摘要：在1台燃煤锅炉上进行了
生物质颗粒燃料燃烧试验和与燃煤的对比试验。结果显示，燃煤锅炉须经改造才能适应生物质颗粒燃料。生物质颗粒燃料与燃煤比较，不论燃料性质、燃烧现象、结焦特性、对炉膛的要求等方面都不同，生物质颗粒燃料燃烧时出现了不低于1300℃高温区域和较高的NOx排放，与文献报道差别较大。
0、前言
由于能源价格的剧烈波动，生物质能源越来越多受关注。这种关注已经从技术界扩展到经济界和金融界。
中国对生物质能源的关注超过了以往任何时候。中国政府先后出台了可再生能源中长期发展规划、《可再生能源与新能源国际科技合作计划》和可再生能源发展“十一五”规划。这些规划和计划中指出：中国现阶段全国农作物秸秆年产生量约6亿吨，其中大约3亿吨可作为燃料使用，折合约1.5亿吨标准煤。林木枝桠和林业废弃物年可获得量约9亿吨，大约3亿吨可作为能源利用，折合约2亿吨标准煤。这些规划确定生物质成型燃料是重点发展的领域，明确指出：(1)2010年前，结合解决农村基本能源需要和改变农村用能方式，开展500个生物质固体成型燃料应用示范点建设。在示范点建设生物质固体成型燃料加工厂，就近为当地农村居民提供燃料，富余量出售给城镇居民和工业用户。2010年后，全国生物质固体成型燃料年利用量达到100万吨。(2)到2020年，使生物质固体成型燃料成为普遍使用的一种优质燃料。全国生物质固体成型燃料年利用量达到5000万吨（国家发展改革委《可再生能源中长期发展规划》）。
2006年以前，中国大陆境内的生物质颗粒燃料生产一直处于停滞状态，中国政府批准的清洁发展机制项目中，70%以上是可再生能源。通过品种改良和扩大种植，生物能的资源量可以在2006年水平再翻一番。而目前还没有出现专门为生物质颗粒燃料设计的工业锅炉。
1、试验燃煤锅炉和试验方法
试验锅炉是1台设计燃料为烟煤的往复炉排卧式水火管锅炉。锅炉主要受热面积包括：炉膛；对流火管；省煤器}实际测量的排烟温度为137℃和129℃。生物质颗粒燃料的原料为直径8mm，长约15mm的玉米秸秆成型燃料。
过量空气系数、烟气成分和主要排放物用便携式仪器测量。给水流量由水箱水位变化获得，燃料消耗量用消耗的燃料体积获得。
2、试烧的主要结果
试验是按照热工技术要求进行的。主要测点包括燃烧室前部、燃烧室中部、炉膛尾部和尾部烟道。烟气分析仪探头上携带有热电偶，可以直接获得探头所在点处的实际温度。
2.1燃料床上温度和烟气成分分布
图1是燃烧室不同部位的温度分布和烟气成分分布。温度和成分测量选择炉排上垂直方向3个高度。图1显示，炉排燃料床以上燃料成分和温度分布基本上是均匀的。由于测量不能同时进行。从燃烧室前部获得的氧气分布显示[图l(a)]，出现了较多的氧气消耗，而炉膛中部古氧量较大表明燃烧已经明显削弱，氧气可以大量地跨越炉排[图1(b)]。炉膛中部氧气消耗出现很大波动，与炉排结构有很大关系。当氧气绕过炉排（见2.2）时，炉排上的含氧量较大；而在氧气穿过炉排时，与炉排上的可燃物反应消耗掉相当比例的氧气。
图1还给出了气体有害成分的分布。炉膛前部的C02从炉排向上是减少的[图l(a)]，挥发分的大量析出和燃烧可能是重要的原因。[图1(b)]中的CO2几乎没有发生变化，可能表明在燃料床上几乎没有发生燃烧反应，到燃料床比较高处才出现增加。2个位置的测量显示，炉膛前部的NOx量较少，NOx生成的浓度绝对值仍然比较高。图2是实际测得的沿着燃料床的温度分布。这个分布与图l看到的不同，包括了燃料层中的温度。
由于携带的热电偶最高测量限度为1100℃（K型热电偶），在短时间达到-1300℃后迅即将热电偶抽出。但不排除实际温度高于1300℃的情形。这个测量结果与以前生物质燃烧报道不同。这种高温可能是NOx浓度较高的直接原因。图3是锅炉尾部的温度变化和气体成分。
2.2生物质燃烧的火焰和结焦现象
火焰观察点主要分布在炉前（看火孔）、炉膛中部（炉门）和炉膛尾部（炉门）。由这些观察点看到的火焰和炉排结焦现象对于燃烧生物质颗粒燃料锅炉有重要参考价值。
从炉膛后部看到的生物质颗粒燃料火焰要比燃煤时明亮许多。明亮的火焰可能意味着挥发分集中析出、迅速燃烧造成的炉膛内的局部高温。
生物质颗粒燃料燃烧的结焦现象，无论从机理还是外在表现都没有获得清晰的物理和化学认识。但从生物质燃烧时导致结焦的燃烧条件和燃料元素看，比较公认的结焦原因可以归结到燃料中碱金属含量的多少，主要是钾、钠。相同的认识还包括燃料中的氯元素不仅加重结焦还加重腐蚀现象。生物质颗粒燃料（以秸秆最严重，木质次之）中的碱金属元素远远超过燃煤，表现的结焦比燃煤锅炉都严重。这台锅炉在燃煤时，产生的焦渣都在一定尺寸范围内，没有对一次风构成明显的妨碍，而在改烧生物质颗粒燃料后出现了明显的大面积结焦（见图5）。
生物质颗粒燃料结焦幅度很大，已经将整个炉排覆盖住。落渣口处的落渣形成幕布下落的感觉。对于燃烧这种生物质颗粒燃料锅炉的设计提出了严苛的设计要求。
3、结语
生物质颗粒燃料与燃煤有着非常大的差异。不仅涉及到燃烧，还涉及到积灰、结焦、腐蚀等众多的燃烧伴随现象。
(1)往复炉排能够适应生物质颗粒燃料燃烧，但锅炉设计应重点考虑燃料床结焦现象，新设计的锅炉应能保证连续稳定运行。
(2)燃煤锅炉不加改造就不能很好地适应生物质颗粒燃料燃烧。其原因：一是因为生物质颗粒燃料挥发分太高，挥发分集中析出要求集中供应二次风。二是挥发分燃烧需要燃烧空间和受热面等多种设计条件配合。三是生物质颗粒燃料固定碳含量少，需要的高温停留时间短，需要的炉排面积、燃烧强度都小。四是生物质燃烧温度低，锅炉受热面需要按照生物质燃烧特性设置。
(3)生物质燃烧的污染物排放控制主要集中在氮氧化合物方面。由于生物质硫含量通常较低，加上碱金属和碱土金属的含量较高，形成很高的自脱硫能力。因此，硫氧化合物基本可以达标。粉尘需要具有一定除尘能力的除尘器保证颗粒物排放达标。
(4)生物质燃烧时出现了不低于1300℃的高温区域，这与生物质散料（包括秸秆燃料）燃烧时的情形不同。由于这个高温区域的出现，导致了较高的氮氧化合物生成。
(5)虽然都属于非均相固体燃料燃烧，生物质颗粒燃料燃烧与燃煤几乎不是同一概念。着火时间和着火位置、火焰形状和温度分布、焦渣出现部位和焦渣特征等都明显不同。
(6)为保证生物质颗粒燃料在炉膛中迅速着火、完全燃烧，需要及时供应环境条件。如温度、氧气、充分混合。
(7)为保证生物质颗粒燃料连续、稳定燃烧，需要燃烧装置对结焦现象有足够的适应能力，包括抑焦能力、破焦能力。
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