生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電，是牛物質(zhì)能利用的一種重要形式．我國的牛物質(zhì)資源豐富，且種類繁多，特別是農(nóng)業(yè)秸稈類生物質(zhì)占較大比例．由于秸稈類生物質(zhì)燃料存在揮發(fā)分高、氧含最高、水分高、灰分低以及堿金屬含量高等特點(diǎn)，對(duì)于燃燒技術(shù)和燃燒設(shè)備的要求相對(duì)較高．歐洲以及北美國家，如丹麥，大都采用層燃方式純?nèi)寂Ｎ镔|(zhì)，或者采取生物質(zhì)與煤、垃圾、污泥等廢棄物共燃的方式．流態(tài)化燃燒技術(shù)是燃燒特種燃料技術(shù)中靈活性最高的，具有燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)．但是，采用流化床燃燒生物質(zhì)燃料時(shí)，由于生物質(zhì)燃料中大多含有堿金屬元素K、Na等，在燃燒過程中所形成的KCI、K2 S04 .K2 C03等堿金屬化合物將與床料（主要成分為Si02）發(fā)生反應(yīng)生成K20·nSi02等具有黏性的低熔點(diǎn)物質(zhì)，造成床料黏結(jié)，最終將影響整個(gè)流化床的運(yùn)行．目前解決上述問題的方法主要分為3類：一是控制燃燒溫度，二是選擇性地使用礦物添加劑和床料；三是對(duì)生物質(zhì)燃料進(jìn)行預(yù)處理．另一方面，由于生物質(zhì)原料松散、體積大、堆積密度小，在給料方式和給料系統(tǒng)方面還需進(jìn)一步研究．目前對(duì)于生物質(zhì)成型技術(shù)的研究開發(fā)和生物質(zhì)成型燃料特性研究均有報(bào)道，富通新能源生產(chǎn)銷售木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還大量銷售楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料。
    本文作者在0.15 MW循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)上，選擇性地使用床料和添加劑，進(jìn)行純玉米秸稈成型燃料和蘋果樹枝成型燃料的燃燒試驗(yàn)，研究這兩種生物質(zhì)成型燃料在循環(huán)流化床中的燃燒特性和排放特性。
1、試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法
1.1試驗(yàn)系統(tǒng)
  試驗(yàn)所用的0.15MW循環(huán)流化床試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)臺(tái)包括燃燒系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、供風(fēng)和排煙系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、煙氣分析系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)．燃燒系統(tǒng)中，爐膛橫截面為圓形，內(nèi)徑為300 mm，高7 500 mm.爐膛內(nèi)插入冷卻水管，通過改變插入深度調(diào)節(jié)爐膛溫度，位于爐膛底部的布風(fēng)板上均布風(fēng)帽，布風(fēng)板接一次風(fēng)箱，一次風(fēng)通過布風(fēng)板供人爐膛，沒有采用二次風(fēng)，在爐膛側(cè)壁距離布風(fēng)板約860 mm處設(shè)置兩個(gè)水平給料口，分別與兩臺(tái)螺旋給料機(jī)直接連接，一臺(tái)用于加入成型生物質(zhì)燃料，一臺(tái)用于加入黏土添加劑，返料流化風(fēng)由空氣壓縮機(jī)提供，煙氣從爐膛頂部離開爐膛后進(jìn)入旋風(fēng)分離器，之后進(jìn)入省煤器降溫，經(jīng)布袋除塵器后通過引風(fēng)機(jī)經(jīng)煙囪排放．采用床下油燃燒器點(diǎn)火啟動(dòng)，試驗(yàn)過程中的給料量、空氣流量、溫度和壓力等參數(shù)可以實(shí)時(shí)顯示和控制，采用傅里葉紅外分析儀對(duì)煙氣進(jìn)行在線分析，煙氣取樣點(diǎn)位于省煤器后，此處的煙氣溫度約350℃。
1.2試驗(yàn)方法
    試驗(yàn)中所使用的燃料分別為經(jīng)過粉碎成型的顆粒狀玉米秸稈和蘋果樹枝，在成型過程中沒有添加其它物質(zhì)，燃料顆粒的直徑為6 mm、長度為10 mm，產(chǎn)地為遼寧營口一帶，表l為這兩種生物質(zhì)成型燃料的元素分析和工業(yè)分析結(jié)果，表2為灰的主要化學(xué)成分和灰熔融性的分析結(jié)果．試驗(yàn)中采用特殊爐渣作為床料，黏土作為添加劑，黏土在試驗(yàn)過程中通過螺旋給料機(jī)間斷地加入．黏土的主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。
    試驗(yàn)中，生物質(zhì)的給料速率為29 ~33kg/h，爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)控制在10%．試驗(yàn)共連續(xù)進(jìn)行了12h，分別進(jìn)行了不同溫度下純?nèi)加衩捉斩挸尚腿剂�、混燃玉米秸稈成型燃料和蘋果樹枝成型燃料（混合比例（質(zhì)量比）為1：1）的燃燒特性和排放特性，試驗(yàn)過程中對(duì)飛灰和底渣取樣，進(jìn)行成分和碳燃盡率檢測(cè)，取樣位置如圖l所示，文中所述的氣體污染物排放濃度均為轉(zhuǎn)換成干煙氣、11%的氧氣體積分?jǐn)?shù)下的排放結(jié)果。
2、試驗(yàn)結(jié)果和分析
2.1燃燒特性
    爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，不同溫度下純?nèi)加衩捉斩挸尚腿剂�、混燃玉米秸稈成型燃料與蘋果樹枝成型燃料在典型工況下，爐膛內(nèi)溫度分布如圖2所示，從圖2中可以看出，爐膛上下溫度分布比較均勻，沒有特別的高溫區(qū)和低溫區(qū)，說明生物質(zhì)成型燃料顆粒進(jìn)入爐膛后上下的燃燒份額分布比較均勻，并沒有出現(xiàn)入爐后因揮發(fā)分快速析出燃燒造成的局部溫度過高的現(xiàn)象．圖3為爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)為10%、純?nèi)加衩捉斩挸尚腿剂蠒r(shí)的爐膛溫度運(yùn)行曲線，可見，運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)任何床層黏結(jié)和結(jié)焦的現(xiàn)象，圖4為爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)為10%、玉米秸稈成型燃料和蘋果樹枝成型燃料按照質(zhì)量比1：1混合加入爐膛燃燒時(shí)，爐膛溫度的運(yùn)行曲線，燃燒狀態(tài)與純?nèi)加衩捉斩挸尚腿剂蠒r(shí)基本一致。
    玉米秸稈成型燃料和蘋果樹枝成型燃料的混合物在爐膛平均溫度為880℃、爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)為10%的燃燒工況下，進(jìn)行飛灰和底渣取樣并檢測(cè)其含碳量，飛灰的碳含量為2.53%，底渣碳含量為0.3%．通過熱平衡計(jì)算得出燃燒效率達(dá)到96.8%，可見生物質(zhì)中的碳具有較高的燃燒活性。
2.2污染物排放特性
    圖5為爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)為10%、純?nèi)加衩捉斩挸尚腿剂蠒r(shí)，煙氣中CO、N20、NO、S02和HC1的排放質(zhì)量濃度隨爐膛平均溫度的變化曲線．從圖5中可以看出，CO的排放質(zhì)量濃度隨燃燒溫度的升高急劇下降，燃燒溫度低于850℃時(shí)，CO的排放質(zhì)量濃度很高，說明在較低溫度下生物質(zhì)不能夠充分燃燒．由于試驗(yàn)中沒有采取分級(jí)供風(fēng)，所以NO和N20的排放質(zhì)量濃度較高。
    純?nèi)加衩捉斩挸尚腿剂系臒煔庵�，S02的排放質(zhì)量濃度隨著燃燒溫度的升高呈增大的趨勢(shì)，圖5中S02的質(zhì)量濃度曲線為沒有采取脫硫措施情況下的排放值，雖然玉米秸稈中的硫含量較低，但是如果不采取脫硫措施，S02的平均排放質(zhì)量濃度達(dá)到529mg/m3，不能達(dá)到國家規(guī)定的環(huán)保要求，圖6和圖7為爐膛底部溫度為880℃時(shí)，典型工況下S02的排放質(zhì)量濃度曲線．由于蘋果樹枝中的硫含量大大低于玉米秸稈中的硫含量，所以燃燒玉米秸稈和蘋果樹枝混合物時(shí)，尾氣中S02的排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于純?nèi)加衩捉斩挄r(shí)的排放質(zhì)量濃度，平均排放質(zhì)量濃度只有109 mg／m3.因此，循環(huán)流化床燃燒生物質(zhì)時(shí)，是否需要采取脫硫措施取決于生物質(zhì)的種類。
    由于玉米秸稈和蘋果樹枝中Cl元素的含量較高，因此燃燒過程中將產(chǎn)生HC1氣體．從圖5中可以看出，隨著燃燒溫度的升高，HCI的生成量增大，煙氣中的排放質(zhì)量濃度較高，最大排放值達(dá)到802mg/m3.圖8和圖9分別為爐膛底部溫度為880℃時(shí)，純?nèi)加衩捉斩挸尚腿剂�、混燃玉米秸稈成型燃料和蘋果樹枝成型燃料的典型工況下，HCI排放質(zhì)量濃度曲線，由圖8和圖9可見，混燃玉米秸稈成型燃料和蘋果樹枝成型燃料時(shí)，由于蘋果樹枝的氯含量低于玉米秸稈，所以HC1的排放質(zhì)量濃度較純?nèi)加衩捉斩挸尚腿剂蠒r(shí)低，平均值為458mg/m3，但是此排放質(zhì)量濃度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，必須采取措施降低HCI的排放值。
2,3添加劑和選擇性床料對(duì)于控制黏結(jié)的作用
    試驗(yàn)研究表明，如果以砂子（主要成分是S102）作為流化床的床料，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，床層將出現(xiàn)黏結(jié)現(xiàn)象．原因是生物質(zhì)在流化床燃燒過程中所生成的堿金屬化合物，如KC1、Nacl、K2S04.K2C03等，將與床料反應(yīng)，生成具有黏性的低熔點(diǎn)物質(zhì)硅酸鉀和硅酸鈉，反應(yīng)式如下：
    針對(duì)流化床純?nèi)忌�物質(zhì)所存在的床料黏結(jié)問題，本試驗(yàn)中采取了特殊床料和適當(dāng)使用添加劑的方法，整個(gè)試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)溫度和壓力的非正常波動(dòng)，沒有出現(xiàn)任何床層黏結(jié)現(xiàn)象．試驗(yàn)中采用特殊爐渣作為床料，由于爐渣中不含SiO2，僅混有極少量的砂子，所以反應(yīng)(1)一(4)的低熔點(diǎn)物質(zhì)硅酸鉀和硅酸鈉的生成量較少；同時(shí)，在燃燒過程中間斷地添加黏土作為添加劑，黏土的主要成分為Al203·2S102．2H20，其抑制黏結(jié)的機(jī)理如下。
    從上述的反應(yīng)式中可以看出，Al203·2Si02．2H20分解失去結(jié)晶水后不僅能夠與堿金屬化合物直接反應(yīng)，還能夠與低熔點(diǎn)物質(zhì)硅酸鉀和硅酸鈉發(fā)生反應(yīng)生成熔點(diǎn)較高的鈉長石和鉀長石，鉀長石的熔點(diǎn)為1130—1450℃，鈉長石的熔點(diǎn)為l100~1200℃，因此，黏土能夠有效地抑制生物質(zhì)在流化床燃燒過程中床料黏結(jié)的發(fā)生，同時(shí)黏土對(duì)于循環(huán)流化床的物料循環(huán)流化也起到穩(wěn)定的作用。
3、結(jié)論
    (1)玉米秸稈成型燃料和蘋果樹枝成型燃料在循環(huán)流化床中能夠穩(wěn)定燃燒，顆粒狀的生物質(zhì)燃料在爐膛上下燃燒份額的分布比較均勻，生物質(zhì)中的碳燃盡率較高，燃燒效率達(dá)到96. 8%，沒有出現(xiàn)人爐后揮發(fā)分快速析出燃燒所造成的局部溫度過高的現(xiàn)象。
    (2)循環(huán)流化床混燃玉米秸稈成型燃料和蘋果樹枝成型燃料時(shí)，煙氣中HC1的排放質(zhì)量濃度較高；純?nèi)加衩捉斩挸尚腿剂蠒r(shí)，S02的排放質(zhì)量濃度較高，但是混燃玉米秸稈成型燃料和蘋果樹枝成型燃料時(shí)．S02的排放質(zhì)量濃度較低；是否需要脫硫依生物質(zhì)中的硫含量決定。
    (3)使用特殊爐渣作為床料和加入黏土作為添加劑的方法，能夠有效抑制由于生物質(zhì)堿金屬含量較高而引起的床料黏結(jié)的發(fā)生，同時(shí)，黏土對(duì)于循環(huán)流化床的物料循環(huán)流化也起到穩(wěn)定的作用。