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(biāo)、污染物排放監(jiān)測指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)缺乏、不完善，監(jiān)測設(shè)備獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(jì)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(dá)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)行穩(wěn)定、熱輸出均勻等優(yōu)點(diǎn)^[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(yùn)行，燃燒效率可達(dá)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(diǎn)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(jìn)行控制，點(diǎn)火系統(tǒng)和配風(fēng)系統(tǒng)配合將燃料點(diǎn)燃，進(jìn)料系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)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(dú)立的，且可以通過控制相應(yīng)的電機(jī)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(diǎn)火、燃燒狀態(tài)進(jìn)行較為精確的監(jiān)測并反饋到控制系統(tǒng)中，進(jìn)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(jìn)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(jī)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?xì)怏w透過燃料和灰渣進(jìn)入上、下爐排間的爐膛進(jìn)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(dá)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(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)

　　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(biāo)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)

　　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(biāo)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(jìn)料、配風(fēng)、排煙及輔機(jī)配置等方面的問題，有針對性地進(jìn)行改進(jìn)，以消除鍋爐缺陷，提高熱效率。

　　2.2污染物排放監(jiān)測指標(biāo)

　　大氣污染物排放是衡量燃燒設(shè)備性能的重要指標(biāo)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(jìn)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(diǎn)之一，在環(huán)境保護(hù)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(xì)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(xì)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(xì)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)，對比其排放差距。表3為《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB 13271-2001》的規(guī)定項目^[25]的總結(jié)，從表中可知，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的項目和數(shù)據(jù)均較少，遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(dá)到節(jié)能的目的；其三，改進(jìn)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(dá)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(dān)負(fù)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(jìn)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(jìn)行反饋控制，達(dá)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)，研究的側(cè)重點(diǎn)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(dú)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(jì)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(diǎn)為一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NO_x)、氯化氫(HCl)、有機(jī)氣體碳(OGC)、細(xì)灰顆粒(PM1)、堿金屬細(xì)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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?，F(xiàn)有的分析結(jié)果多是由單一儀器測量所得。進(jìn)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(dú)立，采集點(diǎn)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(fèi)時費(fèi)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(jìn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)

　　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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)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(dú)的設(shè)備進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)燃燒技術(shù)，對燃燒設(shè)備進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。有國家標(biāo)準(zhǔn)作為準(zhǔn)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。