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生物质固体成型燃料燃烧监测技术与设备研究

摘要：介绍了典型的生物质固体成型燃料自动燃烧器和成型燃料炉排式锅炉，分析了国家相关设备的热工性能检测指标、污染物排放监测指标及国内外成型燃料燃烧设备的监测系统的差距，指出我国目前存在的燃烧设备检测监测标准缺乏、不完善，监测设备独立、单一及未成系统等问题，提出提高燃烧效率，建立统一的评价标准等相关建议，以期为我国生物质固体成型燃料产业发展提供参考。

引言

生物质能作为人类赖以生存的重要能源之一，具有环境友好和可再生的双重属性[1]。其中，生物质固体成型燃料能量密度较高[2]，易于运输，燃烧特性明显改善[3]，是生物质能主要利用方向之一。

20世纪30年代，国外开始发展生物质固体成型燃料技术，现已达到商业化应用程度。日本、美国及欧洲一些国家的生物质固体成型燃料燃烧设备已经定型，并实现产业化经营，在供热、供暖、干燥和发电等领域都有推广应用[4]，[5]。上世纪80年代，我国开始生物质成型技术的研究[6]，成型设备现已形成了一定的生产规模[7]，加工制造技术也发展的较为成熟，市场上已出现生物质锅炉等燃烧设备。

对燃烧设备进行监测是保证生物质燃烧系统正常工作的重要手段之一，包括对输入参数、燃烧状态、排放烟尘等进行监测，对调整燃烧设备的设置参数，提高燃烧效率，减少污染物排放有着重要的意义。目前，我国多是针对煤粉燃烧器或锅炉开展该方面的研究，且监测参数较为单一，主要集中在一次和二次风速、燃烧室火焰、煤粉浓度等方面[8]，[9]。在生物质固体成型燃料燃烧设备的监测方面，还未见诸报道。

本文拟通过对国内外生物质固体成型燃料燃烧设备及其检测、监测和控制等方面的资料进行分析，提出存在的问题和下一步的发展方向，以期为我国生物质固体成型燃料产业发展提供参考。

1生物质固体成型燃料燃烧设备

生物质固体成型燃料燃烧设备是一种以生物质固体成型燃料为主的高效燃烧设备，具有燃料单一、运行稳定、热输出均匀等优点[10]。现有的燃烧设备以生物质颗粒燃料自动燃烧器和成型燃料炉排式锅炉为主，两种设备在结构、配套系统等方面相差很大，应用场所亦有所不同。

1.1生物质颗粒燃料自动燃烧器

欧盟的生物质燃烧设备以自动燃烧器为主，与料仓、锅炉等搭配使用，可以长时间地自动运行，燃烧效率可达80%以上[11]。通过与不同的热交换设备配套使用，可实现取暖、热水、工业干燥等多种功能[7]。

典型的生物质颗粒燃料自动燃烧器一般由点火系统、配风系统、燃烧室、清灰（排渣）系统和自动控制系统等几部分组成[12]。图1（a）为一台典型的燃烧器，图1（b）为生物质颗粒燃烧器的工作系统[13]。

燃烧器工作时，由自控系统进行控制，点火系统和配风系统配合将燃料点燃，进料系统持续进料，配风系统鼓风，清渣系统及时清除灰渣，使得燃料在燃烧室内持续、高效燃烧。

由于燃烧器的各个输入变量是独立的，且可以通过控制相应的电机来精确控制变量值，同时在燃烧器和配套锅炉内安置火焰传感器和温度传感器，可以对点火、燃烧状态进行较为精确的监测并反馈到控制系统中，进行判断，因果关系更加明确。燃烧器可实现自动控制，连续燃烧，但其结构较为复杂、价格昂贵。另外，此类燃烧器仅适用于颗粒燃料，压块燃料由于体积较大，不适用于均匀进料的燃烧设备。

在我国，针对以秸秆为原料生产的成型燃料灰含量高、易结渣等问题，农业部规划设计研究院研究开发的秸秆固体成型燃料燃烧器，采用双层燃烧筒装置，实现三级配风，添加螺旋清灰破渣机构，提高了燃烧效率，减少了污染物排放[14]。

1.2成型燃料炉排燃烧设备

国内成型燃料燃烧器主要以炉排式生物质锅炉为主，应用面较广，但是自动化水平不高。现在最常见的是手烧炉排式锅炉，操作简单，燃料种类适用性广，压块和颗粒燃料均可。图2所示为河南农业大学研发的双层炉排生物质固体成型燃料锅炉[15]。

生物质固体成型燃料在炉排上燃烧，上炉排的生物质屑和灰渣漏到下炉排上继续燃烧直至燃烬。成型燃料在上炉排燃烧形成的烟气和部分可燃气体透过燃料和灰渣进入上、下炉排间的炉膛进行燃烧，并与下炉排燃料产生的烟气一起，通过出烟口流向燃烬室和对流受热面。炉排的燃烧方式，实现了生物质固体成型燃料的分步燃烧，缓解了生物质燃烧速度，达到燃烧需氧与供氧的匹配，使生物质固体成型燃料可以持续稳定燃烧[16]，[17]。

但是整个燃烧设备没有自动控制设备，也未安装监控系统，且污染物排放量较大，与国外的相关产品还有很大差距。

2燃烧设备的监测指标和标准

生物质固体成型燃料燃烧设备的燃烧情况优劣，需要明确监测指标，根据标准进行评判。目前，国内并没有针对生物质成型燃烧设备的燃烧测试标准，一般可参考《工业锅炉热工性能试验规程（GB10180-