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生物质高温无焰燃烧技术的研究与探讨

摘要：阐述了生物质(秸秆)利用技术现状，分析了生物质气化技术、液化技术、直接燃烧技术存在的问题和不足。基于超焓燃烧思想提出生物质能利用新技术——无焰燃烧，采用了液态排渣技术、分级燃烧技术和烟气再循环等技术实现生物质(秸秆)的高效、低污染、经济、安全、大规模的高品位开发利用。

引言

随着全球工业化的快速发展，一次性能源(如石油、煤炭、天然气等)的消耗量不断增加，根据国际能源机构统计，地球上石油、天然气、煤炭3种能源可供人类开采的年限分别只有40年、50年和240年[1]。因此，人类为了自身的生存和发展，世界各国都在积极进行可再生能源的开发和利用，以减少或替代一次性能源的消耗。生物质能是仅次于煤、石油、天然气的第4大能源，在世界能源消耗中占有一定的比例。由于生物质燃烧实现了CO2零排放，消除了产生温室效应的根源，有关专家认为生物质能源将成为未来可再生能源的重要组成部分。到2050年，生物质能用量将占全球燃料直接用量的38%，生物质发电量占全球总发电量的17%[2]。因此，对生物质能源进行研究开发利用具有重要的经济意义、生态环境意义和社会意义。

1生物质能源利用技术现状

与化石燃料能源相比，生物质能具有可再生性、低污染性、广泛分布性以及总量丰富等独特的优点。近年来，国内外学者对生物质能源的利用进行了广泛深入的研究，主要有生物质气化燃烧技术、生物质液化燃烧技术和生物质直接燃烧技术，并取得了可喜的成绩[3～6]。但由于生物质能的研究还处于起步阶段，技术手段还不够成熟，在其利用过程中还存在着缺陷和不足，仍需作进一步研究。

1.1生物质气化技术

气化技术是将秸秆在缺氧状态下燃烧，发生化学反应，生成高品位、易输送、利用效率高的气体。目前，我国使用的秸秆气化技术，主要以固定床为主。固定床工艺一般采用空气为气化剂，这类工艺(不论是上吸式、下吸式或是平吸式的气流方式)，都具有设备结构简单、投资少、易于操作、可实现多种生物质原料的热解气化等特点。但是，得到的生物质燃气热值低，一般只有5000kJ/m3左右，且生物质气中焦油含量高，燃料利用率低，生产、输送、配给的成本较高。分析其原因，主要有2个方面：一是由于工艺路线局限，多采用空气为气化剂，使得到的燃气中氮气含量高，通常在50%左右，影响了燃气的热值；二是由于秸秆原料有些不利于气化的因素，使得燃料得不到完全气化，仅能利用燃料中的挥发成分，固定碳得不到充分利用。因此，用生物质燃气作内燃机发电燃料将会存在如下问题[7]。

(1)由于生物质气化产生的燃气热值低，它的燃烧温度、发电效率与天然气相比明显偏低，而且由于生物质燃气体积较大，压缩困难，进而降低了系统的发电效率。为了保证相同的出力，必须对内燃机的进料系统、燃烧系统、压缩比等做较大改动。

(2)由于H2的着火速度比其他燃气快，在H2含量过高时，容易造成点火不稳定而引***燃。据研究资料表明，生物质燃气的氢气含量差别很大，流化床一般在10%左右，而固定床有时高达15%。

(3)焦油、灰分杂质的影响。虽然生物质燃气经过了严格的净化，但仍含有一定量的焦油和灰分。焦油会引起点火系统失灵，燃烧后积炭会增加磨损，而含灰量太高也会增加设备磨损，严重时会引起拉缸。所以，一般生物质燃气内燃机机组的配件损耗率和润滑油消耗量与其他燃气内燃机相比都会成倍增加。

(4)排烟温度过高及效率过低问题。由于低热值燃气燃烧速度比其他燃料慢，低热值燃气内燃机的排烟温度比其他内燃机明显偏高。这就造成设备材料容易老化且系统效率明显降低。

1.2生物质液化燃烧技术

生物质热解液化是将难处理的固体生物质及其他废弃物比较容易地转化为液体生物质油，以便于运输、贮存、燃烧和改性。这样，能更好地利用生物质及其他废弃物，并减少直接燃烧引起的环境污染。

生物质原油可直接用作各种工业燃油锅炉透平的燃料，也可通过对现有内燃机供油系统进行简单改装，直接作为内燃机引擎的燃料，并且生物质油不含硫，不会造成酸雨，其他排放物也均在可接受的范围内。对生物质原油进行催化和品位升级处理，可获得高品质的汽油或柴油。生物质液化可能是最有前途的方法之一，但其存在的问题是：

(1)生物质液化之后，液体燃料的成分非常复杂，其中许多组分仍然是未知的，还需要对其分解加工技术进一步进行研究。

(2)生物质油成本通常比矿物油高10%～100%，且生物质油与传统燃料不相容，需要专用的燃料处理设备[8]。

(3)广大用户不熟悉这种产品，且不同生物质油品质相差很大，生物质油的使用和销售也缺少统一标准，阻碍了其广泛应用。

目前，将生物质油代替石油作为各种发动机的燃料，仍需要一定的时间。

1.3生物质直接燃烧技术

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