燃燒器等幾個方面進行分析，提高以濕地植物為原料的生物質燃料的熱值。

　　人工濕地作為一種生態治理技術，其水質凈化機理包括微生物降解、填料吸附、攔截和濕地植物的吸收，通過濕地植物的收割，濕地系統中大部分污染物被去除。但收割后濕地植物如得不到妥善處置，將會被二次污染，影響景觀并可能帶來安全隱患。濕地植物作為一種生物質資源，利用途徑包括堆肥、發酵、生物質碳化、生物質能源等方面。生物質能源作為一種可再生資源，是僅次于煤炭、石油和天然氣之后的第4大能源，在整個能源系統中占有重要地位。生物質的灰分含量低于煤，經完全燃燒，煤的灰分在10%～15%，生物質燃料的灰分小于10%，含氮量通常比煤小，特別是含硫量比煤少的多，煤的含硫量一般為0.5%～1.5%，而生物質含硫量一般小于0.4%。每消耗1t農作物秸稈就可減排CO₂1.5t，SO₂1kg^[1-3]。

　　生物質燃料的性能和其它化石類燃料對比見表1^[4]。從表1可見，生物質燃料有經濟、環保、安全等諸多優點，這是它相對于其它燃料最具有吸引力的原因所在。但其熱值最低，如將生物質燃料在保持現有性能不降低的前提下，提高其熱值，將使生物質燃料在和其它能源的市場競爭中優勢更加明顯。因此本文對如何提高生物質燃料熱值或者提高生物質燃燒過程中的燃燒效率進行研究和探討。

　　1人工濕地植物制備生物質顆粒燃料的可行性分析

　　人工濕地植物種類繁多，常用品種有香根草、美人蕉、風車草、蜘蛛蘭、花葉蘆荻、蘆葦等。其性質類似于秸稈類植物^[5]，但又不完全相同，為確認濕地植物制備生物質顆粒燃料的可行性，對植物進行了工業分析及元素分析，并根據經驗公式計算各植物相對應的熱值，結果見表2和表3。

　　揮發分是燃料是否容易燃燒的一項重要指標，根據工業分析可以看出，幾種濕地植物的揮發分都比較高，達70%以上。灰分是燃燒后的剩余物，灰分含量大，熱效率降低，會減少部分熱值。除了蜘蛛蘭的灰分到13%外，另5種植物的灰分都在10%以內，燃燒后的產物較少。從分析結果看，濕地植物的各項工業分析指標均能滿足制備顆粒燃料的要求^[6]。

　　通過植物的元素分析，根據經驗公式計算得出各植物的低位熱值中除了蘆葦較低外，其它的都超過14700kJ/kg，符合生物質顆粒燃料的標準要求^[6]。

　　2提高濕地植物類生物質顆粒燃料熱值的途徑

　　2.1改善結渣現象

　　濕地植物類顆粒燃料，其燃燒特性類似于秸稈類顆粒燃料^[5]，在燃燒過程中會產生結渣現象（如圖1），其中灰色的部分是燃料完全燃燒后的產物，黑色部分是燃料不完全燃燒后的產物，即燃料結渣。結渣降低了燃料燃燒效率，發熱量減少，影響其熱值發揮^[7，8，9]。

　　結渣原因歸結起來主要有以下2個：①灰分熔點低（1200℃）：秸稈類生物質顆粒燃料灰熔點一般低于1200℃，屬于可熔性灰，而且灰分含量較高，因此在燃燒過程中容易結渣[10]。②灰分中堿金屬氧化物含量高（K₂O，Na₂O）：秸稈灰中的堿金屬化合物（K₂O，Na₂O）與SiO₂反應生成低熔點的共晶體，熔化的共晶體流動、粘合形成結渣^{[11，12，13]}。針對以上原因，采取以下途徑改善其結渣現象，提高燃燒效率，從而使其熱值得到提高。

　　2.1.1使用抗結渣劑

　　（1）化學類方法。所謂化學類方法就是通過在秸稈中添加化學成分達到減少結渣現象的方法。可供選擇的添加劑種類較多，效果較好的有高嶺土、CaCO₃等。袁艷文^[12]等使用CaCO₃、MgCO₃、Al₂O₃等對秸稈燃燒中抗結渣效果進行了研究，結果見表4。

　　由表4可知，單看抗結渣效果，MgCO₃效果最好，結渣率為0，其次是CaCO₃，使用Al₂O₃結渣率也可以降低50%以上，但綜合考慮成本等因素，CaCO₃性價比最高。而且最重要是使用CaCO₃后，生物燃料熱值得到提高，提高幅度在420kJ/kg以上，和理論分析的結果一致。

　　南開大學的劉金鵬^[14]等人發明了一種抗結渣劑，該添加劑由氧化鈣、碳酸鈣、氧化鐵和凹凸棒石粘土混合制備而成，以一定的比例添加至秸稈生物質原料中。使用該添加劑生產得到生物質顆粒燃料，在燃燒過程中不容易發生結渣，燃燒效率提高。

　　（2）生物類方法。化學類方法添加劑添加量少，操作簡單，效果明顯，但大都在一定程度上增加了燃料成本和CO₂的排放。吉林大學的矯振偉[13]和趙子武[15]研究表明：使用75%的玉米秸稈和25%的稻殼粉制成的混合生物質顆粒燃料，可以實現不結渣。這主要是因為：稻殼粉的加入，可將顆粒燃料燃燒過程中灰的軟化溫度提高到1400℃，減小其結渣的可能性。該方法更經濟、環保，符合當前生物質燃料的發展方向。

　　2.1.2將秸稈進行預處理

　　秸稈或者濕地植物收割后放置在處置場內，經過雨水自然淋瀝，其中的K元素就會被部分沖洗掉，結渣問題會因此減輕。使用熱水對秸稈進行浸泡和洗滌，可脫出其中95%的K元素，但這樣將耗費大量能源用于加熱，和節能環保的理念背道而馳，所以并不可取。另外，在秸稈或濕地植物收割過程中，增加留在地面部分的秸稈高度，這樣可以減少混入泥沙，防止泥沙中的SiO₂和濕地植物中的堿金屬元素反應生成低熔點的共晶體，減少結渣，提高燃燒效率，進而提高燃料熱值。

　　2.1.3控制燃料顆粒密度

　　樊峰鳴[9]等人研究了固體顆粒密度對其抗結渣性能的影響，結果表明：顆粒密度小于1.05g/cm³時，燃料燃燒結渣率小于1.2%，顆粒密度大于1.05g/cm³時，燃燒時間長，爐膛溫度高，更易結渣。另一方面，在顆粒研制過程中往往期望其有更高的密度，因為高密度可以使單位體積的燃料燃燒釋放的能量增加，從而減少運輸和存儲成本，研究者可以根據實際需求，合理控制顆粒密度，在滿足燃料其它性能的同時，具有小的結渣率，從而充分發揮其熱值。

　　方法2.1.2和2.1.3均無需任何添加，只是通過優化顆粒燃料制備工藝或者調整其工藝參數來實現熱值的最大化，方法簡單，易于實現。

　　2.1.4使用技術先進的燃燒器

　　姚宗路[16]等人研制出PB-20型生物質固體顆粒燃料燃燒器，采用高效雙層燃燒筒和螺旋清灰破渣裝置，實現了三級配風，提高了燃燒效率，燃燒過程中能夠有效地將灰渣排出，實現了連續穩定燃燒，解決了秸稈顆粒燃料由于灰含量高、灰熔點低導致燃燒過程中易結渣，燃燒器易熄火、燃燒性能差等問題。這雖是一種間接的提高生物顆粒燃料熱值的方法，但從原理上看應該很有效。

　　2.2使用固體氧化劑

　　河南科技大學的研究者通過實驗研究表明：MnO₂，Fe₂O₃，KMnO₄可作為改善生物燃料燃燒性能的氧化劑，相同條件下的試驗結果見表5，由表5可見：3種氧化劑均能改善燃料的燃燒性能，使燃料趨于完全燃燒，提高了燃料的燃燒效率，其中MnO₂和Fe₂O₃效果較好。

　　這類氧化劑的不足之處是其價格較高，均大幅增加了燃料成本。因此，一種叫做M的固體氧化劑應運而生，它是由湘潭大學環境工程系的羅婕[17]、田學達等人研制而成的。生物燃料添加M和空白實驗的DTA對比曲線（圖2），曲線中的放熱峰面積對應樣品在升溫條件下的放熱量[18]，可見添加M能大大提高生物質燃燒過程的放熱量[17]。并且該氧化劑能夠再生后循環利用，與表5中氧化劑相比，當生物質燃燒性能改善程度相同時，添加M在成本上有明顯的優勢。

　　2.3使用提卡劑

　　提卡劑是一種無機固體添加劑，適用于生物質顆粒燃料、植物燃料、機制木炭。不管是大型鍋爐，還是民用爐使用這種添加劑，都可提高熱值1680～2410kJ/kg，使用量為0.3%左右，價格為5200元/t。作用機理大體上有2個方面：①減少顆粒燃料中的水分；②促使生物顆粒燃料產生可燃物，配入本添加劑后，使用效果為燃燒亮度增強，火力增大，火焰面積擴大，爐內溫度提高。

　　由于提卡劑成分未知，其燃燒產物未知，是否會給環境造成危害也未知，因此，該方法只給研究者提供了一種供參考的途徑，其實際應用效果還有待進一步驗證。

　　2.4添加助燃劑

　　國內對于煤用助燃劑的研發時間較早，且煤用助燃劑種類多樣，但是生物質燃料助燃劑的開發在近年來才逐步開始，這主要是因為生物質燃料在成型過程中，需經過摩擦、擠壓，產生大量熱量，如加入助燃劑將會在壓制過程中產生火花，甚至起火，發生危險^[19]。因此生物燃料助燃劑的研發相比于煤用助燃劑要困難很多。助燃劑的種類很多，主要介紹以下幾種^[20，21]：①（高猛酸鋅+二氧化鎂）^[22]；②（鎂菱土+硝酸鎂+氧化鎂+氧化鐵）^[23]；③（高錳酸鉀+氯酸鉀+硝酸銨+三氧化二鐵+氧化鈣+鎂粉+木炭粉末）^[24]；④（白云石粉+碳酰二胺+海泡石粉+正辛醇+凹凸棒石粘土+異辛酸鈰+納米級氧化鎂粉+高氯酸鉀+氧化錳+丙酸鈣）^[25]。

　　從上面助燃劑的成分不難看出：它們均含有高錳酸根或硝酸根等氧含量較高的成分，從而起到助燃作用，使燃料燃燒的更加充分，提高燃燒效率。另外成分中均含有Mg或者MgO，Mg的熱值為23064kJ/kg^[26]，遠高于生物質燃料的熱值約14700kJ/kg，其加入勢必會使熱值提高。

　　2.5降低顆粒物含水率

　　水分含量嚴重影響生物顆粒燃料的質量^[27]，水分可以作為顆粒燃料造粒過程中的潤滑劑粘合劑，適宜的含水率可以賦予生物顆粒燃料較好的強度和適宜的密度。含水率同樣影響生物顆粒燃料的熱值，因水分揮發需吸收熱量，有研究人員在理論上證實了這一點。安徽國禎生物質發電有限公司的李永華^[28]研究了生物質低位熱值與水分的關系，研究結果表明生物質燃料的水分含量和熱值呈負相關的關系，即水分含量越高，熱值越低，因此，適當降低生物質顆粒燃料含水率，可在一定程度上提高熱值。

　　3結束語

　　濕地植物本身固有的特性導致了其顆粒燃料燃燒熱值低的現象，本文總結了一些提高其熱值的方法，這些方法不管是抗結渣還是添加各類添加劑，其最終的目的大都是使燃料燃燒的更完全，提高其燃燒效率，進而提高燃料熱值，方法歸結起來包括以下幾個方面：

　　（1）通過添加各種添加劑，包括抗結渣劑、氧化劑、提卡劑、助燃劑等，使燃料充分燃燒，提高燃燒效率，從而提高燃料熱值。

　　（2）通過控制燃料生產過程中的工藝及工藝參數，如適宜的密度和含水率，在滿足其它性能的前提下，使燃料熱值最大化。

　　（3）借助于其它先進的設備和條件，如使用先進的燃燒器，使燃料熱值充分發揮。

　　總之，將大規模人工濕地水質凈化中的植物加工成生物質顆粒燃料，進行循環利用，可以給項目帶來可觀的經濟效益，對實現項目的節能減排目標、生態環境建設和可持續發展均有不可估量的作用和貢獻。通過現代科學技術積極主動地開發與利用生物質能源，使生物質燃料替代化石燃料成為可能，同時改善生態環境，緩解能源需求壓力，促進能源結構多元化，這將是我們追求的目標。