席禮　席新穎　楊晶

摘要：為了應(yīng)對(duì)氣候變化、環(huán)境保護(hù)和有限資源的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，能源的轉(zhuǎn)型發(fā)展勢(shì)在必行。文章以農(nóng)作物秸稈為原料，通過(guò)對(duì)生物質(zhì)免成型燃燒裝置進(jìn)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(jì)；農(nóng)作物秸稈 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TK16 文章編號(hào)：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(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，在創(chuàng)造繁榮的同時(shí)，也加劇了以煤為主要能源的消耗，為了應(yīng)對(duì)氣候變化、環(huán)境保護(hù)和有限資源的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，能源的轉(zhuǎn)型發(fā)展勢(shì)在必行，而發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，建設(shè)以低碳為主的社會(huì)，以低碳為基礎(chǔ)的可持續(xù)發(fā)展，顯然已經(jīng)是中國(guó)未來(lái)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(guò)程CO2零排放等特點(diǎn)，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(shì)，已成為當(dāng)前新能源轉(zhuǎn)型發(fā)展方向之一。

生物質(zhì)能主要通過(guò)直接燃燒、氣化、液化和厭氧發(fā)酵加以利用。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年生物質(zhì)秸稈產(chǎn)量大，但是人們對(duì)秸稈作為能源再利用意識(shí)薄弱，存在秸稈就地燃燒產(chǎn)生的殘?jiān)梢栽黾油恋胤柿Φ人枷胗^念，秸稈往往成為污染大氣環(huán)境的一種污染物來(lái)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(guò)對(duì)本人設(shè)計(jì)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(diǎn)

生物質(zhì)燃料的燃燒過(guò)程是強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，又是燃料和空氣間的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程。可分作：預(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(guò)程。各階段燃燒特點(diǎn)如下：

2.1 預(yù)熱階段

此階段為預(yù)熱干燥過(guò)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(lái)，此階段的干燥時(shí)間決定于生物質(zhì)的含水量，此過(guò)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(kāi)始分解揮發(fā)。

2.3 揮發(fā)分燃燒階段

揮發(fā)出來(lái)的有機(jī)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(dāng)達(dá)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(jìn)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(lái)，阻礙空氣擴(kuò)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(shì)

生物質(zhì)燃料作為一種新型的燃料，以其特有的優(yōu)勢(shì)在各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域贏得了廣泛的認(rèn)可，與傳統(tǒng)的燃料相比，不僅環(huán)保經(jīng)濟(jì)，而且取之不盡、用之不竭，是可再生能源。與其他新能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等相比，生物質(zhì)能源不僅可以像風(fēng)能、太陽(yáng)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(jiàn)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。

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?yàn)檗r(nóng)村分布零散，不能有效集中治理，給環(huán)境帶來(lái)很大的壓力。

隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的燃燒技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，例如在工業(yè)過(guò)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(guò)深加工后，燃料發(fā)熱量和朔州本地開(kāi)采出的未經(jīng)洗選的煤炭發(fā)熱量相比，基本相當(dāng)，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(dá)7000～8000千卡/kg，基本達(dá)到優(yōu)質(zhì)煤種的發(fā)熱量。另外，生物質(zhì)燃料相對(duì)于煤炭，衛(wèi)生清潔，不含煤矸石之類(lèi)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(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)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(duì)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(dāng)肥料直接使用，這是生物質(zhì)燃料獨(dú)特的，也是其他新能源不能比擬的優(yōu)勢(shì)。

4 以秸稈為原料的特性

在我國(guó)，由于農(nóng)村分布范圍廣泛，經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異性大，相對(duì)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(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)將不會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，尤其是經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目選用朔州周邊地區(qū)常見(jiàn)的玉米秸稈為原料，測(cè)定了秸稈主要組分及元素含量，詳見(jiàn)表1：

通過(guò)表1，可以表明秸稈富含氧，硫含量相對(duì)較少，在提高燃燒速率的同時(shí)，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(jì)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(guò)螺旋絞料機(jī)將碎料輸送進(jìn)風(fēng)料混合倉(cāng)，在風(fēng)料混合倉(cāng)的側(cè)體上有通向其內(nèi)部的外部風(fēng)，外部風(fēng)為高溫?zé)犸L(fēng)。

本裝置在使用時(shí)，通入風(fēng)料混合倉(cāng)中的熱風(fēng)將進(jìn)入風(fēng)料混合倉(cāng)中的生物質(zhì)高速吹起旋動(dòng)再進(jìn)入鍋爐進(jìn)行燃燒。此過(guò)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(jì)運(yùn)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(duì)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(shí)，揮發(fā)分大部分洗出形成疏松的焦炭進(jìn)入高溫?zé)煔?，因而需先通過(guò)對(duì)受熱面降溫，降低通風(fēng)速率，再進(jìn)行除塵外排。

通過(guò)燃燒試驗(yàn)可以看出，秸稈燃料隨著溫度的升高，在達(dá)到燃點(diǎn)前為吸熱過(guò)程，而到著火溫度后，釋放大量熱能，此過(guò)程為放熱過(guò)程。

由此可以得出，秸稈燃燒過(guò)程是一個(gè)先吸熱再放熱的反應(yīng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃料量、輸送頻率、風(fēng)量，達(dá)到對(duì)燃燒控制的目的。具體燃燒性能見(jiàn)表2：

通過(guò)表2得知，此種裝置操作簡(jiǎn)單，升溫速度較快，熱效率顯著，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)在燃燒過(guò)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(diǎn)較低，燃燒過(guò)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(rèn)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(guó)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是與世界先進(jìn)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(guò)高、設(shè)備磨損嚴(yán)重和使用壽命短等問(wèn)題，而我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)作物種植豐富的國(guó)家，生物質(zhì)能源在分布和蘊(yùn)藏方面有著天然優(yōu)勢(shì)，這些生物質(zhì)資源來(lái)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(guò)對(duì)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(xiàng)專(zhuān)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(duì)于沒(méi)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(lái)，生物質(zhì)能的深入研究與發(fā)展，必將成為中國(guó)社會(huì)未來(lái)能源發(fā)展的主導(dǎo)方向。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：席禮（1966-），男，山西朔州人，山西榮申達(dá)科技有限公司工程師。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）endprint