王振宇

摘要：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。

关键词：生物质灰;灰化温度;结渣性;资源化利用

引言

随着化石能源（煤、石油、天然气）的不断消耗，环境污染日趋严重。总量丰富、碳中性、可再生等优点的生物质越来越受到人们的关注。在燃料方面的开发和利用对于改善我国能源消费结构、降低环境污染、促进经济发展意义重大。由于生物质灰中富含碱金属，在燃烧过程中因其灰熔点较低易出现腐蚀、结垢、结渣等问题。因此灰熔融特性调控成为目前生物质转化的研究热点。

1生物质灰熔融特性的调控途径

1.1添加剂对生物质灰熔融特性的影响

添加剂主要有Al2O3、SiO2以及钙镁含量高的化合物，不同的添加剂对生物质灰熔融特性的作用机理不同。

在生物质燃烧过程中钾易形成低熔点化合物，易粘附飞灰颗粒，是形成积灰或结渣的重要原因。添加少量Al2O3可以大大改善操作条件，有助于减轻结渣。不同类型的生物质或生物质与其他燃料（例如污水污泥、农业生产垃圾和煤）的共燃也可有助于减少沉积物的形成，改变生物质的结渣特性。

1.2煤与生物质混合燃料的灰熔融特性

煤与生物质共利用为生物质的大规模利用提供了方向，减少了对化石燃料的过渡依赖和污染气体的排放。将煤和生物质以合适的比例混合，可以减少混合灰中碱金属的含量，从而提高生物质的灰熔点，避免生物质单独燃烧时产生的一些操作问题（灰沉积、烧结、结渣等）。这主要是由于煤中碱金属含量较少，Si、Al含量较高。随着煤含量的增加，生物质灰熔融温度升高，引起温度变化的原因是因为长平煤灰中的石英和莫来石与生物质中的成分发生反应生成钠长石、白榴石和尖晶橄榄石等矿物质;在熔融特性方面，煤灰易形成高黏度的高温难熔体，稻草灰熔融时会释放更多的挥发物，易形成低黏度熔体。稻草和煤的混合灰则易发生流动，有利于矿物质发生反应而熔融。

2燃烧过程中排放的气体污染物

2.1氮氧化物

燃料燃燒过程中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释放量的1/3和1/2。Murari等研究发现：稻草颗粒（N占0.87%）燃烧后NOx排放量约为315mg/m3，而木质颗粒（N占0.05%）为67mg/m3，稻草颗粒中含N量是木质颗粒的17.4倍，而NOx排放量只有木质颗粒的4.7倍，这表明燃料中N的含量越高，N转化成NOx的转化率越低，Eskilsson等和Dias等也都得出同样的结论。燃烧温度、空气流量等因素也会影响NOx释放量。本课题组通过实验发现：700～900℃的温度范围内，随温度升高，反应过程中中间产物HCN的生成率增加，NOx释放量随之增大;继续升高温度，反应速率大幅增加，O2浓度下降，主燃烧区呈现强还原性气氛，部分NO被还原，使得NOx释放量反而呈现下降趋势。

2.2颗粒物

燃料燃烧排放的颗粒物（尤其是细颗粒物）对人体健康具有潜在危害，应该引起关注。生物质中的钾等金属元素通过燃烧释放出来，大部分以无机盐形式凝结成渣，但也有一小部分以气溶胶形式进入环境，这是颗粒物形成的一个重要途径。生物质颗粒燃料燃烧产生的烟尘成分复杂，包括含C的烟灰、挥发性有机物（VOC）、多环芳烃及由复杂有机和无机组分组成的气溶胶等，其中PM2.5所占比重较大，并且颗粒物气溶胶的主要成分是K2SO4，主要元素有K、S、Cl、Zn、Na、Pb。生物质燃料燃烧排放的颗粒物远少于煤，如松木和玉米秸秆燃烧后排放的颗粒物比传统煤燃料减少70%。但是，高温富氧条件下还原性气氛增强，挥发分大量析出并燃烧，颗粒物产生量会有一定增加

3生物质的结渣性

生物质元素组成不同，燃烧结渣性不同，主要原因是燃烧灰矿物组成各异。生物质灰的结渣性与其中碱金属氧化物（K2O、Na2O）、碱土金属氧化物（CaO、MgO）、SiO2和Cl等含量有关。在生物质燃烧过程中，K、Na、Ca等以气体形式挥发出来，并以氯化物、硫酸盐的形式凝结在灰粒上，降低了飞灰的熔点，增强了灰表面黏性，在燃烧室气流的作用下，粘结在受热面形成结渣。生物质燃料中的氯化物在高温下参与氧化还原反应，产生HCl和Cl2，与炉膛或者换热器金属表面发生化学反应，造成了受热面的腐蚀。木质类生物质中碱金属与SiO2含量较低，碱土金属含量较高，燃烧灰熔点高而不易结渣;秸秆类和草本植物生物质中碱金属与SiO2含量高，碱土金属含量低，燃烧灰熔点较低、容易结渣。以Al2O3、SiO2及Ca、Mg等含量较高的化合物为添加剂，可提高生物质灰熔温度，有效减轻结渣现象。不同添加剂改善生物质灰结渣性的作用机理不同，Al2O3、SiO2与碱金属氯化物反应生成熔点较高的矿物质KAlSiO4（1600℃）和KAlSi2O6（1500℃），提高灰熔温度，减轻生物质灰结渣性[13]。CaCO3、MgCO3高温分解生成的CaO、MgO与Al2O3、SiO2反应生成高熔点的CaSiO3、Ca3Si2O7和MgO·Ca3O3Si2O4等，减少玻璃态物质的生成，抗生物质灰结渣效果明显。

结语

生物质能的开发利用越来越受到各级政府的高度重视，生物质发电、清洁供暖、作物烘干等方面的应用已具规模，其燃烧灰也日益增多。生物质作为清洁能源，具有可再生、绿色环保等优点，但是燃烧过程中的积灰、结渣等问题，严重影响生物质燃烧设备的稳定运行。所以，生物质灰的物化特性及资源化利用需要广大科技工作者的关注。

参考文献：

[1]王娜，陈治洁，胥若曦.生物质能源应用技术的研究[J].当代化工研究，2018（3）：85-86.

[2]宋娇，杨波.生物质颗粒燃料燃烧特性及污染物排放情况综述[J].生物质化学工程，2016（4）：60-64.

[3]李冬冬.添加剂对生物质灰结渣特性影响的实验室研究[D].郑州：河南农业大学，2018.