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王在釗1，余偉2，王雪3，徐佰青4
（1.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司青島卷煙廠能源動力處，山東青島266000；2.中韓（武漢）石油化工有限公司安全環(huán)保部，湖北武漢430082；3.山東京青農(nóng)業(yè)科技有限公司，山東濰坊261000；4.中國石油化工股份有限公司大連石油化工研究院，遼寧大連116045）
摘要：生物質(zhì)顆粒燃燒具有產(chǎn)量大、污染小、CO2零排放及可再生等優(yōu)點。論述了生物質(zhì)顆粒燃料燃燒鍋爐的使用及其污染物的釋放情況，總結(jié)了生物質(zhì)燃燒鍋爐國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，對鍋爐實際運行中的問題提出可行性建議，同時展望了未來生物質(zhì)燃燒鍋爐的發(fā)展前景。
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，石油等化石能源消耗不斷加劇，面對日益短缺的不可再生能源，生物質(zhì)能作為一種可再生資源越來越受到人們的關(guān)注。生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能的形式存儲于生物中的一種可再生資源[1-2]。
生物質(zhì)燃料利用前一般需要加工成型，生物質(zhì)成型燃料的應(yīng)用，一方面可以將農(nóng)業(yè)廢棄物變廢為寶，避免了資源浪費；另一方面可以有效緩解農(nóng)業(yè)秸稈焚燒造成的空氣污染[3-4]。而生物質(zhì)顆粒燃料是生物質(zhì)成型燃料的一種，生物質(zhì)顆粒燃料需要經(jīng)過一定壓力及溫度的作用，加入木質(zhì)素作為黏合劑，將松散的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)材料，如樹枝、秸稈及木屑等壓實成為成型的顆粒狀燃料。中質(zhì)煙煤的能量密度基本與生物質(zhì)顆粒燃料相當(dāng)，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時能夠?qū)崿F(xiàn)一氧化碳的基本零排放，同時排放的硫氧化物及氮氧化物較煤低很多，且排放的顆粒物也很低[5]。較化石燃料相比，生物質(zhì)燃料是較為清潔的能源，但其燃燒產(chǎn)物CH4、SO2、NOx、NH3、EC、OC、NMVOC、CO、CO2、TSP、PM10、PM2.5等[6]，均會對環(huán)境產(chǎn)生影響。
生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒受多種因素的影響，同時也會造成燃燒效率的低下，影響燃燒的產(chǎn)物，本文就燃燒鍋爐及煙氣排放，介紹了燃燒鍋爐的設(shè)計和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及煙氣的釋放規(guī)律，并結(jié)合國內(nèi)鍋爐的研究狀態(tài)，提出今后鍋爐的發(fā)展方向。
1生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐
1.1燃燒階段與鍋爐設(shè)計
生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒分為4個階段，第一階段為燃料在燃燒之前的預(yù)熱；其次隨著溫度的上升，燃料中的水分逐漸揮發(fā)析出，即干燥階段；接著燃料著火燃燒，揮發(fā)分開始析出；最后為燃料中的固定碳燃燒，即焦炭燃燒階段[7]。整個過程可分為預(yù)熱、干燥及揮發(fā)分析出的吸熱階段和放熱階段[8]。
鍋爐的設(shè)計與生物質(zhì)燃燒過程有關(guān)，首先是燃燒時的溫度，燃燒時的溫度與多個因素有關(guān)，例如燃燒設(shè)備、環(huán)境變化、燃料的成分及種類等均對鍋爐的設(shè)計參數(shù)有影響，而燃燒過程中的吸放熱反應(yīng)決定了實際的燃燒溫度，燃燒溫度不僅影響鍋爐的正常運行，同時影響燃燒的產(chǎn)物，因此鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮溫度控制，可利用燃燒過程中的吸熱反應(yīng)降低爐膛溫度，從而防止溫度過高使得爐膛結(jié)渣[9]；燃燒所需空氣量會影響鍋爐的設(shè)計，因為空氣中的氧氣會與燃料中的C和H發(fā)生反應(yīng)，從而放出熱量；生物質(zhì)顆粒燃燒鍋爐在設(shè)計過程中還需考慮排煙量的影響，因此計算排煙量就尤為關(guān)鍵。影響生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時排煙量的因素有3種，分別為燃料的水分含量、元素組成及空氣過量系數(shù)，排煙量溫度隨著爐膛中的排煙熱損失增大而增大，因此兩者成正比關(guān)系。影響生物質(zhì)顆粒燃料充分燃燒的因素包括燃燒溫度、燃燒所需空氣量以及排煙量。由于參與吸放熱反應(yīng)的生物質(zhì)燃料均不是直接接觸，因而生物質(zhì)燃料吸收的熱量僅可以由火焰的輻射以及爐膛的內(nèi)壁獲得。所以，不同水分含量的生物質(zhì)燃料，對燃燒設(shè)備也有不同的要求，當(dāng)生物質(zhì)燃料水分含量大時，需要較多的熱量以保證吸熱反應(yīng)順利進(jìn)行，因此爐膛內(nèi)壁的溫度要維持在較高的水平；當(dāng)燃料水分含量小時要對爐膛內(nèi)壁溫度進(jìn)行冷卻，以防止?fàn)t膛內(nèi)壁結(jié)渣。
1.2鍋爐國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
典型的生物質(zhì)鍋爐由進(jìn)料系統(tǒng)、燃燒室、配風(fēng)系統(tǒng)、點火系統(tǒng)及排渣（清灰）系統(tǒng)等部分組成，除此之外，還需要自動控制系統(tǒng)及配備料倉，鍋爐才能夠正常運行。生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒效率可以通過生物質(zhì)燃燒鍋爐提高[10]，且可以降低污染物質(zhì)的排放，因此在國內(nèi)外得到了廣泛的研究。
20世紀(jì)80年代，國外生物質(zhì)顆粒燃燒鍋爐開始應(yīng)用，而到了20世紀(jì)90年代后期，歐洲的部分國家，如奧地利、瑞典及丹麥等才開始獲得市場份額[11]。目前在日本、德國和美國等國也受到了很大關(guān)注。這些國家的生物質(zhì)燃燒鍋爐專業(yè)化程度及操作自動化程度較高，加工工藝也相對合理，同時還兼具排煙污染小及熱效率高的優(yōu)點[12]。但相對于我國的生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐也存在諸多缺點，如電耗高及價格高昂、使用燃料的品種較為單一，因而不適合引入國內(nèi)。
近年來，我國關(guān)于生物質(zhì)顆粒燃燒鍋爐的研究較多。趙建紅[13]研究了生物質(zhì)顆粒懸浮燃燒鍋爐，通過對鍋爐燃燒室進(jìn)行改進(jìn)，減少了鍋爐結(jié)渣及氮氧化物的生成。李亞猛[14]等研究了一種生物質(zhì)顆粒直燃爐灶，該爐灶運行較好，煙氣排放指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。江華[15]等通過對燃煤鍋爐進(jìn)行改造，改變鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)及爐膛系統(tǒng)，增加煙氣在爐膛停留時間，進(jìn)而改用生物質(zhì)顆粒燃料，提高了燃料的熱效率。
2燃燒鍋爐煙氣排放
2.1燃料類型與煙氣排放
污染物的排放與生物質(zhì)顆粒燃料的種類有關(guān)，生物質(zhì)顆粒燃料不同，往往其燃燒后產(chǎn)生的污染物也不同。任敏娜[16]等對8種不同的生物質(zhì)燃料進(jìn)行燃燒分析，結(jié)果得出，8種不同的燃料由于水分、揮發(fā)分及灰分各不相同，而燃燒時其著火溫度不同，燃燒后焦渣排出也不同，因此其燃燒產(chǎn)物也不同。KRUGLY[17]等對5種農(nóng)業(yè)殘渣制成的生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行測試，結(jié)果得出，污泥顆粒燃料是污染性最嚴(yán)重的燃料（硫化物、氮氧化物、PM及PAH），同時，由于CO和PAH排放濃度增加，污泥顆粒燃料和向日葵桿顆粒燃料不適合在小型的顆粒燃燒鍋爐中燃燒。QIU[18]等測試了木質(zhì)顆粒、芒草和稻草顆粒的生物質(zhì)燃料，通過二次空氣供應(yīng)，減少了污染物質(zhì)的排放，最終表明，木質(zhì)顆粒燃燒后較另外兩種燃料燃燒產(chǎn)生的PM濃度低，且PM粒徑大，對人體產(chǎn)生的危害小，同時木質(zhì)顆粒燃燒后成型，不會阻礙后續(xù)的燃燒。不同的研究結(jié)果表明，生物質(zhì)顆粒的類型與污染物的排放相關(guān)性很強。
2.2生物質(zhì)鍋爐的利用與煙氣排放
生物質(zhì)燃燒鍋爐作為生物質(zhì)燃料的燃燒器可以起到減少生物質(zhì)燃料燃燒污染物排放的作用，雖然生物質(zhì)燃料作為一種清潔能源被廣泛應(yīng)用，但不科學(xué)的燃燒往往會造成嚴(yán)重的污染。張宜升[19]等通過煙塵罩稀釋通道采樣系統(tǒng)，研究了幾種生物質(zhì)燃料家庭爐灶燃燒并與其露天焚燒進(jìn)行對比，實驗結(jié)果得出，露天焚燒的PAHs排放因子均大于家庭爐灶燃燒的排放。這可以看出利用生物質(zhì)燃燒鍋爐燃燒，從一定程度上能夠降低污染物的排放。SHEN[20]等通過對比秸稈顆粒燃料在小型生物質(zhì)燃燒鍋爐與普通爐灶中燃燒時的污染物的釋放情況，結(jié)果得出，顆粒燃料在小型生物質(zhì)鍋爐中燃燒時，基本不產(chǎn)生黑煙，而在爐灶中燃燒時產(chǎn)生的黑煙較多，而污染物的排放因子也同樣是爐灶中的高于燃燒鍋爐的。這可以看出生物質(zhì)燃燒鍋爐的應(yīng)用能夠顯著降低污染物的排放量。
燃燒鍋爐與污染物的排放密切相關(guān)，趙光興[21]等對燃煤鍋爐進(jìn)行改進(jìn)，通過采用鏈條爐排、抬高爐膛、增加二次進(jìn)風(fēng)、安裝水平出渣機等一系列措施，改進(jìn)后的鍋爐燃用生物質(zhì)顆粒燃料，測試結(jié)果表明，改進(jìn)措施解決了空氣系數(shù)過高問題的同時，大大降低了顆粒物、硫化物及氮氧化物的排放。LILLIEBLAD[22]等研究了移動爐排鍋爐的鍋爐負(fù)荷對顆粒物排放的影響，結(jié)果得出，對亞微米級尺寸的顆粒排放的質(zhì)量濃度，鍋爐負(fù)荷對其影響很小；但隨著鍋爐負(fù)荷的增加，總顆粒物濃度呈上升的趨勢，但總顆粒物的尺寸減小。LIU[23]等研究了控制通入空氣進(jìn)行分級來減少氮氧化物的排放，結(jié)果表明，即使是在小型的家用生物質(zhì)鍋爐中燃燒，空氣分級可以使得燃燒中產(chǎn)生的氮氧化物還原，從而減少最終污染物中氮氧化物的排放，同時，鍋爐上方二次空氣入口的高度也會對NOx和CO的排放產(chǎn)生影響，但最終產(chǎn)物中CO和NOx兩者之間的排出量需作出權(quán)衡。SARTOR[24]等構(gòu)建了中型生物質(zhì)燃燒鍋爐的模型，通過減小空氣過剩系數(shù)和利用煙氣再循環(huán)技術(shù)兩種方法，驗證了該方法對氮氧化物和硫氧化物產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明，這兩種方法的同時應(yīng)用可以顯著降低氮氧化物和硫氧化物的排放。蘇俊林[25]等研制了一款集生物質(zhì)顆粒燃料氣化、燃燒及傳熱為一體的新型鍋爐，該鍋爐的燃燒部為三室結(jié)構(gòu)，實踐表明，該復(fù)合鍋爐具有高效節(jié)能、排污少、結(jié)構(gòu)新穎、輸出功率大及使用方便等特點。
生物質(zhì)鍋爐的燃燒與污染物的排放有關(guān)，可以采用多種方式降低污染物的排放，例如采用空氣分級、適當(dāng)提高二次空氣供應(yīng)口的高度、選用與燃料類型相符的鍋爐、降低空氣過剩系數(shù)等。
3燃燒鍋爐運行管理
生物質(zhì)燃燒鍋爐的運行與維護(hù)對生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒效率具有重要的影響，因為燃燒效率和熱效率是衡量鍋爐運行質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)水平的重要參數(shù)[26]。提升鍋爐的熱效率，就可以提升經(jīng)濟(jì)效益，同時也可以提高節(jié)能水平。通過提升鍋爐的熱效率，以降低鍋爐能耗、提高鍋爐節(jié)能水平，具體應(yīng)做到如下幾個方面：
1）確保鍋爐密閉性能良好，最大程度減小鍋爐漏風(fēng)情況的發(fā)生。
2）要加快設(shè)備的技術(shù)改造，主要針對燃燒設(shè)備，從而改善燃燒的狀態(tài)，以提高燃燒性能。
3）最大程度減小爐膛出口過量空氣系數(shù)，盡可能確保燃燒時氧含量最低，減小爐膛的漏風(fēng)程度，以確保爐膛中環(huán)境為負(fù)壓狀態(tài)。
4）保持鍋爐內(nèi)部清潔，定期清理爐渣，尤其是受熱面的污物，以提升鍋爐內(nèi)的傳熱效率。另外要處理好鍋爐用水，做好水質(zhì)化驗監(jiān)測，從而減緩污垢產(chǎn)生速率[27]。
5）要將輔助設(shè)備的運行狀態(tài)調(diào)整至最佳，如保證水泵及風(fēng)機的運行效率，降低輔助設(shè)備的能耗水平，提升鍋爐機組的凈效率。
6）實行目標(biāo)管理，結(jié)合工作實際確定目標(biāo)，確立合理的消費定額，將班組績效與鍋爐運行的經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)聯(lián)。
同時受熱面盡量采用較大的管間距，順列布置，可以有效降低煙氣的流動速度[28]，從而能夠保證煙氣的良好流通，有效地降低煙氣對管道的磨損，減少了管壁的結(jié)渣和積灰，可以大大提高了對流受熱面的使用壽命。為了防止燒結(jié)腐蝕和積灰結(jié)渣，可在生物質(zhì)燃料中添加煤炭或泥炭、管道材料使用具有抗腐蝕功能的富鉻鋼材或者鍍鉻、蒸汽溫度盡可能低等[29]。
4結(jié)論及展望
近些年來，我國雖然在生物質(zhì)燃燒利用上取得了較大的進(jìn)步，但相對發(fā)達(dá)國家而言，無論技術(shù)上還是應(yīng)用上仍然存在較大差距。一方面各大科研院校要繼續(xù)積極研究高效的燃燒技術(shù)，另一方面政府有關(guān)部門要制定優(yōu)惠政策，促進(jìn)建立起生物質(zhì)燃料的收集、處理及交易體系，這樣將對我國社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展起到重大影響。而生物質(zhì)鍋爐的出現(xiàn)正好符合我國資源節(jié)約及可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，緩解了我國資源短缺的部分問題，為我國的環(huán)境保護(hù)做出了貢獻(xiàn)。生物質(zhì)燃燒鍋爐有其獨特的優(yōu)點，應(yīng)該利用其優(yōu)點，將其燃燒效率提到最大。
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