生物质免成型燃烧方式探讨

席礼　席新颖　杨晶

摘要：为了应对气候变化、环境保护和有限资源的严峻挑战，能源的转型发展势在必行。文章以农作物秸秆为原料，通过对生物质免成型燃烧装置进行分析，从而为探索生物质能有效燃烧利用提供一种思路。

关键词：生物质能；免成型燃烧方式；燃烧特性；免成型设计；农作物秸秆 文献标识码：A

中图分类号：TK16 文章编号：1009-2374（2015）31-0098-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.049

1 概述

随着经济的发展和社会的进步，人们对能源的需求日益增长，在创造繁荣的同时，也加剧了以煤为主要能源的消耗，为了应对气候变化、环境保护和有限资源的严峻挑战，能源的转型发展势在必行，而发展低碳经济，建设以低碳为主的社会，以低碳为基础的可持续发展，显然已经是中国未来建设的方向。

生物质能源资源丰富、品种多样，其具有挥发性高、炭活性高、N和S含量低、灰分低、生命周期内燃烧过程CO2零排放等特点，特别适合燃烧转化利用，是一种优质燃料。与化石能源相比，具有可再生性和低污染的优势，已成为当前新能源转型发展方向之一。

生物质能主要通过直接燃烧、气化、液化和厌氧发酵加以利用。我国作为农业大国，每年生物质秸秆产量大，但是人们对秸秆作为能源再利用意识薄弱，存在秸秆就地燃烧产生的残渣可以增加土地肥力等思想观念，秸秆往往成为污染大气环境的一种污染物来源，不能有效、合理地利用，以挖掘生物质能最大的潜力。本文以朔州农村地区农作物废弃秸秆为生物质原料，通过对本人设计的生物质免成型燃烧装置分析，从而为探索生物质能有效燃烧利用提供一种思路。

2 生物质燃料的燃烧特点

生物质燃料的燃烧过程是强烈的化学反应过程，又是燃料和空气间的传热、传质过程。可分作：预热（水分蒸发）、分解（挥发分析出）、挥发分燃烧、焦炭（固定碳）燃烧、燃尽等过程。各阶段燃烧特点如下：

2.1 预热阶段

此阶段为预热干燥过程，由于生物质含水量较多，燃料在热辐射的作用下，表面温度逐渐升高，水分随着温度的升高被蒸发出来，此阶段的干燥时间决定于生物质的含水量，此过程将产生较大体积的烟气，热损失

较高。

2.2 分解阶段

此阶段生物质内部组分包括半纤维素、纤维素和木质素随着温度的继续升高开始分解挥发。

2.3 挥发分燃烧阶段

挥发出来的有机物随着温度升高与氧气发生剧烈化学反应，释放出大量热能。

2.4 焦炭（固定碳）燃烧阶段

当达到一定温度，生物质燃料内的固定碳与氧气发生反应，进一步加速燃烧释放热能。

2.5 焦炭（固定碳）燃尽阶段

随着焦炭的燃烧，灰分逐渐产生，直至把剩余焦炭包裹起来，阻碍空气扩散，从而妨碍焦炭继续燃烧，降低了燃烧的速度。

3 生物质能优势

生物质燃料作为一种新型的燃料，以其特有的优势在各个经济领域赢得了广泛的认可，与传统的燃料相比，不仅环保经济，而且取之不尽、用之不竭，是可再生能源。与其他新能源，如风能、太阳能等相比，生物质能源不仅可以像风能、太阳能等用于发电、加热，也可以制成产品，可以提炼和生产各种燃料产品，常见的有沼气、酒精、生物柴油、压缩固体燃料等，其产品的多样性也是生物质能的独特优势。

传统生物质直燃技术投入成本高、能源利用率低、规模较小，虽然可以满足人们基本的生活需求，但燃烧产生的大量烟气和灰渣，因为农村分布零散，不能有效集中治理，给环境带来很大的压力。

随着社会的进步、科技的不断发展，现代化的燃烧技术应运而生，例如在工业过程、区域供热、发电及热电联产领域。

生物质经过深加工后，燃料发热量和朔州本地开采出的未经洗选的煤炭发热量相比，基本相当，发热量在3900～4800千卡/kg左右，而经炭化后，生物质能的发热量可高达7000～8000千卡/kg，基本达到优质煤种的发热量。另外，生物质燃料相对于煤炭，卫生清洁，不含煤矸石之类的杂质，燃烧产生的有害气体成分含量以及排放的有害气体少，而且投料方便，工人的劳动强度和劳动环境得到了很大的提高。除此之外，生物质燃料燃烧产生的灰渣相对于煤渣产生量少，而且产生的灰烬富含农作物所需的养分，可以当肥料直接使用，这是生物质燃料独特的，也是其他新能源不能比拟的优势。

4 以秸秆为原料的特性

在我国，由于农村分布范围广泛，经济发展差异性大，相对配套基础设施落后，多数农村能源用能结构虽然发生了一定的变化，但以废弃农作物为主的生物质能源仍是农村生活中的主要能源，并且这种状态在今后相当长的时期内将不会发生质的变化，尤其是经济落后的山区，生物质能仍然是农民炊事、取暖的主要生活能源。本项目选用朔州周边地区常见的玉米秸秆为原料，测定了秸秆主要组分及元素含量，详见表1：

通过表1，可以表明秸秆富含氧，硫含量相对较少，在提高燃烧速率的同时，减少了燃烧产生的大气污染物二氧化硫的排放。

5 生物质免成型燃烧分析

本次研究利用本人设计了一种生物质免成型燃烧装置（ZL201220439563.7）：将生物质燃料玉米秸秆粉碎成块径0～40mm左右的碎料，通过螺旋绞料机将碎料输送进风料混合仓，在风料混合仓的侧体上有通向其内部的外部风，外部风为高温热风。

本装置在使用时，通入风料混合仓中的热风将进入风料混合仓中的生物质高速吹起旋动再进入锅炉进行燃烧。此过程一方面有助于干燥生物质，减少其含水量，提高燃料质量；另一方面提供充足的氧气，在保证锅炉安全经济运行的前提下，使燃料充分燃烧和燃尽。

由于破碎后的秸秆燃料密度小，结构相对石化燃料松散，再加上秸秆主要以挥发分为主，在燃料燃尽生成灰渣的同时，挥发分大部分洗出形成疏松的焦炭进入高温烟气，因而需先通过对受热面降温，降低通风速率，再进行除尘外排。

通过燃烧试验可以看出，秸秆燃料随着温度的升高，在达到燃点前为吸热过程，而到着火温度后，释放大量热能，此过程为放热过程。

由此可以得出，秸秆燃烧过程是一个先吸热再放热的反应，可以通过调节燃料量、输送频率、风量，达到对燃烧控制的目的。具体燃烧性能见表2：

通过表2得知，此种装置操作简单，升温速度较快，热效率显著，同时在实验中发现生物质在燃烧过程中，在燃烧设备受热面上沉积的飞灰，因呈碱性而造成粘结腐蚀设备。另外，生物质成型燃料的灰熔点较低，燃烧过程容易结渣。

6 生物质燃烧展望

生物质作为一种可再生能源被认为是今后世界的第四大能源，历经近20年的生物质能发展，我国取得了长足的进步，但是与世界先进生物能源利用技术相比差距还很大，普遍存在着能源利用率较低、能耗过高、设备磨损严重和使用寿命短等问题，而我国作为一个农作物种植丰富的国家，生物质能源在分布和蕴藏方面有着天然优势，这些生物质资源来源于农村、发展于农村，因此，本文以玉米秸秆为例，通过对生物质免成型燃烧装置的探讨，为今后生物质能利用提供了一种新思路。此项专利技术的应用，必将为今后生物质能的利用提供可靠的技术支持，特别是对于没有条件使用生物质成型燃料的广大农村可广泛推广。在不久的将来，生物质能的深入研究与发展，必将成为中国社会未来能源发展的主导方向。

参考文献

[1] 肖军，段菁春，王华，等.生物质利用现状[J].安全与环境工程，2003，10（1）.

[2] 万仁新.生物质工程[M].北京：中国农业出版社，1992.

作者简介：席礼（1966-），男，山西朔州人，山西荣申达科技有限公司工程师。

（责任编辑：黄银芳）endprint