席禮　席新穎　楊晶

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

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能；免成型燃燒方式；燃燒特性；免成型設(shè)計；農(nóng)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(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，人們對能源的需求日益增長，在創(chuàng)造繁榮的同時，也加劇了以煤為主要能源的消耗，為了應(yīng)對氣候變化、環(huán)境保護和有限資源的嚴峻挑戰(zhàn)，能源的轉(zhuǎn)型發(fā)展勢在必行，而發(fā)展低碳經(jīng)濟，建設(shè)以低碳為主的社會，以低碳為基礎(chǔ)的可持續(xù)發(fā)展，顯然已經(jīng)是中國未來建設(shè)的方向。

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

生物質(zhì)能主要通過直接燃燒、氣化、液化和厭氧發(fā)酵加以利用。我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年生物質(zhì)秸稈產(chǎn)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(chǎn)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(huán)境的一種污染物來源，不能有效、合理地利用，以挖掘生物質(zhì)能最大的潛力。本文以朔州農(nóng)村地區(qū)農(nóng)作物廢棄秸稈為生物質(zhì)原料，通過對本人設(shè)計的生物質(zhì)免成型燃燒裝置分析，從而為探索生物質(zhì)能有效燃燒利用提供一種思路。

2 生物質(zhì)燃料的燃燒特點

生物質(zhì)燃料的燃燒過程是強烈的化學(xué)反應(yīng)過程，又是燃料和空氣間的傳熱、傳質(zhì)過程?？煞肿鳎侯A(yù)熱（水分蒸發(fā)）、分解（揮發(fā)分析出）、揮發(fā)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(yù)熱階段

此階段為預(yù)熱干燥過程，由于生物質(zhì)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(fā)出來，此階段的干燥時間決定于生物質(zhì)的含水量，此過程將產(chǎn)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(zhì)內(nèi)部組分包括半纖維素、纖維素和木質(zhì)素隨著溫度的繼續(xù)升高開始分解揮發(fā)。

2.3 揮發(fā)分燃燒階段

揮發(fā)出來的有機物隨著溫度升高與氧氣發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，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(zhì)燃料內(nèi)的固定碳與氧氣發(fā)生反應(yīng)，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(chǎn)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(xù)燃燒，降低了燃燒的速度。

3 生物質(zhì)能優(yōu)勢

生物質(zhì)燃料作為一種新型的燃料，以其特有的優(yōu)勢在各個經(jīng)濟領(lǐng)域贏得了廣泛的認可，與傳統(tǒng)的燃料相比，不僅環(huán)保經(jīng)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(zhì)能源不僅可以像風能、太陽能等用于發(fā)電、加熱，也可以制成產(chǎn)品，可以提煉和生產(chǎn)各種燃料產(chǎn)品，常見的有沼氣、酒精、生物柴油、壓縮固體燃料等，其產(chǎn)品的多樣性也是生物質(zhì)能的獨特優(yōu)勢。

傳統(tǒng)生物質(zhì)直燃技術(shù)投入成本高、能源利用率低、規(guī)模較小，雖然可以滿足人們基本的生活需求，但燃燒產(chǎn)生的大量煙氣和灰渣，因為農(nóng)村分布零散，不能有效集中治理，給環(huán)境帶來很大的壓力。

隨著社會的進步、科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的燃燒技術(shù)應(yīng)運而生，例如在工業(yè)過程、區(qū)域供熱、發(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域。

生物質(zhì)經(jīng)過深加工后，燃料發(fā)熱量和朔州本地開采出的未經(jīng)洗選的煤炭發(fā)熱量相比，基本相當，發(fā)熱量在3900～4800千卡/kg左右，而經(jīng)炭化后，生物質(zhì)能的發(fā)熱量可高達7000～8000千卡/kg，基本達到優(yōu)質(zhì)煤種的發(fā)熱量。另外，生物質(zhì)燃料相對于煤炭，衛(wèi)生清潔，不含煤矸石之類的雜質(zhì)，燃燒產(chǎn)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(huán)境得到了很大的提高。除此之外，生物質(zhì)燃料燃燒產(chǎn)生的灰渣相對于煤渣產(chǎn)生量少，而且產(chǎn)生的灰燼富含農(nóng)作物所需的養(yǎng)分，可以當肥料直接使用，這是生物質(zhì)燃料獨特的，也是其他新能源不能比擬的優(yōu)勢。

4 以秸稈為原料的特性

在我國，由于農(nóng)村分布范圍廣泛，經(jīng)濟發(fā)展差異性大，相對配套基礎(chǔ)設(shè)施落后，多數(shù)農(nóng)村能源用能結(jié)構(gòu)雖然發(fā)生了一定的變化，但以廢棄農(nóng)作物為主的生物質(zhì)能源仍是農(nóng)村生活中的主要能源，并且這種狀態(tài)在今后相當長的時期內(nèi)將不會發(fā)生質(zhì)的變化，尤其是經(jīng)濟落后的山區(qū)，生物質(zhì)能仍然是農(nóng)民炊事、取暖的主要生活能源。本項目選用朔州周邊地區(qū)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(chǎn)生的大氣污染物二氧化硫的排放。

5 生物質(zhì)免成型燃燒分析

本次研究利用本人設(shè)計了一種生物質(zhì)免成型燃燒裝置（ZL201220439563.7）：將生物質(zhì)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(cè)體上有通向其內(nèi)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(zhì)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(zhì)，減少其含水量，提高燃料質(zhì)量；另一方面提供充足的氧氣，在保證鍋爐安全經(jīng)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(jié)構(gòu)相對石化燃料松散，再加上秸稈主要以揮發(fā)分為主，在燃料燃盡生成灰渣的同時，揮發(fā)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(yīng)，可以通過調(diào)節(jié)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(fā)現(xiàn)生物質(zhì)在燃燒過程中，在燃燒設(shè)備受熱面上沉積的飛灰，因呈堿性而造成粘結(jié)腐蝕設(shè)備。另外，生物質(zhì)成型燃料的灰熔點較低，燃燒過程容易結(jié)渣。

6 生物質(zhì)燃燒展望

生物質(zhì)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(jīng)近20年的生物質(zhì)能發(fā)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(shù)相比差距還很大，普遍存在著能源利用率較低、能耗過高、設(shè)備磨損嚴重和使用壽命短等問題，而我國作為一個農(nóng)作物種植豐富的國家，生物質(zhì)能源在分布和蘊藏方面有著天然優(yōu)勢，這些生物質(zhì)資源來源于農(nóng)村、發(fā)展于農(nóng)村，因此，本文以玉米秸稈為例，通過對生物質(zhì)免成型燃燒裝置的探討，為今后生物質(zhì)能利用提供了一種新思路。此項專利技術(shù)的應(yīng)用，必將為今后生物質(zhì)能的利用提供可靠的技術(shù)支持，特別是對于沒有條件使用生物質(zhì)成型燃料的廣大農(nóng)村可廣泛推廣。在不久的將來，生物質(zhì)能的深入研究與發(fā)展，必將成為中國社會未來能源發(fā)展的主導(dǎo)方向。

參考文獻

[1] 肖軍，段菁春，王華，等.生物質(zhì)利用現(xiàn)狀[J].安全與環(huán)境工程，2003，10（1）.

[2] 萬仁新.生物質(zhì)工程[M].北京：中國農(nóng)業(yè)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