3.6　生物质成型燃料燃烧

对于农林废弃物类固体有机废弃物而言，绝大多数的热值都较低，其燃烧特性较差，燃烧过程中的黑烟较多，对环境不友好，而且堆积密度大，不便于储存和运输。如能将其制成具有一定粒度的成型燃料，则可提高其能量密度，改善其燃烧特性，减少燃烧过程中的黑烟，而且便于储存和运输。

3.6.1　生物质成型燃料的燃烧过程与机理

作为固体燃料的一种，生物质成型燃料的燃烧过程也要经历点火、燃烧等阶段。

（1）点火过程

生物质成型燃料的点火过程是指生物质成型燃料与氧分子接触、混合后，从开始反应到温度升高至激烈的燃烧反应前的一段过程。实现生物质成型燃料的点火必须满足：生物质成型燃料表面析出一定浓度的挥发物，挥发物周围要有适量的空气，并且具有足够高的温度。生物质成型燃料的点火过程是：a．在热源的作用下，水分被逐渐蒸发逸出生物质成型燃料表面；b．生物质成型燃料表面层燃料颗粒中的有机质开始分解，有一部分挥发性可燃气态物质分解析出；c．局部表面达到一定浓度的挥发物遇到适量的空气并达到一定的温度，便开始局部着火燃烧；d．随后点火面逐渐扩大，同时也有其他局部表面不断点火；e．点火面迅速扩大为生物质成型燃料的整体火焰出现；f．点火区域逐渐深入生物质成型燃料内部一定深度，完成整个稳定点火过程。点火过程如图3-42所示。

影响点火的因素有：点火温度、生物质的种类、外界的空气条件、生物质成型燃料的密度、生物质成型燃料的含水率、生物质成型燃料的几何尺寸等。

生物质成型燃料由高挥发分的生物质在一定温度下挤压而成，其组织结构限定了挥发分由内向外的析出速率，热量由外向内的传递速率减慢，且点火所需的氧气比原生物质有所减少，因此生物质成型燃料的点火性能比原生物质有所降低，但远远高于型煤的点火性能。从总体趋势分析，生物质成型燃料的点火特性更趋于生物质点火特性。

（2）燃烧机理

生物质成型燃料的燃烧机理属于静态渗透式扩散燃烧，其燃烧过程如图3-43所示。从着火后开始，包括如下几个阶段：a．生物质成型燃料表面可燃挥发物燃烧，进行可燃气体和氧气的放热化学反应，形成火焰。b．除了生物质成型燃料表面部分可燃挥发物燃烧外，成型燃料表层部分的炭处于过渡燃烧区，形成较长火焰。c．生物质成型燃料表面仍有较少的挥发分燃烧，更主要的是燃烧向成型燃料更深层渗透。焦炭进行扩散燃烧，燃烧产物CO₂、CO及其他气体向外扩散，行进中CO不断与O₂结合成CO₂，燃料表层生成薄灰壳，外层包围着火焰。d．燃烧进一步向更深层发展，在层内主要进行炭燃烧（2C+），在成型燃料表面进行CO的燃烧（即），形成比较厚的灰壳。由于生物质的燃尽和热膨胀，灰层中呈现微孔组织或空隙通道甚至裂缝，较少的短火焰包围着成型块。e．灰壳不断加厚，可燃物基本燃尽，在没有强烈干扰的情况下，形成整体的灰球，灰球表面几乎看不出火焰而呈暗红色，至此完成了生物质成型燃料的整个燃烧过程。

3.6.2　生物质成型燃料的燃烧特性

（1）原生物质的燃烧特性

原生物质，特别是秸秆类生物质，密度小、体积大，其挥发分高达60%～70%之间，点火温度低，易点火。同时热分解的温度又比较低，一般在350℃就释放出80%左右的挥发分。燃烧速率快，燃烧开始不久就迅速由动力区进入扩散区，挥发分在短时间内迅速燃烧，放热量剧增，在传统燃烧设备中，高温烟气来不及传热就由烟囱排出，因此造成大量的排烟损失。另外，挥发分剧烈燃烧所需要的氧量远远大于外界扩散所供应的氧量，导致供氧明显不足，较多的挥发分不能燃尽，形成大量的CO、H₂、CH₄等产物，产生大量的气体不完全燃烧损失。

当挥发分燃烧完毕，进入焦炭燃烧阶段时，由于生物质焦炭的结构为松散状，气流的扰动就可使其解体并悬浮起来，从而脱离燃烧层，迅速进入炉膛的上方空间，经过烟道而进入烟囱，形成大量的固体不完全燃烧损失。此时燃烧层剩下的焦炭量很少，不能形成燃烧中心，使得燃烧后劲不足。这时如不严格控制进入的空气量，将使空气大量过剩，不但降低炉温，而且增加排烟热损失。

总之，原生物质燃烧的速率忽快忽慢，燃烧所需的氧量与外界供给的氧量极不匹配，呈波浪式燃烧，燃烧过程不稳定。

（2）生物质成型燃料的燃烧特性

由于生物质成型燃料是经过高压而形成的块状燃料，其密度远大于原生物质，其结构与组织特征决定了挥发分的逸出速率与传热速率都大大降低，点火温度有所升高，点火性能变差，但比型煤的点火性能要好，从点火性能考虑，仍不失生物质的点火特性。燃烧开始时挥发分慢慢分解，燃烧处于动力区，随后挥发分燃烧逐渐进入过渡区与扩散区。如果燃烧速率适中，能够使挥发分放出的热量及时传递给受热面，使排烟热损失降低，同时挥发分燃烧所需的氧量与外界扩散的氧量很好地匹配，挥发分能够燃尽，又不过多地加入空气，炉温逐渐升高，减少了大量的气体不完全燃烧损失与排烟热损失。挥发分燃烧后，剩余的焦炭骨架结构紧密，运动的气流不能使骨架解体悬浮，骨架炭能保持层状燃烧，能够形成层状燃烧核心。这时炭的燃烧所需要的氧与静态渗透扩散的氧相当，燃烧稳定持续，炉温较高，从而减少了固体与排烟热损失。在燃烧过程中可以清楚地看到炭的燃烧过程，蓝色火焰包裹着明亮的炭块，燃烧时间明显延长。

总之，生物质成型燃料的燃烧速率均匀适中，燃烧所需的氧量与外界渗透扩散的氧量能够较好地匹配，燃烧波动小，燃烧相对稳定。

3.6.3　生物质成型燃料的燃烧装置

生物质成型燃料的一般特点是水分高、灰分少、挥发分高、发热值偏低、形状不规则，除一些农产品果实的外壳（稻壳、核桃壳）和果核（玉米芯、桃核等）可直接燃烧外，其他的燃料如秸秆、树枝等在燃烧前必须经过处理，以使能够布料并保证燃烧的均匀。

理论上来说，块煤、粉煤、油或气体燃烧装置都可以燃烧生物质燃料，但由于生物质材料特有的燃烧特性，在这些燃烧装置中燃烧生物质成型燃料还存在许多问题，如粉状燃烧时，首先应将其制成粉末，但由于生物质成型燃料是非脆性材料，磨制时易生成纤维团而不是粉状，而且需要预先干燥，而干燥高水分的生物质成型燃料则需要消耗大量的热。因此，目前针对生物质成型燃料的特性开发了一些燃烧装置。

（1）生物质成型燃料层状燃烧装置

可以采用与块煤同样形式的层状燃烧装置，如图3-44所示。国内也有一些企业将燃煤炉改造成燃生物质成型燃料的实例，如图3-45所示。

采用层状燃烧炉燃烧生物质成型燃料，燃料通过料斗送到炉排上时，不可能像煤那样均匀分布，而容易在炉排上形成料层疏密不均，从而使布风不匀。薄层处空气短路，不能用来充分燃烧，厚层处需要大量空气用于燃烧，但由于这里阻力较大，因而空气量较燃烧所需的空气量少，这种布风将不利于燃烧和燃尽。

由于生物质的挥发分很高，在燃烧的开始阶段，挥发分大量析出，需要大量空气用于燃烧，如这时空气不足，可燃气体与空气混合不好，将会导致气体不完全燃烧损失急剧增加。同时，由于生物质比较轻，容易被空气吹离床层而带出炉膛，这样导致固体不完全燃烧损失很大，因而燃烧效率很低。另外，当生物质成型燃料含水率很高时，水分蒸发需要大量的热量，干燥及预热过程需要较长时间，所以生物质燃料在床层表面很难着火，或着火推迟，不能及时燃尽，造成固体不完全燃烧损失很高，导致加热装置燃烧效率、热效率均较低，实际运行的层状燃烧装置的热效率有的低达40%。另外，一旦燃尽后，由于灰分很少，不能在炉排上形成一层灰以保护后部的炉排不被过热，从而导致炉排被烧坏。

目前国内外大多采用倾斜炉排的生物质成型燃料燃烧炉，炉排有固定和振动两种。这种堆积燃烧型炉结构简单，但热效率低，燃烧时温度难以控制，劳动强度大。

（2）生物质成型燃料流化床燃烧装置

流化燃烧具有混合均匀、传热和传质系数大、燃烧效率高、有害气体排放少、过程易于控制、反应能力高等优点，因此利用流化床燃烧装置对生物质进行热化学处理越来越受到人们的关注。然而，单独的生物质形状不规则，呈线条状、多边形、角形等，当量直径相差较大，受到气流作用容易破碎和变形，在流化床中不能单独进行流化。以锯末为例，气流通入以纯锯末为流化物的流化床中，床中将出现若干个弯曲的沟流，大部分气体从中溢出，无法实现正常的流化。通常加入廉价、易得的惰性物料如砂子、白云石等，使其与生物质构成双组分混合物，从而解决了生物质难以流化的问题。

采用流化床燃烧方式时，密相区主要由媒体组成，生物质燃料通过给料器送入密相区后，首先在密相区与大量媒体充分混合，密相区的惰性床料温度一般在850～950℃之间，具有很高的热容量，即使生物质含水率高达50%～60%，水分也能迅速蒸发干，使燃料迅速着火燃烧。加上密相区内燃料与空气接触良好，扰动强烈，因此燃烧效率显著提高。

生物质燃料媒体流化床的一个关键问题是如何选择媒体种类与尺寸，如何得到流化速度。Azner在直径14cm、30cm的流化床中系统研究了谷类秸秆、松针、锯末、不同尺寸的木块切片与砂、硅砂、FCC（流化催化裂化催化剂）构成的双组分混合物的最小流化速度，发现硅砂适宜尺寸在200～297m，白云石在397～630m，FCC在65m。混合物的最小流化速度随生物质占混合物的体积分数在2%～50%之间缓慢上升，达到50%后急剧上升，而达到75%～80%时混合物体系不再流化。已有的预测混合物最小流化速度的关联式都与各单个组分的最小流化速度有关，而单一生物质的流化速度无法得到，导致原有的关联式不能应用。而且，不同生物质双组分的流化曲线形状差异很大，也不易得到通用预测式。因此，应通过试验确定生物质与惰性颗粒双组分混合物的最小流化速度。

生物质的另一个流化问题是惰性物料与它的混合、分离。生物质在流化床中处理时要求二者混合均匀，避免分离。Rasul以甘蔗渣与砂的粒径比、密度比分别为横、纵坐标，得出该双组分混合物的混合-分离图，对其他生物质双组分混合物具有一定的参考价值。