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張肖肖1，楊冬1，2 ，張林華1，2
(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南 250101；2.可再生能源建筑利用技術省部共建重點實驗室，山東 濟南 250101)
摘 要：基于能源與環境的雙重壓力，以及生物質與煤單獨燃用存在的問題，生物質與煤混燃已成為一種發展趨勢，但其利用方面還面臨著許多困難。因此，研究混合燃料燃燒過程中的燃燒特性及污染物規律，對于生物質與煤混燃技術的利用具有重要的意義。本文重點介紹了近年來國內外在生物質與煤混燃燃燒特性，及污染物排放的方面研究現狀，并提出了研究過程中存在的問題，以期為后續的研究工作提供有價值的參考。
0引言
能源是國民經濟發展的重要基礎，目前能源供應不足已經成為制約經濟發展的重要因素[1]。優化能源結構，提高可再生能源利用比例，是我國能源發展的重要方向。多年來，在新能源的開發利用實踐中，人們逐步認識到生物質能是一種清潔、充足、利用技術難度相對較小的新能源種類，具有遠大發展前景[2]。生物質與煤的混燃是可再生能源和化石能源的綜合利用技術。歐美的一些國家很早就采取了將生物質和煤摻燒發電，既緩解了能源短缺，又降低了CO2、NOx、SOx等的排放[3-5]，2009 年我國的一些燃煤電廠也開始在原有燃煤機組上摻燒生物質。可以預測，生物質與煤混燃技術在未來能源利用中將占據重要的地位。
國內外眾多學者對生物質煤粉混燃進行了研究工作，尤其在燃燒特性及摻燒生物質后NOx、SOx等污染物的排放規律方面進行了較為深入的研究。作者在查閱近年來國內外生物質與煤混合燃燒技術研究方面的大量文獻報道的基礎上，重點分析了混合燃料燃燒特性和污染物排放規律的研究現狀及今后的發展方向。
1生物質混煤燃燒的燃燒特性
生物質混煤的燃燒特性主要是指燃料的著火特性、揮發分釋放特性、燃盡特性、積灰結渣特性、磨損特性等。由于缺乏先進的技術和設備等原因，對于生物質與煤混燃燃燒特性的研究大都集中于應用熱分析技術對燃料的著火特性、揮發分釋放特性、燃盡特性進行試驗研究上。
馬愛玲等[6]利用TG-DTG熱分析儀對煤、生物質及二者混合物的燃燒過程進行分析得出：加入生物質使煤的著火溫度降低，改善了煤的著火特性，而且生物質添加越多，對煤著火特性的改善程度越大；加入生物質后，固定碳含量越高，混合物著火溫度降低得越多。張海清等[7]利用熱重分析儀對稻稈、玉米稈和麥稈、生物質提取物木質素與煙煤混燃特性進行了研究，結果認為：生物質與煤混燃后，著火溫度均比煤的低，固定碳最大燃燒速率比煤單獨燃燒時大，對應的溫度比煤的低，說明生物質的加入可以明顯改善煤的著火并促進了煤的燃燒。Edward Lester[8]對生物質混煤的燃燒特性進行了實驗研究，對不同升溫速率下的熱重曲線進行了分析。
結果表明，生物質加入后，升溫速率的升高使揮發分最大析出峰對應溫度和焦炭最大燃燒峰對應溫度明顯變小，但是當升溫速率增大到一定程度時，生物質的加入反而使揮發分最大析出溫度變大。張紅霞[9]的研究認為摻入生物質后促進了煤的焦炭的燃燒，但由于生物質焦炭和煤焦炭燃燒速率和它們奪氧能力的差異導致混合物焦炭的燃燒速率與生物質摻混比呈非線性關系。雖然生物質的加入對于煤著火溫度的降低、促進焦炭燃燒、燃盡性能的改善等具有顯著效果，但這些作用卻并非隨著生物質摻混比的增大而呈線性趨勢改變，而摻混比對燃燒特性的影響是一個十分復雜的過程，很多研究者對此進行了研究。
黃瑩等[10]考察了摻混比對玉米秸稈與煤混燃燃燒特性的影響，結果表明：當玉米秸稈含量為50%時，著火溫度最低為267.62℃，混合樣品燃燒的著火溫度比煤單獨燃燒時低約140℃，但玉米秸稈與煤以不同比例混燃時，其著火溫度均在265～271℃范圍內，說明混合比例的變化對燃燒反應的著火溫度影響不大。王玉召等[11]對冷壓成型生物質麥稈與煤混燃的實驗中也得出了相似的結論。
此外，王智等[12]將谷殼與煙煤按不同比例混和在循環流化床鍋爐實驗臺上進行了實驗研究，結果表明：加入谷殼后著火提前，燃燒速率增大，燃盡性能更好，且在谷殼質量分數小于20%時，爐膛各測量點的溫度與純煙煤燃燒時的溫度基本相同，這說明摻入適當的生物質混燒對鍋爐的出力不但影響不大，而且可以改善煤的燃燒，但當質量分數達到40%以后，爐膛溫度較純煤燃燒時顯著降低。黃海珍等[13]人對無煙煤與玉米秸稈和木屑進行了混燃特性實驗研究，結果表明：隨著生物質的加入，煤的著火性能得到不同程度的改善，并使燃燒過程有向低溫區移動的趨勢，使燃燒前期放熱量增大，改善了煤燃燒放熱的分布，但混合燃燒對煤的燃盡性能影響很小。生物質摻混比對燃燒的影響不同研究者往往得出了不同的結論，為了獲得更確切的結果今后有必要對其展開更加系統的研究。
2生物質混煤燃燒污染物排放特性
作為清潔的可再生能源，生物質在利用過程中能夠實現CO2的“零排放”，同時SOx、NOx等排放也較煤粉燃燒少很多。混燃生物質對于減少煤粉燃燒過程中污染物排放是一種十分有效地方式。對于燃煤電站摻燒生物質后污染物的排放規律，以及結合燃燒特性對不同摻燒比下污染物排放規律的研究引起了學術界的廣泛關注和討論。而且生物質種類繁多，對于究竟何種生物質同煤混燃才會達到最好的脫硫脫氮的效果的研究也很不充分。
2.1氮氧化物的排放規律研究
煤和生物質共燃是降低燃煤電站N2O和NOx排放量的有效措施。生物質中含有的揮發份在較低溫度下迅速大量的析出，并與煤粉搶氧燃燒，在局部燃燒區域形成貧氧區，有效限制了中間產物向NOx的轉化，而且揮發分析出后所形成的焦炭具有較高的孔隙率和活性，可促使NO的分解還原。生物質種類、生物質摻混比例、過量空氣系數及爐溫等都會影響混燃中NOx的排放。
Philip等[14]在小型煤粉爐中對稻殼和竹子同煤混燃的實驗中認為：生物質的研磨粒徑對燃料燃燒速率和污染物排放的影響不大；生物質混燃比例是影響氣體污染物排放的主要因素，生物質混合比例為 10% ～30%時NOx等氣體污染物釋放量減少并且此時能量釋放為最低，伴隨著生物質中水分含量的增大，燃燒溫度越低，NOx的釋放量也會減少。生物質與煤共燃對降低燃燒過程中NOx的減排作用會因生物質本身的含N量、煤種(灰成分)的不同而差別較大。B.X.Shen等人[15]通過實驗認為，煤與木屑共燃時N2O排放的降低程度隨煤比例的增加而減小，隨溫度的升高而減少，而NOx卻隨溫度的升高而升高。Xie等[21]認為空氣分段明顯降低了NOx的排放而且沒有增加SO2的排放。盡管燃料給料位置從高到低降低了NOx的排放水平，但對N2O的排放卻沒有明顯的改變。張磊等[16]在一個小型鼓泡流化床反應器上進行的生物質混煤燃燒實驗中得出：在燃燒過程中隨著過量空氣系數、燃燒溫度的增加，NOx排放都呈現出上升的趨勢，生物質和煤摻混燃燒可有效降低NOx的排放，且隨摻混比例的增加降低NOx排放的效果也就越明顯。
2.2 SO2排放規律的研究
利用生物質中的堿土礦物質脫除煤燃燒過程中釋放的SO2，而且生物質中所含硫元素非常少有，將其同煤混燃可以降低燃料的含硫量，有效減少SO2的排放。但煤混燃時摻混比對SO2排放的影響規律比較復雜，準確描述其行為還需更多的研究。
Hou Peng-wan等[17]對循環流化床中煤與生物質混合燃燒進行了研究，發現隨著生物質混合比例的增加，飛灰中及爐底灰中硫含量增加，這從另一方面反映了煙氣中的硫含量隨生物質混合比例的增加而減少，而且這種作用隨著生物質比例的增加效果更加顯著。A.Kazagie等[18]的研究也證明了這一點。徐金苗等[19]利用管式爐-FTIR二氧化硫檢測系統對神華煤與玉米桿、樹皮在不同混燃比下混合燃燒時SO2的釋放規律進行了研究，結果表明：混燃過程SO2釋放量隨著混燃比的增加而降低，并且混燃比存在一個最佳值使得SO2排放最低；并試驗得出在 50%摻混比例下，SO2的排放量達到了最低值。
李展[20]在對循環流化床中生物質混煤燃燒污染物排放特性的研究中認為SO2的排放量與摻混了何種生物質的關系不是很明顯，而同燃燒溫度、摻混比的關系卻非常密切，燃燒溫度越低生成SO2的排放量越低；在摻混比例在0～10%時，SO2排放量下降的比較劇烈，繼續增加摻混比例對其排放量的影響很小。而Xie等[21]在對稻殼與煤混燃時SO2的排放情況進行的研究結果表明，當稻殼在燃料中所占質量比分別為13%、22%、27%、30%時，SO2排放量隨質量比非線性增加，從480μL/L增加到500μL/L，增加量非常小。
3結論
生物質與煤混燃技術是一項極具開發潛力的研究，雖然國內外學者也進行較多的研究，但依然存在很多問題亟待解決。
(1)由于缺乏一定的設備和技術，多數研究者都是通過熱分析技術對著火特性，燃燒速率等進行了研究，而對于鍋爐安全運行中十分重要的積灰結渣特性、磨損特性的研究卻相對較少。
(2)摻燒生物質對減少污染物排放有一定作用，但要弄清摻混比、生物質種類等對污染物排放的影響規律依然需要更多更深入的研究。
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