摘要：介紹了典型的生物質(zhì)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(guān)設(shè)備的熱工性能檢測指標、污染物排放監(jiān)測指標及國內(nèi)外成型燃料燃燒設(shè)備的監(jiān)測系統(tǒng)的差距，指出我國目前存在的燃燒設(shè)備檢測監(jiān)測標準缺乏、不完善，監(jiān)測設(shè)備獨立、單一及未成系統(tǒng)等問題，提出提高燃燒效率，建立統(tǒng)一的評價標準等相關(guān)建議，以期為我國生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

　　0引言

　　生物質(zhì)能作為人類賴以生存的重要能源之一，具有環(huán)境友好和可再生的雙重屬性^[1]。其中，生物質(zhì)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(zhì)能主要利用方向之一。

　　20世紀30年代，國外開始發(fā)展生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)，現(xiàn)已達到商業(yè)化應(yīng)用程度。日本、美國及歐洲一些國家的生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備已經(jīng)定型，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，在供熱、供暖、干燥和發(fā)電等領(lǐng)域都有推廣應(yīng)用^[4]，[5]。上世紀80年代，我國開始生物質(zhì)成型技術(shù)的研究^[6]，成型設(shè)備現(xiàn)已形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模^[7]，加工制造技術(shù)也發(fā)展的較為成熟，市場上已出現(xiàn)生物質(zhì)鍋爐等燃燒設(shè)備。

　　對燃燒設(shè)備進行監(jiān)測是保證生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)正常工作的重要手段之一，包括對輸入?yún)?shù)、燃燒狀態(tài)、排放煙塵等進行監(jiān)測，對調(diào)整燃燒設(shè)備的設(shè)置參數(shù)，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(jiān)測參數(shù)較為單一，主要集中在一次和二次風(fēng)速、燃燒室火焰、煤粉濃度等方面^[8]，[9]。在生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備的監(jiān)測方面，還未見諸報道。

　　本文擬通過對國內(nèi)外生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備及其檢測、監(jiān)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(fā)展方向，以期為我國生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

　　1生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備

　　生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備是一種以生物質(zhì)固體成型燃料為主的高效燃燒設(shè)備，具有燃料單一、運行穩(wěn)定、熱輸出均勻等優(yōu)點^[10]?，F(xiàn)有的燃燒設(shè)備以生物質(zhì)顆粒燃料自動燃燒器和成型燃料爐排式鍋爐為主，兩種設(shè)備在結(jié)構(gòu)、配套系統(tǒng)等方面相差很大，應(yīng)用場所亦有所不同。

　　1.1生物質(zhì)顆粒燃料自動燃燒器

　　歐盟的生物質(zhì)燃燒設(shè)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(shè)備配套使用，可實現(xiàn)取暖、熱水、工業(yè)干燥等多種功能^[7]。

　　典型的生物質(zhì)顆粒燃料自動燃燒器一般由點火系統(tǒng)、配風(fēng)系統(tǒng)、燃燒室、清灰（排渣）系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)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(zhì)顆粒燃燒器的工作系統(tǒng)^[13]。

　　燃燒器工作時，由自控系統(tǒng)進行控制，點火系統(tǒng)和配風(fēng)系統(tǒng)配合將燃料點燃，進料系統(tǒng)持續(xù)進料，配風(fēng)系統(tǒng)鼓風(fēng)，清渣系統(tǒng)及時清除灰渣，使得燃料在燃燒室內(nèi)持續(xù)、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(yīng)的電機來精確控制變量值，同時在燃燒器和配套鍋爐內(nèi)安置火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅?，可以對點火、燃燒狀態(tài)進行較為精確的監(jiān)測并反饋到控制系統(tǒng)中，進行判斷，因果關(guān)系更加明確。燃燒器可實現(xiàn)自動控制，連續(xù)燃燒，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(shè)備。

　　在我國，針對以秸稈為原料生產(chǎn)的成型燃料灰含量高、易結(jié)渣等問題，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院研究開發(fā)的秸稈固體成型燃料燃燒器，采用雙層燃燒筒裝置，實現(xiàn)三級配風(fēng)，添加螺旋清灰破渣機構(gòu)，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(shè)備

　　國內(nèi)成型燃料燃燒器主要以爐排式生物質(zhì)鍋爐為主，應(yīng)用面較廣，但是自動化水平不高。現(xiàn)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(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的雙層爐排生物質(zhì)固體成型燃料鍋爐^[15]。

　　生物質(zhì)固體成型燃料在爐排上燃燒，上爐排的生物質(zhì)屑和灰渣漏到下爐排上繼續(xù)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(chǎn)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(xiàn)了生物質(zhì)固體成型燃料的分步燃燒，緩解了生物質(zhì)燃燒速度，達到燃燒需氧與供氧的匹配，使生物質(zhì)固體成型燃料可以持續(xù)穩(wěn)定燃燒^[16]，[17]。

　　但是整個燃燒設(shè)備沒有自動控制設(shè)備，也未安裝監(jiān)控系統(tǒng)，且污染物排放量較大，與國外的相關(guān)產(chǎn)品還有很大差距。

　　2燃燒設(shè)備的監(jiān)測指標和標準

　　生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備的燃燒情況優(yōu)劣，需要明確監(jiān)測指標，根據(jù)標準進行評判。目前，國內(nèi)并沒有針對生物質(zhì)成型燃燒設(shè)備的燃燒測試標準，一般可參考《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)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(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)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(zhì)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(shù)、各項熱損失等熱工參數(shù)的監(jiān)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(shù)據(jù)的分析，研究人員能夠判斷影響鍋爐熱效率的因素，發(fā)現(xiàn)鍋爐或燃燒器在結(jié)構(gòu)、燃燒方式、進料、配風(fēng)、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(jiān)測指標

　　大氣污染物排放是衡量燃燒設(shè)備性能的重要指標之一。生物質(zhì)燃料不完全燃燒會產(chǎn)生大量的CO，并伴有NONO₂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(shè)備的燃燒效率的決定因素之一。監(jiān)控燃燒設(shè)備的煙氣、煙塵排放，可以確定生物質(zhì)燃料的燃燒狀況，然后可以對控制參數(shù)進行調(diào)整。

　　生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備的煙氣種類和排放量由生物質(zhì)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(zhì)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，NO_x，這正是生物質(zhì)燃料的優(yōu)點之一，在環(huán)境保護上有很重要的意義。

　　生物質(zhì)顆粒燃燒還會排放出煙塵。煙塵的主要組成部分是生物質(zhì)固體成型燃料中的灰分和未完全燃燒產(chǎn)物中的細小顆粒^[21]。2011年11月，北京持續(xù)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NO_x亦可以轉(zhuǎn)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(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成傷害^[24]。而生物質(zhì)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(jiān)測則非常必要。

　　大氣污染物排放監(jiān)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(guī)定項目^[25]的總結(jié)，從表中可知，該標準規(guī)定的項目和數(shù)據(jù)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(huán)境管理和環(huán)境質(zhì)量控制的要求。

　　根據(jù)相關(guān)標準控制和監(jiān)測生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備，一方面可以提高使用效率和穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的安全性能；另一方面，優(yōu)化燃燒狀態(tài)，節(jié)省使用過程中的經(jīng)濟成本，如降低生物質(zhì)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(jié)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(jié)渣率，可以大大減少CONO的排放率，很大程度上減輕污染物質(zhì)的產(chǎn)生，達到減排的目的。

　　3燃燒設(shè)備的監(jiān)測和控制系統(tǒng)

　　生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)，不僅僅擔負著對該設(shè)備燃燒效果的評判，并且對燃燒設(shè)備的過程控制有著重要的作用：①通過監(jiān)控系統(tǒng)可以了解燃燒的哪種熱損失較高，從而相應(yīng)地操作控制系統(tǒng)以改善燃燒狀態(tài)；②通過試驗、科學(xué)的數(shù)據(jù)分析得出總結(jié)性的規(guī)律———燃料的適應(yīng)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(shè)備的控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)相連接，對整套燃燒設(shè)備進行反饋控制，達到自動調(diào)節(jié)至最優(yōu)狀態(tài)的目的。

　　國內(nèi)外對燃燒設(shè)備的性能情況的研究側(cè)重點有所不同。歐美國家的燃燒技術(shù)已經(jīng)成熟，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，制定了相關(guān)行業(yè)標準，研究的側(cè)重點主要是生物質(zhì)燃料燃燒的煙氣排放，其測控設(shè)備也相對完善和智能化。國內(nèi)對這方面的研究則比較少，在燃燒設(shè)備的熱力性能上有所涉及，測試系統(tǒng)不成體系，各個參數(shù)單獨測量。

　　3.1國外情況

　　國外的生物質(zhì)鍋爐系統(tǒng)的監(jiān)測和控制系統(tǒng)是從1910年的通風(fēng)自動調(diào)節(jié)起步的。隨著技術(shù)、經(jīng)濟等因素的增長，從以調(diào)節(jié)器為輔助的手動控制，發(fā)展到模擬控制系統(tǒng)，再到分立元件電子模擬系統(tǒng)，集成電路控制及數(shù)字控制^[26]，現(xiàn)階段國外的監(jiān)測和控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成熟。但生物質(zhì)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(jiān)測和控制系統(tǒng)方面，國外通常監(jiān)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(NO_x)、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(shè)備排放氣體的采集控制系統(tǒng)^[29]。

　　燃燒器的進料系統(tǒng)由一個連接在燃燒器控制系統(tǒng)上的完全自動進料控制器控制。設(shè)置較完善的燃燒控制器保證了不同的燃料在相同的狀態(tài)下燃燒。在排放管道中，放置多個不同的氣體化學(xué)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(shù)據(jù)高效且準確，保證了氣體采集的連續(xù)性和精確性以及控制器的最優(yōu)性能和效率。

　　3.2國內(nèi)情況

　　國內(nèi)針對生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備的燃燒效果的測控系統(tǒng)還未見諸報道。現(xiàn)有的分析結(jié)果多是由單一儀器測量所得。進行一次參數(shù)測量通常會用到煙塵（氣）測試儀、綜合燃燒分析儀、數(shù)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(xù)性；不同儀器的靈敏度不同，也不能保證測量數(shù)據(jù)的精確性。而且采集完數(shù)據(jù)還需另行計算所需參數(shù)，以獲得熱工特性等結(jié)果。

　　圖4展示了國內(nèi)常用的煙氣煙塵測量儀器。其中：（a）應(yīng)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(shù)據(jù)也需要人工測量，費時費力；（b）為英國產(chǎn)煙氣測量儀^[31]，可對煙氣中的CO₂，CO，SO₂，NO_x進行分別測量監(jiān)控，并間隔固定時間記錄，該儀器只需在開始和結(jié)束的時候安裝抽樣管即可，無需其他操作。

　　目前，國內(nèi)的生物質(zhì)固體成型燃料的燃燒及相關(guān)監(jiān)測設(shè)備還沒有形成產(chǎn)業(yè)化、一體化。國內(nèi)的生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備以爐排式鍋爐為主，它難以控制輸入?yún)?shù)，輸出結(jié)果缺乏準確性及可比性，這也是燃燒狀態(tài)監(jiān)控發(fā)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(shù)標準

　　國家已頒布了《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法GB/T 15317-94》、《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)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(zhì)固體成型燃料頒布相關(guān)標準。目前，在對生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備的效率和效果進行評價的時候僅參考煤炭的相關(guān)要求，實踐中缺乏針對性。

　　4.2燃燒過程的監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展不完善

　　國內(nèi)相關(guān)研究大多是針對生物質(zhì)成型、熱解等領(lǐng)域，對燃燒設(shè)備，特別是其燃燒效率的研究甚少。相關(guān)的監(jiān)測系統(tǒng)測試測量的方式方法沒有一體化，均是由單獨的設(shè)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(shù)據(jù)，測量方式粗糙不精確。燃燒設(shè)備的低自動化程度，某種程度上也限制了整體性監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展。

　　5結(jié)論與建議

　　歐美等國家的生物質(zhì)固體成型燃料燃燒技術(shù)研發(fā)早，設(shè)備成熟、效率高、自動化程度高，目前利用領(lǐng)域極為廣泛，已形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。而我國該行業(yè)處于起步階段，且國情復(fù)雜，燃燒設(shè)備多樣，監(jiān)控系統(tǒng)少有研究，對于生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)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(xiàn)有設(shè)備的問題，可以借鑒國外的先進燃燒技術(shù)，對燃燒設(shè)備進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)自動控制，使之從硬件上提高燃燒效率；針對生物質(zhì)顆粒燃料燃燒系統(tǒng)，設(shè)計相應(yīng)的測控系統(tǒng)，監(jiān)測、控制燃燒狀態(tài)，提高整個系統(tǒng)的自動化程度，從軟件上提高燃燒效率，減少污染物排放。

　?。?）制定生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備的監(jiān)測、檢測和效率評價標準。有國家標準作為準則，在相關(guān)研究中，對相關(guān)試驗結(jié)果的判斷就可以規(guī)范化和統(tǒng)一化，從而得到具有廣泛適應(yīng)性的結(jié)論，也有利于設(shè)備生產(chǎn)的更加規(guī)范和可靠，有助于市場向成熟和產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。