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王月喬1，2，侯書林1，趙立欣2，孟海波2，田宜水2
（1.中國農業大學工學院，北京100083；2.農業部規劃設計研究院，北京100125）
摘要：介紹了典型的生物質固體成型燃料自動燃燒器和成型燃料爐排式鍋爐，分析了國家相關設備的熱工性能檢測指標、污染物排放監測指標及國內外成型燃料燃燒設備的監測系統的差距，指出我國目前存在的燃燒設備檢測監測標準缺乏、不完善，監測設備獨立、單一及未成系統等問題，提出提高燃燒效率，建立統一的評價標準等相關建議，以期為我國生物質固體成型燃料產業發展提供參考。
0引言
生物質能作為人類賴以生存的重要能源之一，具有環境友好和可再生的雙重屬性[1]。其中，生物質固體成型燃料能量密度較高[2]，易于運輸，燃燒特性明顯改善[3]，是生物質能主要利用方向之一。
20世紀30年代，國外開始發展生物質固體成型燃料技術，現已達到商業化應用程度。日本、美國及歐洲一些國家的生物質固體成型燃料燃燒設備已經定型，并實現產業化經營，在供熱、供暖、干燥和發電等領域都有推廣應用[4]，[5]。上世紀80年代，我國開始生物質成型技術的研究[6]，成型設備現已形成了一定的生產規模[7]，加工制造技術也發展的較為成熟，市場上已出現生物質鍋爐等燃燒設備。
對燃燒設備進行監測是保證生物質燃燒系統正常工作的重要手段之一，包括對輸入參數、燃燒狀態、排放煙塵等進行監測，對調整燃燒設備的設置參數，提高燃燒效率，減少污染物排放有著重要的意義。目前，我國多是針對煤粉燃燒器或鍋爐開展該方面的研究，且監測參數較為單一，主要集中在一次和二次風速、燃燒室火焰、煤粉濃度等方面[8]，[9]。在生物質固體成型燃料燃燒設備的監測方面，還未見諸報道。
本文擬通過對國內外生物質固體成型燃料燃燒設備及其檢測、監測和控制等方面的資料進行分析，提出存在的問題和下一步的發展方向，以期為我國生物質固體成型燃料產業發展提供參考。
1生物質固體成型燃料燃燒設備
生物質固體成型燃料燃燒設備是一種以生物質固體成型燃料為主的高效燃燒設備，具有燃料單一、運行穩定、熱輸出均勻等優點[10]。現有的燃燒設備以生物質顆粒燃料自動燃燒器和成型燃料爐排式鍋爐為主，兩種設備在結構、配套系統等方面相差很大，應用場所亦有所不同。
1.1生物質顆粒燃料自動燃燒器
歐盟的生物質燃燒設備以自動燃燒器為主，與料倉、鍋爐等搭配使用，可以長時間地自動運行，燃燒效率可達80%以上[11]。通過與不同的熱交換設備配套使用，可實現取暖、熱水、工業干燥等多種功能[7]。
典型的生物質顆粒燃料自動燃燒器一般由點火系統、配風系統、燃燒室、清灰（排渣）系統和自動控制系統等幾部分組成[12]。圖1（a）為一臺典型的燃燒器，圖1（b）為生物質顆粒燃燒器的工作系統[13]。
燃燒器工作時，由自控系統進行控制，點火系統和配風系統配合將燃料點燃，進料系統持續進料，配風系統鼓風，清渣系統及時清除灰渣，使得燃料在燃燒室內持續、高效燃燒。
由于燃燒器的各個輸入變量是獨立的，且可以通過控制相應的電機來精確控制變量值，同時在燃燒器和配套鍋爐內安置火焰傳感器和溫度傳感器，可以對點火、燃燒狀態進行較為精確的監測并反饋到控制系統中，進行判斷，因果關系更加明確。燃燒器可實現自動控制，連續燃燒，但其結構較為復雜、價格昂貴。另外，此類燃燒器僅適用于顆粒燃料，壓塊燃料由于體積較大，不適用于均勻進料的燃燒設備。
在我國，針對以秸稈為原料生產的成型燃料灰含量高、易結渣等問題，農業部規劃設計研究院研究開發的秸稈固體成型燃料燃燒器，采用雙層燃燒筒裝置，實現三級配風，添加螺旋清灰破渣機構，提高了燃燒效率，減少了污染物排放[14]。
1.2成型燃料爐排燃燒設備
國內成型燃料燃燒器主要以爐排式生物質鍋爐為主，應用面較廣，但是自動化水平不高。現在最常見的是手燒爐排式鍋爐，操作簡單，燃料種類適用性廣，壓塊和顆粒燃料均可。圖2所示為河南農業大學研發的雙層爐排生物質固體成型燃料鍋爐[15]。
生物質固體成型燃料在爐排上燃燒，上爐排的生物質屑和灰渣漏到下爐排上繼續燃燒直至燃燼。成型燃料在上爐排燃燒形成的煙氣和部分可燃氣體透過燃料和灰渣進入上、下爐排間的爐膛進行燃燒，并與下爐排燃料產生的煙氣一起，通過出煙口流向燃燼室和對流受熱面。爐排的燃燒方式，實現了生物質固體成型燃料的分步燃燒，緩解了生物質燃燒速度，達到燃燒需氧與供氧的匹配，使生物質固體成型燃料可以持續穩定燃燒[16]，[17]。
但是整個燃燒設備沒有自動控制設備，也未安裝監控系統，且污染物排放量較大，與國外的相關產品還有很大差距。
2燃燒設備的監測指標和標準
生物質固體成型燃料燃燒設備的燃燒情況優劣，需要明確監測指標，根據標準進行評判。目前，國內并沒有針對生物質成型燃燒設備的燃燒測試標準，一般可參考《工業鍋爐熱工性能試驗規程（GB 10180-2003）》和《鍋爐大氣污染物排放標準（GB 13271-2001）》，主要從熱工性能方面，判斷生物質固體成型燃料燃燒設備的燃燒性能以及煙氣排放污染物排放等。
2.1熱工性能檢測指標
針對生物質固體成型燃料的特性，可選取主要熱工性能指標如表1所示。
通過對傳熱系數、各項熱損失等熱工參數的監測和計算，對排煙、氣體不完全燃燒、固體不完全燃燒等各項熱損失數據的分析，研究人員能夠判斷影響鍋爐熱效率的因素，發現鍋爐或燃燒器在結構、燃燒方式、進料、配風、排煙及輔機配置等方面的問題，有針對性地進行改進，以消除鍋爐缺陷，提高熱效率。
2.2污染物排放監測指標
大氣污染物排放是衡量燃燒設備性能的重要指標之一。生物質燃料不完全燃燒會產生大量的CO，并伴有NO\NO2以及大量的煙塵，這些污染物排放到大氣中，會對空氣造成不良影響，損害人類的健康。另一方面，大氣污染物排放量也是計算氣體不完全燃燒熱損失的重要參量，是燃燒設備的燃燒效率的決定因素之一。監控燃燒設備的煙氣、煙塵排放，可以確定生物質燃料的燃燒狀況，然后可以對控制參數進行調整。
生物質固體成型燃料燃燒設備的煙氣種類和排放量由生物質固體成型燃料的元素含量和燃燒工況決定。盡管成型燃料種類繁多，但生物質燃料元素還是以C，H，O為主，如表2所示[20]，并有少量的N，S，但是N，S含量跟煤等燃料相比，幾乎可以忽略不計，排放煙氣中主要包括CO2，CO及較少的SO2，NOx，這正是生物質燃料的優點之一，在環境保護上有很重要的意義。
生物質顆粒燃燒還會排放出煙塵。煙塵的主要組成部分是生物質固體成型燃料中的灰分和未完全燃燒產物中的細小顆粒[21]。2011年11月，北京持續的灰霾天氣，引起了公眾對PM2.5（細顆粒物，直徑小于或等于2.5μm）的重視。PM2.5的主要來源是人為排放，其中燃燒釋放的煙塵為重要因素，SO2和NOx亦可以轉化為PM2.5[22]。PM2.5濃度高會影響大氣能見度，造成灰霾天氣[23]，對人體呼吸系統和心血管系統造成傷害[24]。而生物質固體成型燃料的燃燒會釋放大量的細小顆粒物，因此對煙塵的監測則非常必要。
大氣污染物排放監控重點在于使用高靈敏度的儀器測量CO2，CO，NO，NO2和煙塵排放量，參照國家標準，對比其排放差距。表3為《鍋爐大氣污染物排放標準GB 13271-2001》的規定項目[25]的總結，從表中可知，該標準規定的項目和數據均較少，遠不能涵蓋鍋爐的煙塵、煙氣排放的種類，不能滿足環境管理和環境質量控制的要求。
根據相關標準控制和監測生物質固體成型燃料燃燒設備，一方面可以提高使用效率和穩定性，改善系統的安全性能；另一方面，優化燃燒狀態，節省使用過程中的經濟成本，如降低生物質固體成型燃料的消耗量、降低電力消耗、減少人力成本等，達到節能的目的；其三，改進排煙狀況，減輕氣體和固體不完全燃燒的程度，降低結渣率，可以大大減少CO\NO的排放率，很大程度上減輕污染物質的產生，達到減排的目的。
3燃燒設備的監測和控制系統
生物質固體成型燃料燃燒設備的監控系統，不僅僅擔負著對該設備燃燒效果的評判，并且對燃燒設備的過程控制有著重要的作用：①通過監控系統可以了解燃燒的哪種熱損失較高，從而相應地操作控制系統以改善燃燒狀態；②通過試驗、科學的數據分析得出總結性的規律———燃料的適應性，對不同物理特性的燃料使用不同的模式進行控制；③將設備的控制系統和監控系統相連接，對整套燃燒設備進行反饋控制，達到自動調節至最優狀態的目的。
國內外對燃燒設備的性能情況的研究側重點有所不同。歐美國家的燃燒技術已經成熟，實現了產業化生產，制定了相關行業標準，研究的側重點主要是生物質燃料燃燒的煙氣排放，其測控設備也相對完善和智能化。國內對這方面的研究則比較少，在燃燒設備的熱力性能上有所涉及，測試系統不成體系，各個參數單獨測量。
3.1國外情況
國外的生物質鍋爐系統的監測和控制系統是從1910年的通風自動調節起步的。隨著技術、經濟等因素的增長，從以調節器為輔助的手動控制，發展到模擬控制系統，再到分立元件電子模擬系統，集成電路控制及數字控制[26]，現階段國外的監測和控制系統已經發展成熟。但生物質固體成型燃料燃燒的氣體排放物及其影響因素尚未研究清楚。
在監測和控制系統方面，國外通常監控不同灰度和堿金屬等含量的燃料的燃燒排放物，重點為一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、氯化氫(HCl)、有機氣體碳(OGC)、細灰顆粒(PM1)、堿金屬細顆粒等[27]~[29]，針對排放量分析其影響因素。
圖3是芬蘭某實驗室的燃燒設備排放氣體的采集控制系統[29]。
燃燒器的進料系統由一個連接在燃燒器控制系統上的完全自動進料控制器控制。設置較完善的燃燒控制器保證了不同的燃料在相同的狀態下燃燒。在排放管道中，放置多個不同的氣體化學傳感器，并安置多個微粒取樣器，各個裝置分別由電腦終端控制，采集處理數據高效且準確，保證了氣體采集的連續性和精確性以及控制器的最優性能和效率。
3.2國內情況
國內針對生物質固體成型燃料燃燒設備的燃燒效果的測控系統還未見諸報道。現有的分析結果多是由單一儀器測量所得。進行一次參數測量通常會用到煙塵（氣）測試儀、綜合燃燒分析儀、數字熱電偶溫度計、水銀溫度計、壓力計、米尺、秒表等。測量的獨立，采集點的不同，不能保證連續性；不同儀器的靈敏度不同，也不能保證測量數據的精確性。而且采集完數據還需另行計算所需參數，以獲得熱工特性等結果。
圖4展示了國內常用的煙氣煙塵測量儀器。其中：（a）應用3102H型煙塵（氣）測試儀[30]主要用來測量煙塵排放量，每次抽樣2~5min，需要人工裝卸抽樣管和過濾紙桶，采集后的數據也需要人工測量，費時費力；（b）為英國產煙氣測量儀[31]，可對煙氣中的CO2，CO，SO2，NOx進行分別測量監控，并間隔固定時間記錄，該儀器只需在開始和結束的時候安裝抽樣管即可，無需其他操作。
目前，國內的生物質固體成型燃料的燃燒及相關監測設備還沒有形成產業化、一體化。國內的生物質固體成型燃料燃燒設備以爐排式鍋爐為主，它難以控制輸入參數，輸出結果缺乏準確性及可比性，這也是燃燒狀態監控發展沒有方向性的主要原因之一。
4存在的主要問題
4.1缺乏技術標準
國家已頒布了《工業鍋爐節能監測方法GB/T 15317-94》、《工業鍋爐熱工性能試驗規程GB/T 10180-2003》、《鍋爐大氣污染物排放標準GB 13271-2001》等，但還沒有針對生物質固體成型燃料頒布相關標準。目前，在對生物質固體成型燃料燃燒設備的效率和效果進行評價的時候僅參考煤炭的相關要求，實踐中缺乏針對性。
4.2燃燒過程的監測系統發展不完善
國內相關研究大多是針對生物質成型、熱解等領域，對燃燒設備，特別是其燃燒效率的研究甚少。相關的監測系統測試測量的方式方法沒有一體化，均是由單獨的設備進行測量，既不能全程檢測燃燒過程，也不能同步取得煙塵煙氣數據，測量方式粗糙不精確。燃燒設備的低自動化程度，某種程度上也限制了整體性監測系統的發展。
5結論與建議
歐美等國家的生物質固體成型燃料燃燒技術研發早，設備成熟、效率高、自動化程度高，目前利用領域極為廣泛，已形成產業化發展。而我國該行業處于起步階段，且國情復雜，燃燒設備多樣，監控系統少有研究，對于生物質燃燒系統的效率評價也未形成標準體系。為此，提出以下建議。
（1）針對現有設備的問題，可以借鑒國外的先進燃燒技術，對燃燒設備進行結構優化，實現自動控制，使之從硬件上提高燃燒效率；針對生物質顆粒燃料燃燒系統，設計相應的測控系統，監測、控制燃燒狀態，提高整個系統的自動化程度，從軟件上提高燃燒效率，減少污染物排放。
（2）制定生物質固體成型燃料燃燒設備的監測、檢測和效率評價標準。有國家標準作為準則，在相關研究中，對相關試驗結果的判斷就可以規范化和統一化，從而得到具有廣泛適應性的結論，也有利于設備生產的更加規范和可靠，有助于市場向成熟和產業化的方向發展。
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