賈吉秀，趙立欣，姚宗路※，霍麗麗，鄧 云，楊武英，劉廣華

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2. 鐵嶺眾緣環(huán)保設備制造有限公司，沈陽 112000；3. 承德市本特生態(tài)能源技術有限公司，承德 067000）

0 引 言

中國具有豐富的農(nóng)作物秸稈，據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計[1]，2018 年全國秸稈可收集量為8.7 億t，利用量為7.52 億t，綜合利用率達到86.5%。然而廢棄或就地焚燒的秸稈接近1.4 億 t，造成了嚴重的環(huán)境污染和資源浪費，引發(fā)空氣質量惡化、霧霾加重、破壞土壤結構、降低農(nóng)田質量等一系列問題。近年來，在國家出臺的一系列政策支持下，中國的秸稈綜合利用工作得到了長足發(fā)展，其中秸稈捆燒供暖等能源化利用方式具備原料適應性強、運行成本低、技術時效性強等優(yōu)點，是“散煤替代”的有效途徑，對于促進秸稈清潔利用，減少環(huán)境污染、節(jié)約化石能源等具有重要意義[2-4]。

秸稈捆燒技術是指將田間松散的秸稈經(jīng)過撿拾打捆后，在專門的生物質鍋爐中進行燃燒的一種秸稈能源化利用技術。具有秸稈處理與供暖利用時間吻合性強、運行成本低、操作方便等優(yōu)點，同時捆燒后的秸稈半氣化燃燒大幅提高了燃燒效率和鍋爐換熱效率，經(jīng)濟、環(huán)境效益較好，目前秸稈捆燒供暖技術已逐漸成為北方農(nóng)村地區(qū)生物質清潔取暖的主要技術之一[5-6]。近年來，國內外學者開展了較多以完善秸稈捆燃燒理論、優(yōu)化秸稈捆燒工藝和鍋爐結構為目標的研究工作[7-8]，但是現(xiàn)有秸稈捆燒鍋爐實際運行中仍然存在燃燒不充分、NOX和顆粒物生成機理不清晰、煙氣污染物排放較高等問題，阻礙了秸稈捆燒技術的發(fā)展和推廣。

本文綜述了秸稈捆燒技術最新研究進展，基于秸稈捆燃燒反應原理和秸稈打捆燃料特性，分析了秸稈捆燒過程中顆粒物、NOX和 CO 等污染物產(chǎn)生及減排方法，總結了國內外秸稈捆燒技術類型、原理、特點等研究進展，分析了秸稈捆燒技術研究技術熱點、主要機構以及發(fā)展趨勢，并對秸稈捆燒技術發(fā)展提出建議，為實現(xiàn)秸稈清潔能源化利用提供參考。

1 秸稈捆燃燒原理及過程

秸稈捆的燃燒是一種由連續(xù)的非均相和均相反應組成的復雜過程[9]，燃燒機理的實質是靜態(tài)滲透式擴散燃燒，先在秸稈表面發(fā)生可燃揮發(fā)分的燃燒，進行可燃氣體（主要是CO）和O2的放熱化學反應，然后延伸至內部焦炭的滲透燃燒和擴散燃燒，產(chǎn)生的CO、CO2及其他氣體溢出表面再和氧氣接觸燃燒，直至可燃物基本燃盡形成灰燼[10]。

如圖 1 所示，秸稈捆燃燒過程主要分為揮發(fā)分燃燒和秸稈炭燃燒，揮發(fā)分的析出可分為 3 個階段，首先是半纖維的裂解，半纖維由于聚合度低，熱穩(wěn)定性差，在200～300℃會經(jīng)歷自由水和化學水的脫除（羥基脫水）、主體結構分解和碳化階段，釋出包括水、酸、醛、酮、醇、糖酐以及小分子氣體（CO、CO2和 CH4）等大量揮發(fā)份；然后是纖維素的裂解，在 300～400℃時纖維素開始發(fā)生劇烈分解，產(chǎn)生大量的CO、CH4和H2，在400℃以上時木質素開始分解除了小分子可燃氣外還會生成部分烷烴、烯烴以及秸稈炭，這幾個階段在秸稈熱分解過程中也存在相關交叉、重疊以及相互影響關系[11-14]。

圖1 秸稈捆燃燒過程原理Fig.1 Combustion proces of straw bale

揮發(fā)分析出燃燒反應較快，約占燃燒時間的 10%，秸稈炭燃燒反應較慢，約占燃燒時間的 90%[15]。但由于秸稈自身具有揮發(fā)分含量高、含碳量低的特點，因此秸稈捆的燃燒過程以揮發(fā)分的燃燒為主，揮發(fā)分燃燒所放出的熱量占整個燃燒過程熱量的 67%以上，制約著整個秸稈捆的燃燒狀態(tài)，測試河北地區(qū)玉米秸稈半氣化揮發(fā)份具體組分及占比如表1 所示[4]。揮發(fā)分的燃燒不僅僅與其本身的反應動力學有關，也受到煙氣濃度與空氣混配程度的等影響。Mateusz Szubel 等指出揮發(fā)分燃燒過程主要是考慮CO、CH4和H2與O2發(fā)生的化學反應，并通過反應方程式描述了揮發(fā)分燃燒過程[16]。

表1 揮發(fā)性氣體組分測試結果[4]Table 1 Test results of the pyrolysis gas components

2 秸稈捆燃燒特性

秸稈捆與成型燃料、散狀秸稈在燃燒特性方面具有較大差異。王炯通過TG-DTG 聯(lián)用技術對玉米秸稈散燒、打捆、成型 3 種燃燒方式進行了特性分析，發(fā)現(xiàn)相對于成型燃料和散狀秸稈，打捆燃料不利于傳熱傳質的進行，揮發(fā)分的析出峰值時間滯后，析出過程較為平穩(wěn)，維持較長時間，揮發(fā)分的析出與固定碳的燃燒交互影響作用更為明顯，并指出一次均勻配風的重要性[17-18]。

由于秸稈打捆燃料灰分含量大、灰熔點較低，過高的爐膛溫度會造成較為嚴重的顆粒物排放、鍋爐結渣、結焦等問題，溫度過低時爐內可燃氣體燃燒不充分，造成較大的熱損失[9]，因此需要合理的爐膛結構設計以及配風工藝，控制秸稈捆燃燒過程，防止爐膛溫度過高。

表2 不同秸稈捆工業(yè)分析和元素分析Table 2 Industrial and elemental analysis of different straw bales

不同原料的秸稈捆在燃燒特性方面也存在一定的差異。常用秸稈打捆燃料的基本特性如表2 所示，主要特點是含碳少，含氫多，揮發(fā)分含量高，秸稈捆燃燒初期揮發(fā)分析出量較大，灰分產(chǎn)率較低[19-21]，張品測試了小麥秸稈捆和玉米秸稈捆的燃燒速率，結果表明小麥秸稈捆外層燃燒的平均速度比玉米秸稈捆燃燒的速度慢，但內層燃燒速率快于玉米秸稈捆，主要是由于玉米秸稈的高揮發(fā)分提高了表面著火性能，但小麥秸稈打捆燃料內部松散、孔隙率較高，因此小麥打捆秸稈的內部燃燒速率和著火鋒面溫度均高于玉米秸稈打捆燃料[22-23]。Eri? 研究了秸稈捆的傳熱過程，結果表明在樣品孔隙率0.85～0.65 的范圍內，秸稈捆熱導率隨著孔隙率的減少而下降，主要是因為孔隙體積減小，孔隙內流體循環(huán)減少，進而減少了孔隙壁之間的熱傳遞。當孔隙率低于0.65，熱導率隨著孔隙率降低又逐漸升高，是由于此時的熱傳導方式轉變成了氣相和液相的對流傳熱[24-25]。因此，不同原料秸稈捆由于化學組成、打捆密度以及傳熱特性等各方面存在差異，會造成秸稈捆可燃性指數(shù)以及綜合燃燒特性指數(shù)的不同。

3 煙氣污染物減排工藝

秸稈作為一種清潔能源，其燃燒后幾乎沒有硫化物，還可以實現(xiàn)燃燒后的零碳排放[26]，但與天然氣或輕質油燃燒相比，秸稈捆的燃燒存在煙塵顆粒物、NOX以及CO 等排放較高問題，如圖2 所示為秸稈捆燒主要污染物形成過程，為此國內外學者做了大量的研究來降低煙氣污染物的排放。

圖2 秸稈捆燃燒污染物形成過程Fig.2 Pollutants of straw bale combustion

3.1 顆粒物減排

秸稈捆燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒物主要包括燃料中可燃物質不完全燃燒形成的炭黑顆粒、有機物顆粒和不可燃物質發(fā)生一系列變化形成的飛灰顆粒，其中主要以飛灰顆粒為主[27]。飛灰顆粒在整個粒徑范圍內呈現(xiàn)雙峰分布，粒徑小于1.0μm 的細顆粒與粒徑大于1.0μm 的粗顆粒各存在一個峰值。細顆粒占飛灰顆粒的多數(shù)，其無機成分中主要含 K、Cl、S 等元素，并以 K2SO4、KCl 等金屬鹽形式存在，粗顆粒中主要含有Ca，Si，K，S，Na，Al，P，F(xiàn)e 等元素，K 會轉化為K2O，K2O 還會顯著降低灰熔點而引起鍋爐的結渣[28-29]。

Oser 等提出一種主燃燒室顆粒物減排的方式，通過減少一次風比例，促進K 轉化為K 鹽進而轉化為爐灰，減少K 的氣相轉化，達到煙氣除塵的效果，結果顯示該方式可將顆粒排放量減少5 倍左右，從160～195 減少到20～45 mg/m3[30]。王炯對秸稈打捆燃料的飛灰進行了一系列灰特性試驗，試驗得出捆燒灰分浸潤性平均值為10.21 mm/min，具有良好的浸潤性，為親水性物質，表面捆燒灰分為高吸濕性的粉塵顆粒，捆燒灰分的比電阻平均值為1.953×106?·cm，接近低比電阻范圍，并通過一級水膜除塵和二級靜電除塵，將煙氣中顆粒物含量降低至27 mg/m3[31]。賈吉秀等設計了一款集成式煙塵脫除系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了旋風分離、靜電除塵和循環(huán)水噴淋除污等技術原理，簡化了煙氣凈化除塵工藝，煙氣顆粒物含量可降低至19.8 mg/m3[4]。在秸稈連續(xù)捆燒熱解過程中，因為煙氣溫度及狀態(tài)比較穩(wěn)定，采用布袋除塵器也可以達到較好的除塵效果。

3.2 煙氣NOX減排

NOx是主要的大氣污染物之一，易造成酸雨和光化學煙霧，對環(huán)境和人體產(chǎn)生很大的危害，秸稈捆燒鍋爐需要采取有效的措施實現(xiàn) NOx減排，與鍋爐煙氣脫硝技術相比，通過控制燃燒反應降低 NOx含量成本較低、效果更好。秸稈捆燒鍋爐中爐膛溫度相對較低，故熱力型、快速型NOx較少，主要以燃料型NOx為主[32-33]。然而，燃料氮與 NOx排放之間的相關關系是非線性的，并不隨著含氮量增加而增加[34]，燃料型NOx由中間產(chǎn)物HCN、NHi（i=1，2，3）氧化形成，主要受煙氣停留時間、燃燒溫度以及過量空氣系數(shù)等影響，若控制此過程中的含氧量，NO 將和NH2生成對空氣無污染的 N2[35-36]，如式（1）所示

燃料分級和配風分級技術是減少 NOx排放[37-38]的一種有效手段，主要反應式如公式（2）和公式（3）所示，并且在生物質鍋爐中得到了較大的應用，通過分級燃燒技術將燃燒分為初級燃燒區(qū)和次級燃燒區(qū)，在初級燃燒區(qū)秸稈燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)分進入次級燃燒區(qū)發(fā)生燃氣燃燒反應[39]，研究發(fā)現(xiàn)，通過降低初級燃燒區(qū)的配風量可以減少 NOx的生成，在初級燃燒區(qū)的還原條件下，如果保證反應溫度和煙氣停留時間，燃燒初期形成的 NOx可以還原為N2，費芳芳等通過適當降低一次配風量以及均勻進料量等措施，使得 NOx排放濃度平均值可減少約36.09 mg/m3[40]。Carroll 等通過空氣配風分級試驗表明，控制一次風過量空氣系數(shù)為0.8，初級燃燒室溫度為900°C時，煙氣NOx排放量有可以減少30%，如果延長煙氣在初級燃燒室的停留時間，可能會使 NOx減排效果更好[41]。除了分級燃燒技術外，還可以采用燃料添加尿素、氨等催化劑的方式，促進燃燒還原反應，進而降低NOx排放[42]。

3.3 煙氣 CO 減排

CO 是秸稈捆燒過程中的氣化產(chǎn)物的主要組成部分，排放煙氣中CO 含量過高表明秸稈捆燃燒過程不完全，燃燒效率低，同時容易導致煙氣中焦油含量過高，形成環(huán)境污染。

丹麥政府在1995 年至2002 年期間提高了生物燃料補貼并制定相關標準，使秸稈捆燒技術取得較大發(fā)展，CO 排放量從 1995 年的 6 250 mg/m3降至 2017 年的400 mg/m3以下，鍋爐熱效率從75%提高到87%[43-44]。Erik通過對秸稈捆燒鍋爐的測試和對比分析，發(fā)現(xiàn)通過在燃燒室內增加隔熱層以及改進二次空氣供應技術等措施可以降低CO 排放，提高鍋爐熱效率[42]。Mateus 利用CFD對捆燒鍋爐的二次配風進行了結構優(yōu)化，設計了 5°傾角和10°傾角的二次噴嘴，實現(xiàn)二次燃燒過程中揮發(fā)分與空氣的旋流燃燒，增加揮發(fā)分的停留時間，提高秸稈捆的燃燒效率，試驗結果表明，在該款鍋爐上 5°傾角的二次噴嘴設計可以降低CO 排放約3 408 mg/m3，具有較好的減排效果[45-47]。Mladenovi? 等研發(fā)的玉米秸稈捆燒鍋爐，通過離心風機將排放的煙氣部分進行回爐再燃燒，對煙氣中未能充分氧化燃燒的 CO 再次引入到爐膛內進行氧化，實現(xiàn)煙氣的二次燃燒，故其 CO 排放量較低約為56 mg/m3[48-49]。

4 秸稈捆燒技術類型

根據(jù)供暖規(guī)模及工藝特性，目前秸稈捆燒技術主要有 2 種，一是連續(xù)式捆燒技術，可以實現(xiàn)燃燒過程中連續(xù)進料、連續(xù)清灰，維持燃燒室內一個穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，爐膛溫度波動幅度較小，有利于智能化操作，適合供暖面積較大的集中供暖區(qū)域；另一種序批進料型的秸稈捆燒鍋爐，即將燃燒室內的秸稈燃料全部燒完后再重新進料燃燒的方式，序批進料捆燒的特點是占地面積小，運行操作簡捷方便，通常用于小型供暖機構。

4.1 連續(xù)式捆燒技術

4.1.1 Cigar 型連續(xù)秸稈捆燒技術

Cigar 型連續(xù)捆燒鍋爐由于其燃燒方式與雪茄類似，故被稱為“Cigar”燃燒系統(tǒng)，被歐盟認為是最適合秸稈捆燃燒的一種技術[24]，與其他生物質燃燒方式不同的是，Cigar 型燃燒是在秸稈捆的端面進行點火燃燒，其原理如圖 3 所示，通過控制原料進料量和配風量，將秸稈捆的燃燒分為燃料主燃燒、揮發(fā)分燃燒、秸稈炭及煙氣燃燒等階段[11,50-53]，在秸稈捆的進料側配備一次風發(fā)生主燃燒反應，產(chǎn)生的熱量通過熱傳導方式由燃燒側向未燃燒側傳遞，實現(xiàn)秸稈捆的干燥脫水、揮發(fā)分析出以及熱解燃燒等過程，燃燒完成后的灰炭與揮發(fā)分自動分離，在揮發(fā)分處配備二次風實現(xiàn)揮發(fā)分的燃燒，在灰炭層配備三次風實現(xiàn)秸稈炭的完全燃燒，最終達到秸稈捆分級有序燃燒。

圖3 Cigar 型連續(xù)秸稈捆燒技術原理示意圖Fig.3 Diagram of straw bale combustion in Cigar burners

Niels Bech 提出了一種計算Cigar 型秸稈捆表面燃燒穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)行為的數(shù)學模型[50]，通過該模型能夠預測氣流速度、溫度、氣體和秸稈組成隨軸向長度和時間的變化，并進行了試驗驗證，為秸稈捆燒提供了理論指導。塞爾維亞貝爾格萊德大學研發(fā)了多種 Cigar 型秸稈捆燒鍋爐[24,48-52]，對Cigar 進行了改進提升，研制了小型黃豆秸稈捆燒鍋爐[52]，爐膛內設置有 2 個燃燒室，在主燃燒室產(chǎn)生煙氣和揮發(fā)分再第二燃燒室進行再次配風燃燒，促進揮發(fā)分氣體和空氣的充分混合，NOx與CO 能充分接觸并發(fā)生反應生成N2和CO2，從而降低了CO 和NOx排放，其CO 排放量約為188 mg/m3，NOx排放量約為175 mg/m3。

4.1.2 往復爐排型連續(xù)捆燒技術

往復爐排型連續(xù)捆燒技術原理如圖 4 所示，空氣一次風從爐排下面分區(qū)送入燃燒室，與料層運動方向相交，完成主燃燒反應。原料在爐膛內受到輻射加熱，依次經(jīng)歷水分蒸發(fā)、揮發(fā)分的析出、固定碳的燃燒和燃盡 3 個階段，灰渣隨爐排移動到后部，經(jīng)過擋渣板落入后部水冷灰渣斗，由除渣機排出[10,15]。

圖4 往復爐排型連續(xù)捆燒技術原理示意圖Fig.4 Diagram of straw bale combustion in reciprocating grate boilers

張品研制了一款往復爐排型連續(xù)捆燒鍋爐[54]，采用往復爐排的機構實現(xiàn)秸稈捆的連續(xù)送料和清渣，在爐排下端配備一次均勻風發(fā)生主燃燒反應，在爐拱處配備二次風將秸稈燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)份進行二次充分燃燒，產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過多管旋風除塵器和布袋除塵器凈化后排出。經(jīng)測試，鍋爐燃燒效率為80.6%，CO 排放量約為292 mg/m3，NOx排放量為125.4 mg/m3，顆粒物排放量為27.9 mg/m3。

4.2 序批式捆燒技術

序批式秸稈捆燒鍋爐的基本結構于1979年確立，Eri?針對秸稈捆燒鍋爐燃燒效率、煙氣排放不理想的問題，對爐膛結構進行改進，在爐膛上方增加了二次燃燒室[25]，由此確立序批式秸稈捆燒鍋爐的基本結構，按照點火及燃燒方式可分為逆流層燃和順流層燃。

4.2.1 順流式捆燒技術

順流式序批捆燒技術是指煙氣流動方向與燃料供給方向相同的一種層燃技術，其捆燒原理如圖 5 所示，順流式燃燒技術一般在秸稈捆的上方點火并配風，主要由熱傳導的方式將熱量向下傳遞，使底部燃料逐步發(fā)生干燥、揮發(fā)分析出及熱解等反應，形成由上而下的燃燒層、析出層、干燥層以及原料層，適合于較干燥的秸稈捆燃料。

圖5 順流層燃秸稈捆燒技術原理示意圖Fig.5 Diagram of forward burning straw bale combustion

丹麥奧胡斯大學研制的序批式秸稈捆燒鍋爐[44-46]，爐膛上端設置 2 個配風管作為秸稈燃燒主配風燃燒區(qū)，在上端右側設置二次配風結構，在主配風燃燒區(qū)發(fā)生順流層燃的燃燒狀態(tài)，上部燃燒產(chǎn)生的熱量會逐步烘干底部燃料，達到預燃燒狀態(tài)。右側的二次風水平噴入燃燒室內，與煙氣中的可燃成分發(fā)生二次燃燒反應，實現(xiàn)秸稈的充分燃燒。經(jīng)測試，該鍋爐功率為 500kW，熱效率為 87%，CO 排放量約為 600 mg/m3，顆粒物排放量為283 mg/m3。

4.2.2 逆流式捆燒技術

逆流式序批捆燒技術是指煙氣流動方向與燃料供給方向相反的一種層燃技術，也被稱為倒置層燃技術，其捆燒原理如圖 6 所示，一般在秸稈捆的下方或者側下方點火并配風，熱量主要由熱對流和熱傳導的方式向上傳導，使上部燃料逐步發(fā)生干燥、揮發(fā)分析出及熱解等反應，形成由下而上的燃燒層、析出層、干燥層以及原料層，適合于含水率較多的燃料。

波蘭克拉科夫AGH科技大學研發(fā)了系列序批式捆燒鍋爐[16,45]，該鍋爐設置了2 個左右相對隔離的燃燒室，在第一燃燒室內營造缺氧環(huán)境，使秸稈半氣化燃燒并析出大量可燃氣體，在第二燃燒室供給足夠氧氣使可燃氣體充分燃燒，其設計的傾角型噴嘴形狀能在第二燃燒室內產(chǎn)生旋流流場，增加了空氣與揮發(fā)分的接觸時間，提高了揮發(fā)分中CO 的氧化燃燒程度，鍋爐熱效率可達84%。美國 Center Boiler 采用逆流層燃原理設計的 E-Classic 2 300 捆燒鍋爐[55]，設置了上下2 個燃燒室，第一燃燒室采用高流量空氣配風使溫度控制在600～800°C 來保證揮發(fā)分的析出，第二燃燒室通過低流量空氣配風使溫度升高到1 200°C，保證揮發(fā)分和秸稈炭的完全燃燒，具有較好的燃燒效果。

圖6 逆流層燃秸稈捆燒技術原理示意圖Fig.6 Diagram of reverse burning straw bale combustion

4.3 不同捆燒技術對比分析

根據(jù)上述分類，表 3 詳細對比了國內外典型秸稈捆燒技術。Cigar 型捆燒技術通過控制進料速度和風機配風量調節(jié)燃燒速度，實現(xiàn)燃燒過程智能化控制，減少爐膛溫度波動，維持燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性[50-53]。往復爐排型捆燒技術依靠爐排的推動作用使秸稈捆變得疏松透氣，避免燃燒不充分或者配風系數(shù)過高的問題[10,15]。順流式捆燒技術燃燒過程中的灰炭與原料不斷的進行熱交換，有效利用了灰炭余熱，但高溫煙氣與燃料層之間對流換熱較少，不利于原料的預燃燒處理，適合于較干燥的秸稈捆燃料。順流式捆燒技術燃燒過程中的灰炭與燃燒層及時分離，有利于灰炭的二次燃燒，高溫煙氣與燃料層充分換熱，有利于原料的干燥預處理。

表3 國內外典型捆燒技術比較Table 3 Comparison of typical straw bale combustion technologies

5 秸稈捆燒技術研究趨勢及效益分析

5.1 秸稈捆燒技術研究機構與趨勢

采用全球文獻調研的方式，在Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫進行論文檢索，利用關鍵詞檢索和摘要檢索的方式進行農(nóng)作物秸稈捆燒及排放技術發(fā)展情況調研分析。圖7 為秸稈捆燒及排放技術重點top10 機構發(fā)文總被引頻次分布，總引頻次最高的是丹麥理工大學，為1 440次；瑞典查爾姆斯理工大學是 933 次，居第二位；第三位的是芬蘭國家技術研究中心，總被引頻次為 797 次，表明了歐洲發(fā)達國家在秸稈捆燒領域具有一定的領先地位。圖8 為TOP10 國家發(fā)文趨勢，整體發(fā)文量呈上揚趨勢，表明秸稈捆燒技術已經(jīng)逐漸引起了科研工作者的重視。

圖7 TOP10 機構發(fā)文總被引頻次分布Fig.7 Distribution of total cited frequency of organization documents

5.2 秸稈捆燒技術研究熱點與趨勢

利用 VOS 軟件分析秸稈捆燒技術關鍵詞的主題聚類，顏色深度代表時間，球體大小代表關鍵詞頻次，由圖 9 可見，在秸稈捆燒及排放技術領域中，發(fā)文量最高的領域關鍵詞依次為 efficiency、concentration、biomass combustion、energy、biomass boiler、plant、particle、simulation 等，說明本領域內主要研究集中在秸稈捆燒的能效、煙氣排放、鍋爐結構以及仿真模擬等方面。從年度詞匯分布顯示，主要的發(fā)文集中在2008—2015 年間，在 2015 年后，熱點關鍵詞轉向于 biomass boiler、concentration、simulation，可以看出秸稈捆燒技術的研究已側重于煙氣減排以及環(huán)境影響評價等方面，研究方法上更多結合了模擬分析手段，深入開展機理研究和參數(shù)優(yōu)化。

5.3 捆燒技術效益分析

秸稈捆燒技術具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。以供暖面積1 萬m2，100 戶用暖需求為例，需要1 400 kW供暖鍋爐，秸稈打捆直燃鍋爐投資55 萬元，打捆秸稈價格 200 元/t，年消耗秸稈約 600 t，按照設備設施折舊期10 a，取暖季為120 d，每天滿功率運行10 h，秸稈壓塊和秸稈打捆燃料均采用玉米秸稈為原料。結果如表 4 所示，打捆直燃鍋爐采暖季取暖費用為19.8 元/m2，燃煤鍋爐的取暖費用為25.5 元/m2，秸稈壓塊鍋爐的取暖費用為25.1 元/m2，燃氣鍋爐的取暖費用為 31.4 元/m2，因此打捆直燃鍋爐具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢[56-57]。另外，捆燒秸稈供暖代替煤炭供暖，每年每平米減少SO2排放0.38 kg，減少CO2排放1.54 kg，具有較好的環(huán)保效益[58]。

圖8 TOP10 國家發(fā)文趨勢Fig.8 Trend of top10 national publishing

圖9 秸稈捆燒論文技術熱點分布與趨勢Fig.9 Hot spot distribution and trend of straw bale combustion technology

表4 不同供暖方式取暖成本Table 4 Cost of different heating modes

在技術推廣應用方面，歐洲發(fā)達國家的秸稈捆燒鍋爐產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展較為成熟。丹麥 Alcon 公司[59]研發(fā)的秸稈捆燒鍋爐功率從 12 kW 到 1 200 kW，熱效率能達到87.5%，主要銷往丹麥、挪威、瑞典、愛爾蘭等國家。波蘭 MetalERG 公司[60]自 1993 年來已出口 800 多臺EKOPAL 系列秸稈捆燒鍋爐，已安裝有700 臺EKOPAL RM 系列鍋爐，總功率約為84 MW。捷克Step Trurnov公司[60]生產(chǎn)的秸稈捆燒鍋爐功率從100 kW 到5 000 kW，主要用于住宅區(qū)、政府機構、農(nóng)舍等供熱，鍋爐總功率超過40 MW。中國秸稈捆燒技術推廣應用處于起步階段，其中遼寧眾緣環(huán)保設備制造有限公司、承德本特有限技術公司、朝陽玉杰能源科技有限公司等相關企業(yè)，也生產(chǎn)制造了不同類型的捆燒鍋爐，在遼寧、黑龍江、河北等地區(qū)開展推廣應用，取得了較好的應用效果。

6 結 論

本文對秸稈捆燒基礎研究和技術研究現(xiàn)狀進行了梳理，對不同供暖技術進行了效益分析，并進行了秸稈捆燒技術文獻調研，得出以下結論與建議：

1）秸稈捆燒技術具有供暖工藝流程簡便、運行成本低等特點，具有較好的應用價值，適用于我國北方村鎮(zhèn)清潔供暖的產(chǎn)業(yè)化推廣。

2）稈捆燒技術已經(jīng)逐漸引起了科研工作者的重視，歐洲發(fā)達國家在秸稈捆燒領域研究較早，在捆燒機理、鍋爐結構、煙氣減排等方面取得了一定的研究進展，目前捆燒技術的研究熱點傾向于煙氣減排以及環(huán)境影響評價等方面。

3）現(xiàn)有秸稈捆燒技術仍然存在燃燒不充分、煙氣污染物生成機理不清晰、NOX和顆粒物排放較高等問題，建議深入開展秸稈捆燒燃燒與污染物排放特性研究，開展秸稈捆燒鍋爐結構及配風工藝優(yōu)化，從源頭減少煙氣污染物生成。