2 工程科学学报，第41卷，第1期 advantages and disadvantages were summarized.The main bottleneck was identified in NO,control technologies with respect to biomass boilers in China and the development of new technologies in this field was predicted. KEY WORDS biomass fuel;combustion;nitric oxides;control technology;de-NO. 目前，尽管世界上的主要燃料为煤、石油、天然 应用于锅炉进行集中燃烧供能，燃烧效率不足 气等传统的常规能源，但是，全球目前已探明储量的 15%[] 可供开采的石油、天然气和煤炭资源分别将在25、 1.2生物质燃料的特性 27和97a后用尽耗竭山；此外，化石燃料的开采、运 生物质能是可再生能源，具有生态意义上的碳 输以及使用过程中会造成较为严重的环境污染.随 的零排放，燃烧产物相对清洁.由于目前大气污染 着化石能源的日益枯竭和环境问题的日趋严重，洁 较为严重而且能源日益短缺，因此开发与利用生物 净可再生能源的开发与利用已经引起了世界的广泛 质能具有十分巨大的能源与环境保护战略意义.目 关注.生物质能是唯一一种可运输和储存的可再生 前，我国还没有颁布关于生物质固体成型燃料的统 绿色能源，并且由于具有能量高转换效率和环境友 一的国家标准，普遍认为的生物质固体成型燃料是 好的优点，越来越受到世界各国的重视.我国是一 指利用农林废弃物（稻壳、秸杆、树皮、木屑等）作为 个农业大国，薪柴资源短缺，因此，国外成熟的木质 原材料，通过一系列的预处理（收集、干燥、粉碎 生物质燃料燃烧器并不适用，需要针对我国国情，开 等)，采用特殊的生物质固体成型设备，将预处理后 发适合的利用方法及燃烧技术.此外，近年来，我国 的生物质材料挤压成规则的、密度较大的棒状、块状 空气质量面临严峻态势，与木质燃料和传统化石燃 或颗粒状等形状的成型燃料.通过调研和文献对 料相比，秸秆等生物质燃料燃烧排放的NO,含量较 比，表1列出了各种典型的生物质燃料及传统燃煤 高，因此，对于生物质燃料的燃烧，传统煤炭锅炉亦 的工业组分、元素组成、热值等参数的汇总结果 不完全适用，亟需开发高效的生物质燃料燃烧器，在 由表1可见，生物质燃料产生出的热值较高，通 能源高效利用的同时降低NO,污染物的排放. 常为17~20M·kg1,且秸秆与稻壳的挥发分质量 分数高达70%~85%，因此具有优良的点火燃烧性 1生物质资源的研究现状 能以及良好的代煤效果.此外，生物质燃料硫含量 1.1我国生物质资源现状 几乎为零，氨含量极低而且灰分含量较低，因此，生 生物质能源是一种以生物质为载体的能量，即 物质燃料的二氧化硫(SO,)与氨氧化物(NO)排放 通过光合作用将获得的太阳能转化为化学能并贮存 低，二氧化碳(C0,)零排放，排渣少，飞灰少，灰渣可 在生物质中的能量形式，它直接或间接地来源于绿 还田，因此，具有显著的环保特性4].尽管生物质 色植物的光合作用，是太阳能的一种廉价储存方式. 成型燃料的制作需要经过收集、运输、加工等过程， 目前的技术水平下具备开发价值的农村生物质资源 会带来一定的成本，但是与现在原煤及型煤相比，生 一般包括农作物秸秆、林木生物质残余物、禽畜粪便 物质原料价格低廉，因此，生物质成型燃料在价格上 与能源作物等[2-)].从2001年到2015年，我国农业 仍然具有较大的优势，这也在很大程度上有助于生 总产量逐年提高，2015年农业总产量为2.24×109 物质能源的推广与使用. J,其中种植业产量为1.53×10°J(68.47%),林业、 虽然，生物质燃料清洁可再生，具有十分广阔的 畜牧业与渔业产量分别为4.64×1018、2.04×1018与 应用潜力，但是，实现生物质燃料高效、清洁燃烧需 3.89×10”J4,其中，可用于作为农业生物质能的 要使用专门设计的燃烧器.从20世纪30年代开 资源高达9.10×108] 始，美国、日本、芬兰等许多发达国家逐渐重视并都 然而，我国生物质资源的品位较低，分散性较 投人了大量精力来研究生物质成型技术和木质成型 大，大量生物质资源被随意填埋与焚烧，成为影响环 燃料：80年代以后，成型技术已日渐成熟，并形成了 境的废弃物).目前，生物质资源化利用率较高的 一定的推广规模223)；到了90年代，在木质颗粒燃 为种植业副产物农作物秸秆，已被用作工业原料和 料燃烧器方面，部分美欧以及日本等国家的燃烧器 生物燃料，总量为4.29×1018J,占种植业产量的 已经逐渐定型，而且在加热、供暖、干燥等领域大范 27.79%,其中，玉米、水稻、小麦等农作物秸秆产量 围的推广与应用该项技术，并形成了产业化规 占秸秆总产量的70.24%[6).但是，大部分的秸秆资 模24-5].就我国实际情况而言，我国是一个农业大 源仍被直接焚烧或随意丢弃，仅有极少部分秸秆被 国，具有丰富的生物质资源，一直以来，生物质能源工程科学学报,第 41 卷,第 1 期 advantages and disadvantages were summarized. The main bottleneck was identified in NOx control technologies with respect to biomass boilers in China and the development of new technologies in this field was predicted. KEY WORDS biomass fuel; combustion; nitric oxides; control technology; de鄄NOx 目前,尽管世界上的主要燃料为煤、石油、天然 气等传统的常规能源,但是,全球目前已探明储量的 可供开采的石油、天然气和煤炭资源分别将在 25、 27 和 97 a 后用尽耗竭[1] ;此外,化石燃料的开采、运 输以及使用过程中会造成较为严重的环境污染. 随 着化石能源的日益枯竭和环境问题的日趋严重,洁 净可再生能源的开发与利用已经引起了世界的广泛 关注. 生物质能是唯一一种可运输和储存的可再生 绿色能源,并且由于具有能量高转换效率和环境友 好的优点,越来越受到世界各国的重视. 我国是一 个农业大国,薪柴资源短缺,因此,国外成熟的木质 生物质燃料燃烧器并不适用,需要针对我国国情,开 发适合的利用方法及燃烧技术. 此外,近年来,我国 空气质量面临严峻态势,与木质燃料和传统化石燃 料相比,秸秆等生物质燃料燃烧排放的 NOx 含量较 高,因此,对于生物质燃料的燃烧,传统煤炭锅炉亦 不完全适用,亟需开发高效的生物质燃料燃烧器,在 能源高效利用的同时降低 NOx 污染物的排放. 1 生物质资源的研究现状 1郾 1 我国生物质资源现状 生物质能源是一种以生物质为载体的能量,即 通过光合作用将获得的太阳能转化为化学能并贮存 在生物质中的能量形式,它直接或间接地来源于绿 色植物的光合作用,是太阳能的一种廉价储存方式. 目前的技术水平下具备开发价值的农村生物质资源 一般包括农作物秸秆、林木生物质残余物、禽畜粪便 与能源作物等[2鄄鄄3] . 从 2001 年到 2015 年,我国农业 总产量逐年提高,2015 年农业总产量为 2郾 24 伊 10 19 J,其中种植业产量为 1郾 53 伊 10 19 J(68郾 47% ),林业、 畜牧业与渔业产量分别为 4郾 64 伊 10 18 、2郾 04 伊 10 18与 3郾 89 伊 10 17 J [4] ,其中,可用于作为农业生物质能的 资源高达 9郾 10 伊 10 18 J [5] . 然而,我国生物质资源的品位较低,分散性较 大,大量生物质资源被随意填埋与焚烧,成为影响环 境的废弃物[2] . 目前,生物质资源化利用率较高的 为种植业副产物农作物秸秆,已被用作工业原料和 生物燃料,总量为 4郾 29 伊 10 18 J,占种植业产量的 27郾 79% ,其中,玉米、水稻、小麦等农作物秸秆产量 占秸秆总产量的70郾 24% [6] . 但是,大部分的秸秆资 源仍被直接焚烧或随意丢弃,仅有极少部分秸秆被 应用于锅炉进行集中燃烧供能, 燃烧效率不足 15% [7] . 1郾 2 生物质燃料的特性 生物质能是可再生能源,具有生态意义上的碳 的零排放,燃烧产物相对清洁. 由于目前大气污染 较为严重而且能源日益短缺,因此开发与利用生物 质能具有十分巨大的能源与环境保护战略意义. 目 前,我国还没有颁布关于生物质固体成型燃料的统 一的国家标准,普遍认为的生物质固体成型燃料是 指利用农林废弃物(稻壳、秸杆、树皮、木屑等)作为 原材料,通过一系列的预处理 ( 收集、干燥、粉碎 等),采用特殊的生物质固体成型设备,将预处理后 的生物质材料挤压成规则的、密度较大的棒状、块状 或颗粒状等形状的成型燃料. 通过调研和文献对 比,表 1 列出了各种典型的生物质燃料及传统燃煤 的工业组分、元素组成、热值等参数的汇总结果. 由表 1 可见,生物质燃料产生出的热值较高,通 常为 17 ~ 20 MJ·kg - 1 ,且秸秆与稻壳的挥发分质量 分数高达 70% ~ 85% ,因此具有优良的点火燃烧性 能以及良好的代煤效果. 此外,生物质燃料硫含量 几乎为零,氮含量极低而且灰分含量较低,因此,生 物质燃料的二氧化硫(SO2 )与氮氧化物(NOx)排放 低,二氧化碳(CO2 )零排放,排渣少,飞灰少,灰渣可 还田,因此,具有显著的环保特性[4鄄鄄5] . 尽管生物质 成型燃料的制作需要经过收集、运输、加工等过程, 会带来一定的成本,但是与现在原煤及型煤相比,生 物质原料价格低廉,因此,生物质成型燃料在价格上 仍然具有较大的优势,这也在很大程度上有助于生 物质能源的推广与使用. 虽然,生物质燃料清洁可再生,具有十分广阔的 应用潜力,但是,实现生物质燃料高效、清洁燃烧需 要使用专门设计的燃烧器. 从 20 世纪 30 年代开 始,美国、日本、芬兰等许多发达国家逐渐重视并都 投入了大量精力来研究生物质成型技术和木质成型 燃料;80 年代以后,成型技术已日渐成熟,并形成了 一定的推广规模[22鄄鄄23] ;到了 90 年代,在木质颗粒燃 料燃烧器方面,部分美欧以及日本等国家的燃烧器 已经逐渐定型,而且在加热、供暖、干燥等领域大范 围的推广与应用该项技术,并形成了产业化规 模[24鄄鄄25] . 就我国实际情况而言,我国是一个农业大 国,具有丰富的生物质资源,一直以来,生物质能源 ·2·