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生物质颗粒燃料燃烧特性及其污染物排放情况综述

摘要：对生物质颗粒燃料燃烧特性及燃烧过程中污染物排放情况进行了综述，总结了燃烧过程、点火及燃尽特性和结渣特性；着重探讨了燃烧过程中氮氧化物、二氧化硫、颗粒物及氯化物、二噁英、多环芳烃等污染物的排放情况，提出了降低各污染物排放量的可行性方法；并根据我国生物质颗粒燃料的特点，对今后的研究方向进行了展望。

能源是人类赖以生存的物质基础，是社会发展的原动力。随着社会经济的快速发展，对能源的需求日益增长，化石燃料被大量消耗，人类面临能源短缺、污染严重等威胁。因此，开发可再生能源显得尤为重要。在众多可再生能源中，生物质能因其广阔的科学前景受到广泛关注。生物质能是指绿色植物经光合作用，把太阳能转化为化学能后以有机质形式固定和储藏在生物体内的能量，可实现CO2近零排放，且生物质中氮、硫含量较低，其燃烧后NOx、SO2等污染物排放量比煤小。所以，利用生物质能既可解决能源问题，也可以解决环境问题。近年来，我国高度重视大气污染防治工作，不断研究制定相关政策，积极推广清洁能源供热方式。生物质颗粒燃料是一种高效、环保、方便储存与运输、易燃的成型燃料，可代替传统燃料应用于取暖、发电等领域，但存在易结渣和腐蚀等缺点。目前我国生物质颗粒燃料产业还面临着发展瓶颈，存在着技术相对落后、缺乏排放标准等问题，因此，了解生物质颗粒燃料的燃烧特性和燃烧过程中污染物释放水平及规律十分必要。笔者在本课题组研究的基础上，着重探讨燃烧过程中氮氧化物、二氧化硫、颗粒物等污染物的排放情况，并对未来发展方向进行了展望。

1生物质颗粒燃料燃烧特性

1.1点火与燃尽特性

生物质颗粒燃料挥发分含量高、固定碳含量少的组分结构决定了其具有独特的点火和燃尽特性。生物质燃烧主要包括干燥和预热、热解释放挥发性可燃气体及挥发分燃烧、固定碳燃烧3个阶段。通常，温度达到220℃左右便开始热解释放挥发分，燃烧过程中最高温度可达到1000℃以上。

生物质颗粒燃料的点火温度在300℃左右，且燃烧迅速，燃尽温度一般不会超过500℃。Roberto等对杏仁壳、稻草、木片等5种颗粒样品的TG和DTG曲线进行分析也得到：200~400℃温度范围内均有一个最大失重峰，挥发分在此阶段基本全部析出。此外，生物质燃烧点火时间与挥发分含量呈线性关系，随挥发分含量升高而缩短；与含水率基本呈指数关系，随含水率升高而延长。

1.2结渣特性

生物质生长过程中吸收的碱金属元素在燃烧时易软化而结渣。通常，高温时易产生灰渣，且结渣特性与生物质种类有关，尤其与生物质中Cl、S、K、Si、Al的含量显著相关；碱性氧化物K2O和Na2O具有降低灰熔点的作用，故生物质中其含量越高，越易结渣；稻草等硅含量高的生物质，其灰渣特性取决于硅酸盐的化学性质，因此其结渣率相对较高；生物质能源具有许多优点，但结渣问题却阻碍了其推广与发展。结渣率与燃料的灰熔融性质及碱土金属含量有很大关系，生物质中Cl、K2O、Na2O含量越高，SiO2、Al2O3含量越低，越易结渣，Cl比率和S比率分别定义为[(Cl＋K2O＋Na2O)/(SiO2＋Al2O3)]和[(Svolatile＋K2O＋Na2O)/(SiO2＋Al2O3)]，Cl比率和S比率分别高于2.4和1.9时易结渣，低于1.0和0.5时结渣率下降[18]。生物质的结渣率通常随软化温度的升高而降低，随碱土金属含量的增大而增大，如果添加适当的添加剂(如CaO和Al2O3)可有效改善燃料性能，减少结渣现象。

2燃烧过程中排放的气体污染物

生物质颗粒燃料直接燃烧产生的污染物主要分为未燃尽污染物和燃尽污染物两类。由于燃烧技术的进步，未燃尽污染物的问题并不明显，所以，污染物的排放问题主要来自完全燃烧产生的污染物，如NOx、SO2、颗粒物、酸性气体(如HCl)、多环芳烃、二噁英等[19]，污染物性质及排放量与燃料种类密切相关[20]。

2.1氮氧化物

燃料燃烧过程中NOx的生成有3种途径，即热力型NOx、瞬态型NOx和燃料型NOx。生物质燃烧温度很难达到1300℃以上，基本不产生热力型NOx，80％的NOx来自于燃料中N的氧化(燃料型NOx)，也有少量是在特定条件下由空气中的N转化而成(瞬态型NOx)。NOx的排放量主要与生物质颗粒燃料中N的含量有关。通常，燃料中N含量越高、O/N比值越大，NOx排放量越高。另外，S/N比也影响NOx的排放，一般情况下SO2的排放量较高，则NOx的排放量就较低。生物质燃烧过程中NOx的释放峰值有两个，分别出现在挥发分的析出燃烧阶段和焦炭燃烧阶段，且第一个峰值大于第二个。由于生物质颗粒燃料中氮元素含量较低，故燃烧产生的NOx比煤要少很多，稻草和木材燃烧释放的NOx量分别占煤燃烧NOx释放