秸稈捆燒技術(shù)及其排放特性研究進(jìn)展

賈吉秀，趙立欣，姚宗路※，霍麗麗，鄧 云，楊武英，劉廣華

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2. 鐵嶺眾緣環(huán)保設(shè)備制造有限公司，沈陽(yáng) 112000；3. 承德市本特生態(tài)能源技術(shù)有限公司，承德 067000）

0 引 言

中國(guó)具有豐富的農(nóng)作物秸稈，據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)[1]，2018 年全國(guó)秸稈可收集量為8.7 億t，利用量為7.52 億t，綜合利用率達(dá)到86.5%。然而廢棄或就地焚燒的秸稈接近1.4 億 t，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，引發(fā)空氣質(zhì)量惡化、霧霾加重、破壞土壤結(jié)構(gòu)、降低農(nóng)田質(zhì)量等一系列問(wèn)題。近年來(lái)，在國(guó)家出臺(tái)的一系列政策支持下，中國(guó)的秸稈綜合利用工作得到了長(zhǎng)足發(fā)展，其中秸稈捆燒供暖等能源化利用方式具備原料適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行成本低、技術(shù)時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是“散煤替代”的有效途徑，對(duì)于促進(jìn)秸稈清潔利用，減少環(huán)境污染、節(jié)約化石能源等具有重要意義[2-4]。

秸稈捆燒技術(shù)是指將田間松散的秸稈經(jīng)過(guò)撿拾打捆后，在專門(mén)的生物質(zhì)鍋爐中進(jìn)行燃燒的一種秸稈能源化利用技術(shù)。具有秸稈處理與供暖利用時(shí)間吻合性強(qiáng)、運(yùn)行成本低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)捆燒后的秸稈半氣化燃燒大幅提高了燃燒效率和鍋爐換熱效率，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益較好，目前秸稈捆燒供暖技術(shù)已逐漸成為北方農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)清潔取暖的主要技術(shù)之一[5-6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了較多以完善秸稈捆燃燒理論、優(yōu)化秸稈捆燒工藝和鍋爐結(jié)構(gòu)為目標(biāo)的研究工作[7-8]，但是現(xiàn)有秸稈捆燒鍋爐實(shí)際運(yùn)行中仍然存在燃燒不充分、NOX和顆粒物生成機(jī)理不清晰、煙氣污染物排放較高等問(wèn)題，阻礙了秸稈捆燒技術(shù)的發(fā)展和推廣。

本文綜述了秸稈捆燒技術(shù)最新研究進(jìn)展，基于秸稈捆燃燒反應(yīng)原理和秸稈打捆燃料特性，分析了秸稈捆燒過(guò)程中顆粒物、NOX和 CO 等污染物產(chǎn)生及減排方法，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外秸稈捆燒技術(shù)類型、原理、特點(diǎn)等研究進(jìn)展，分析了秸稈捆燒技術(shù)研究技術(shù)熱點(diǎn)、主要機(jī)構(gòu)以及發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)秸稈捆燒技術(shù)發(fā)展提出建議，為實(shí)現(xiàn)秸稈清潔能源化利用提供參考。

1 秸稈捆燃燒原理及過(guò)程

秸稈捆的燃燒是一種由連續(xù)的非均相和均相反應(yīng)組成的復(fù)雜過(guò)程[9]，燃燒機(jī)理的實(shí)質(zhì)是靜態(tài)滲透式擴(kuò)散燃燒，先在秸稈表面發(fā)生可燃揮發(fā)分的燃燒，進(jìn)行可燃?xì)怏w（主要是CO）和O2的放熱化學(xué)反應(yīng)，然后延伸至內(nèi)部焦炭的滲透燃燒和擴(kuò)散燃燒，產(chǎn)生的CO、CO2及其他氣體溢出表面再和氧氣接觸燃燒，直至可燃物基本燃盡形成灰燼[10]。

如圖 1 所示，秸稈捆燃燒過(guò)程主要分為揮發(fā)分燃燒和秸稈炭燃燒，揮發(fā)分的析出可分為 3 個(gè)階段，首先是半纖維的裂解，半纖維由于聚合度低，熱穩(wěn)定性差，在200～300℃會(huì)經(jīng)歷自由水和化學(xué)水的脫除（羥基脫水）、主體結(jié)構(gòu)分解和碳化階段，釋出包括水、酸、醛、酮、醇、糖酐以及小分子氣體（CO、CO2和 CH4）等大量揮發(fā)份；然后是纖維素的裂解，在 300～400℃時(shí)纖維素開(kāi)始發(fā)生劇烈分解，產(chǎn)生大量的CO、CH4和H2，在400℃以上時(shí)木質(zhì)素開(kāi)始分解除了小分子可燃?xì)馔膺€會(huì)生成部分烷烴、烯烴以及秸稈炭，這幾個(gè)階段在秸稈熱分解過(guò)程中也存在相關(guān)交叉、重疊以及相互影響關(guān)系[11-14]。

圖1 秸稈捆燃燒過(guò)程原理Fig.1 Combustion proces of straw bale

揮發(fā)分析出燃燒反應(yīng)較快，約占燃燒時(shí)間的 10%，秸稈炭燃燒反應(yīng)較慢，約占燃燒時(shí)間的 90%[15]。但由于秸稈自身具有揮發(fā)分含量高、含碳量低的特點(diǎn)，因此秸稈捆的燃燒過(guò)程以揮發(fā)分的燃燒為主，揮發(fā)分燃燒所放出的熱量占整個(gè)燃燒過(guò)程熱量的 67%以上，制約著整個(gè)秸稈捆的燃燒狀態(tài)，測(cè)試河北地區(qū)玉米秸稈半氣化揮發(fā)份具體組分及占比如表1 所示[4]。揮發(fā)分的燃燒不僅僅與其本身的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有關(guān)，也受到煙氣濃度與空氣混配程度的等影響。Mateusz Szubel 等指出揮發(fā)分燃燒過(guò)程主要是考慮CO、CH4和H2與O2發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，并通過(guò)反應(yīng)方程式描述了揮發(fā)分燃燒過(guò)程[16]。

表1 揮發(fā)性氣體組分測(cè)試結(jié)果[4]Table 1 Test results of the pyrolysis gas components

2 秸稈捆燃燒特性

秸稈捆與成型燃料、散狀秸稈在燃燒特性方面具有較大差異。王炯通過(guò)TG-DTG 聯(lián)用技術(shù)對(duì)玉米秸稈散燒、打捆、成型 3 種燃燒方式進(jìn)行了特性分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于成型燃料和散狀秸稈，打捆燃料不利于傳熱傳質(zhì)的進(jìn)行，揮發(fā)分的析出峰值時(shí)間滯后，析出過(guò)程較為平穩(wěn)，維持較長(zhǎng)時(shí)間，揮發(fā)分的析出與固定碳的燃燒交互影響作用更為明顯，并指出一次均勻配風(fēng)的重要性[17-18]。

由于秸稈打捆燃料灰分含量大、灰熔點(diǎn)較低，過(guò)高的爐膛溫度會(huì)造成較為嚴(yán)重的顆粒物排放、鍋爐結(jié)渣、結(jié)焦等問(wèn)題，溫度過(guò)低時(shí)爐內(nèi)可燃?xì)怏w燃燒不充分，造成較大的熱損失[9]，因此需要合理的爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及配風(fēng)工藝，控制秸稈捆燃燒過(guò)程，防止?fàn)t膛溫度過(guò)高。

表2 不同秸稈捆工業(yè)分析和元素分析Table 2 Industrial and elemental analysis of different straw bales

不同原料的秸稈捆在燃燒特性方面也存在一定的差異。常用秸稈打捆燃料的基本特性如表2 所示，主要特點(diǎn)是含碳少，含氫多，揮發(fā)分含量高，秸稈捆燃燒初期揮發(fā)分析出量較大，灰分產(chǎn)率較低[19-21]，張品測(cè)試了小麥秸稈捆和玉米秸稈捆的燃燒速率，結(jié)果表明小麥秸稈捆外層燃燒的平均速度比玉米秸稈捆燃燒的速度慢，但內(nèi)層燃燒速率快于玉米秸稈捆，主要是由于玉米秸稈的高揮發(fā)分提高了表面著火性能，但小麥秸稈打捆燃料內(nèi)部松散、孔隙率較高，因此小麥打捆秸稈的內(nèi)部燃燒速率和著火鋒面溫度均高于玉米秸稈打捆燃料[22-23]。Eri? 研究了秸稈捆的傳熱過(guò)程，結(jié)果表明在樣品孔隙率0.85～0.65 的范圍內(nèi)，秸稈捆熱導(dǎo)率隨著孔隙率的減少而下降，主要是因?yàn)榭紫扼w積減小，孔隙內(nèi)流體循環(huán)減少，進(jìn)而減少了孔隙壁之間的熱傳遞。當(dāng)孔隙率低于0.65，熱導(dǎo)率隨著孔隙率降低又逐漸升高，是由于此時(shí)的熱傳導(dǎo)方式轉(zhuǎn)變成了氣相和液相的對(duì)流傳熱[24-25]。因此，不同原料秸稈捆由于化學(xué)組成、打捆密度以及傳熱特性等各方面存在差異，會(huì)造成秸稈捆可燃性指數(shù)以及綜合燃燒特性指數(shù)的不同。

3 煙氣污染物減排工藝

秸稈作為一種清潔能源，其燃燒后幾乎沒(méi)有硫化物，還可以實(shí)現(xiàn)燃燒后的零碳排放[26]，但與天然氣或輕質(zhì)油燃燒相比，秸稈捆的燃燒存在煙塵顆粒物、NOX以及CO 等排放較高問(wèn)題，如圖2 所示為秸稈捆燒主要污染物形成過(guò)程，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究來(lái)降低煙氣污染物的排放。

圖2 秸稈捆燃燒污染物形成過(guò)程Fig.2 Pollutants of straw bale combustion

3.1 顆粒物減排

秸稈捆燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的顆粒物主要包括燃料中可燃物質(zhì)不完全燃燒形成的炭黑顆粒、有機(jī)物顆粒和不可燃物質(zhì)發(fā)生一系列變化形成的飛灰顆粒，其中主要以飛灰顆粒為主[27]。飛灰顆粒在整個(gè)粒徑范圍內(nèi)呈現(xiàn)雙峰分布，粒徑小于1.0μm 的細(xì)顆粒與粒徑大于1.0μm 的粗顆粒各存在一個(gè)峰值。細(xì)顆粒占飛灰顆粒的多數(shù)，其無(wú)機(jī)成分中主要含 K、Cl、S 等元素，并以 K2SO4、KCl 等金屬鹽形式存在，粗顆粒中主要含有Ca，Si，K，S，Na，Al，P，F(xiàn)e 等元素，K 會(huì)轉(zhuǎn)化為K2O，K2O 還會(huì)顯著降低灰熔點(diǎn)而引起鍋爐的結(jié)渣[28-29]。

Oser 等提出一種主燃燒室顆粒物減排的方式，通過(guò)減少一次風(fēng)比例，促進(jìn)K 轉(zhuǎn)化為K 鹽進(jìn)而轉(zhuǎn)化為爐灰，減少K 的氣相轉(zhuǎn)化，達(dá)到煙氣除塵的效果，結(jié)果顯示該方式可將顆粒排放量減少5 倍左右，從160～195 減少到20～45 mg/m3[30]。王炯對(duì)秸稈打捆燃料的飛灰進(jìn)行了一系列灰特性試驗(yàn)，試驗(yàn)得出捆燒灰分浸潤(rùn)性平均值為10.21 mm/min，具有良好的浸潤(rùn)性，為親水性物質(zhì)，表面捆燒灰分為高吸濕性的粉塵顆粒，捆燒灰分的比電阻平均值為1.953×106?·cm，接近低比電阻范圍，并通過(guò)一級(jí)水膜除塵和二級(jí)靜電除塵，將煙氣中顆粒物含量降低至27 mg/m3[31]。賈吉秀等設(shè)計(jì)了一款集成式煙塵脫除系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了旋風(fēng)分離、靜電除塵和循環(huán)水噴淋除污等技術(shù)原理，簡(jiǎn)化了煙氣凈化除塵工藝，煙氣顆粒物含量可降低至19.8 mg/m3[4]。在秸稈連續(xù)捆燒熱解過(guò)程中，因?yàn)闊煔鉁囟燃盃顟B(tài)比較穩(wěn)定，采用布袋除塵器也可以達(dá)到較好的除塵效果。

3.2 煙氣NOX減排

NOx是主要的大氣污染物之一，易造成酸雨和光化學(xué)煙霧，對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生很大的危害，秸稈捆燒鍋爐需要采取有效的措施實(shí)現(xiàn) NOx減排，與鍋爐煙氣脫硝技術(shù)相比，通過(guò)控制燃燒反應(yīng)降低 NOx含量成本較低、效果更好。秸稈捆燒鍋爐中爐膛溫度相對(duì)較低，故熱力型、快速型NOx較少，主要以燃料型NOx為主[32-33]。然而，燃料氮與 NOx排放之間的相關(guān)關(guān)系是非線性的，并不隨著含氮量增加而增加[34]，燃料型NOx由中間產(chǎn)物HCN、NHi（i=1，2，3）氧化形成，主要受煙氣停留時(shí)間、燃燒溫度以及過(guò)量空氣系數(shù)等影響，若控制此過(guò)程中的含氧量，NO 將和NH2生成對(duì)空氣無(wú)污染的 N2[35-36]，如式（1）所示

燃料分級(jí)和配風(fēng)分級(jí)技術(shù)是減少 NOx排放[37-38]的一種有效手段，主要反應(yīng)式如公式（2）和公式（3）所示，并且在生物質(zhì)鍋爐中得到了較大的應(yīng)用，通過(guò)分級(jí)燃燒技術(shù)將燃燒分為初級(jí)燃燒區(qū)和次級(jí)燃燒區(qū)，在初級(jí)燃燒區(qū)秸稈燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)分進(jìn)入次級(jí)燃燒區(qū)發(fā)生燃?xì)馊紵磻?yīng)[39]，研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)降低初級(jí)燃燒區(qū)的配風(fēng)量可以減少 NOx的生成，在初級(jí)燃燒區(qū)的還原條件下，如果保證反應(yīng)溫度和煙氣停留時(shí)間，燃燒初期形成的 NOx可以還原為N2，費(fèi)芳芳等通過(guò)適當(dāng)降低一次配風(fēng)量以及均勻進(jìn)料量等措施，使得 NOx排放濃度平均值可減少約36.09 mg/m3[40]。Carroll 等通過(guò)空氣配風(fēng)分級(jí)試驗(yàn)表明，控制一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)為0.8，初級(jí)燃燒室溫度為900°C時(shí)，煙氣NOx排放量有可以減少30%，如果延長(zhǎng)煙氣在初級(jí)燃燒室的停留時(shí)間，可能會(huì)使 NOx減排效果更好[41]。除了分級(jí)燃燒技術(shù)外，還可以采用燃料添加尿素、氨等催化劑的方式，促進(jìn)燃燒還原反應(yīng)，進(jìn)而降低NOx排放[42]。

3.3 煙氣 CO 減排

CO 是秸稈捆燒過(guò)程中的氣化產(chǎn)物的主要組成部分，排放煙氣中CO 含量過(guò)高表明秸稈捆燃燒過(guò)程不完全，燃燒效率低，同時(shí)容易導(dǎo)致煙氣中焦油含量過(guò)高，形成環(huán)境污染。

丹麥政府在1995 年至2002 年期間提高了生物燃料補(bǔ)貼并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使秸稈捆燒技術(shù)取得較大發(fā)展，CO 排放量從 1995 年的 6 250 mg/m3降至 2017 年的400 mg/m3以下，鍋爐熱效率從75%提高到87%[43-44]。Erik通過(guò)對(duì)秸稈捆燒鍋爐的測(cè)試和對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)通過(guò)在燃燒室內(nèi)增加隔熱層以及改進(jìn)二次空氣供應(yīng)技術(shù)等措施可以降低CO 排放，提高鍋爐熱效率[42]。Mateus 利用CFD對(duì)捆燒鍋爐的二次配風(fēng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了 5°傾角和10°傾角的二次噴嘴，實(shí)現(xiàn)二次燃燒過(guò)程中揮發(fā)分與空氣的旋流燃燒，增加揮發(fā)分的停留時(shí)間，提高秸稈捆的燃燒效率，試驗(yàn)結(jié)果表明，在該款鍋爐上 5°傾角的二次噴嘴設(shè)計(jì)可以降低CO 排放約3 408 mg/m3，具有較好的減排效果[45-47]。Mladenovi? 等研發(fā)的玉米秸稈捆燒鍋爐，通過(guò)離心風(fēng)機(jī)將排放的煙氣部分進(jìn)行回爐再燃燒，對(duì)煙氣中未能充分氧化燃燒的 CO 再次引入到爐膛內(nèi)進(jìn)行氧化，實(shí)現(xiàn)煙氣的二次燃燒，故其 CO 排放量較低約為56 mg/m3[48-49]。

4 秸稈捆燒技術(shù)類型

根據(jù)供暖規(guī)模及工藝特性，目前秸稈捆燒技術(shù)主要有 2 種，一是連續(xù)式捆燒技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程中連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)清灰，維持燃燒室內(nèi)一個(gè)穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，爐膛溫度波動(dòng)幅度較小，有利于智能化操作，適合供暖面積較大的集中供暖區(qū)域；另一種序批進(jìn)料型的秸稈捆燒鍋爐，即將燃燒室內(nèi)的秸稈燃料全部燒完后再重新進(jìn)料燃燒的方式，序批進(jìn)料捆燒的特點(diǎn)是占地面積小，運(yùn)行操作簡(jiǎn)捷方便，通常用于小型供暖機(jī)構(gòu)。

4.1 連續(xù)式捆燒技術(shù)

4.1.1 Cigar 型連續(xù)秸稈捆燒技術(shù)

Cigar 型連續(xù)捆燒鍋爐由于其燃燒方式與雪茄類似，故被稱為“Cigar”燃燒系統(tǒng)，被歐盟認(rèn)為是最適合秸稈捆燃燒的一種技術(shù)[24]，與其他生物質(zhì)燃燒方式不同的是，Cigar 型燃燒是在秸稈捆的端面進(jìn)行點(diǎn)火燃燒，其原理如圖 3 所示，通過(guò)控制原料進(jìn)料量和配風(fēng)量，將秸稈捆的燃燒分為燃料主燃燒、揮發(fā)分燃燒、秸稈炭及煙氣燃燒等階段[11,50-53]，在秸稈捆的進(jìn)料側(cè)配備一次風(fēng)發(fā)生主燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式由燃燒側(cè)向未燃燒側(cè)傳遞，實(shí)現(xiàn)秸稈捆的干燥脫水、揮發(fā)分析出以及熱解燃燒等過(guò)程，燃燒完成后的灰炭與揮發(fā)分自動(dòng)分離，在揮發(fā)分處配備二次風(fēng)實(shí)現(xiàn)揮發(fā)分的燃燒，在灰炭層配備三次風(fēng)實(shí)現(xiàn)秸稈炭的完全燃燒，最終達(dá)到秸稈捆分級(jí)有序燃燒。

圖3 Cigar 型連續(xù)秸稈捆燒技術(shù)原理示意圖Fig.3 Diagram of straw bale combustion in Cigar burners

Niels Bech 提出了一種計(jì)算Cigar 型秸稈捆表面燃燒穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型[50]，通過(guò)該模型能夠預(yù)測(cè)氣流速度、溫度、氣體和秸稈組成隨軸向長(zhǎng)度和時(shí)間的變化，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為秸稈捆燒提供了理論指導(dǎo)。塞爾維亞貝爾格萊德大學(xué)研發(fā)了多種 Cigar 型秸稈捆燒鍋爐[24,48-52]，對(duì)Cigar 進(jìn)行了改進(jìn)提升，研制了小型黃豆秸稈捆燒鍋爐[52]，爐膛內(nèi)設(shè)置有 2 個(gè)燃燒室，在主燃燒室產(chǎn)生煙氣和揮發(fā)分再第二燃燒室進(jìn)行再次配風(fēng)燃燒，促進(jìn)揮發(fā)分氣體和空氣的充分混合，NOx與CO 能充分接觸并發(fā)生反應(yīng)生成N2和CO2，從而降低了CO 和NOx排放，其CO 排放量約為188 mg/m3，NOx排放量約為175 mg/m3。

4.1.2 往復(fù)爐排型連續(xù)捆燒技術(shù)

往復(fù)爐排型連續(xù)捆燒技術(shù)原理如圖 4 所示，空氣一次風(fēng)從爐排下面分區(qū)送入燃燒室，與料層運(yùn)動(dòng)方向相交，完成主燃燒反應(yīng)。原料在爐膛內(nèi)受到輻射加熱，依次經(jīng)歷水分蒸發(fā)、揮發(fā)分的析出、固定碳的燃燒和燃盡 3 個(gè)階段，灰渣隨爐排移動(dòng)到后部，經(jīng)過(guò)擋渣板落入后部水冷灰渣斗，由除渣機(jī)排出[10,15]。

圖4 往復(fù)爐排型連續(xù)捆燒技術(shù)原理示意圖Fig.4 Diagram of straw bale combustion in reciprocating grate boilers

張品研制了一款往復(fù)爐排型連續(xù)捆燒鍋爐[54]，采用往復(fù)爐排的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)秸稈捆的連續(xù)送料和清渣，在爐排下端配備一次均勻風(fēng)發(fā)生主燃燒反應(yīng)，在爐拱處配備二次風(fēng)將秸稈燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)份進(jìn)行二次充分燃燒，產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過(guò)多管旋風(fēng)除塵器和布袋除塵器凈化后排出。經(jīng)測(cè)試，鍋爐燃燒效率為80.6%，CO 排放量約為292 mg/m3，NOx排放量為125.4 mg/m3，顆粒物排放量為27.9 mg/m3。

4.2 序批式捆燒技術(shù)

序批式秸稈捆燒鍋爐的基本結(jié)構(gòu)于1979年確立，Eri?針對(duì)秸稈捆燒鍋爐燃燒效率、煙氣排放不理想的問(wèn)題，對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在爐膛上方增加了二次燃燒室[25]，由此確立序批式秸稈捆燒鍋爐的基本結(jié)構(gòu)，按照點(diǎn)火及燃燒方式可分為逆流層燃和順流層燃。

4.2.1 順流式捆燒技術(shù)

順流式序批捆燒技術(shù)是指煙氣流動(dòng)方向與燃料供給方向相同的一種層燃技術(shù)，其捆燒原理如圖 5 所示，順流式燃燒技術(shù)一般在秸稈捆的上方點(diǎn)火并配風(fēng)，主要由熱傳導(dǎo)的方式將熱量向下傳遞，使底部燃料逐步發(fā)生干燥、揮發(fā)分析出及熱解等反應(yīng)，形成由上而下的燃燒層、析出層、干燥層以及原料層，適合于較干燥的秸稈捆燃料。

圖5 順流層燃秸稈捆燒技術(shù)原理示意圖Fig.5 Diagram of forward burning straw bale combustion

丹麥奧胡斯大學(xué)研制的序批式秸稈捆燒鍋爐[44-46]，爐膛上端設(shè)置 2 個(gè)配風(fēng)管作為秸稈燃燒主配風(fēng)燃燒區(qū)，在上端右側(cè)設(shè)置二次配風(fēng)結(jié)構(gòu)，在主配風(fēng)燃燒區(qū)發(fā)生順流層燃的燃燒狀態(tài)，上部燃燒產(chǎn)生的熱量會(huì)逐步烘干底部燃料，達(dá)到預(yù)燃燒狀態(tài)。右側(cè)的二次風(fēng)水平噴入燃燒室內(nèi)，與煙氣中的可燃成分發(fā)生二次燃燒反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)秸稈的充分燃燒。經(jīng)測(cè)試，該鍋爐功率為 500kW，熱效率為 87%，CO 排放量約為 600 mg/m3，顆粒物排放量為283 mg/m3。

4.2.2 逆流式捆燒技術(shù)

逆流式序批捆燒技術(shù)是指煙氣流動(dòng)方向與燃料供給方向相反的一種層燃技術(shù)，也被稱為倒置層燃技術(shù)，其捆燒原理如圖 6 所示，一般在秸稈捆的下方或者側(cè)下方點(diǎn)火并配風(fēng)，熱量主要由熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的方式向上傳導(dǎo)，使上部燃料逐步發(fā)生干燥、揮發(fā)分析出及熱解等反應(yīng)，形成由下而上的燃燒層、析出層、干燥層以及原料層，適合于含水率較多的燃料。

波蘭克拉科夫AGH科技大學(xué)研發(fā)了系列序批式捆燒鍋爐[16,45]，該鍋爐設(shè)置了2 個(gè)左右相對(duì)隔離的燃燒室，在第一燃燒室內(nèi)營(yíng)造缺氧環(huán)境，使秸稈半氣化燃燒并析出大量可燃?xì)怏w，在第二燃燒室供給足夠氧氣使可燃?xì)怏w充分燃燒，其設(shè)計(jì)的傾角型噴嘴形狀能在第二燃燒室內(nèi)產(chǎn)生旋流流場(chǎng)，增加了空氣與揮發(fā)分的接觸時(shí)間，提高了揮發(fā)分中CO 的氧化燃燒程度，鍋爐熱效率可達(dá)84%。美國(guó) Center Boiler 采用逆流層燃原理設(shè)計(jì)的 E-Classic 2 300 捆燒鍋爐[55]，設(shè)置了上下2 個(gè)燃燒室，第一燃燒室采用高流量空氣配風(fēng)使溫度控制在600～800°C 來(lái)保證揮發(fā)分的析出，第二燃燒室通過(guò)低流量空氣配風(fēng)使溫度升高到1 200°C，保證揮發(fā)分和秸稈炭的完全燃燒，具有較好的燃燒效果。

圖6 逆流層燃秸稈捆燒技術(shù)原理示意圖Fig.6 Diagram of reverse burning straw bale combustion

4.3 不同捆燒技術(shù)對(duì)比分析

根據(jù)上述分類，表 3 詳細(xì)對(duì)比了國(guó)內(nèi)外典型秸稈捆燒技術(shù)。Cigar 型捆燒技術(shù)通過(guò)控制進(jìn)料速度和風(fēng)機(jī)配風(fēng)量調(diào)節(jié)燃燒速度，實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程智能化控制，減少爐膛溫度波動(dòng)，維持燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性[50-53]。往復(fù)爐排型捆燒技術(shù)依靠爐排的推動(dòng)作用使秸稈捆變得疏松透氣，避免燃燒不充分或者配風(fēng)系數(shù)過(guò)高的問(wèn)題[10,15]。順流式捆燒技術(shù)燃燒過(guò)程中的灰炭與原料不斷的進(jìn)行熱交換，有效利用了灰炭余熱，但高溫?zé)煔馀c燃料層之間對(duì)流換熱較少，不利于原料的預(yù)燃燒處理，適合于較干燥的秸稈捆燃料。順流式捆燒技術(shù)燃燒過(guò)程中的灰炭與燃燒層及時(shí)分離，有利于灰炭的二次燃燒，高溫?zé)煔馀c燃料層充分換熱，有利于原料的干燥預(yù)處理。

表3 國(guó)內(nèi)外典型捆燒技術(shù)比較Table 3 Comparison of typical straw bale combustion technologies

5 秸稈捆燒技術(shù)研究趨勢(shì)及效益分析

5.1 秸稈捆燒技術(shù)研究機(jī)構(gòu)與趨勢(shì)

采用全球文獻(xiàn)調(diào)研的方式，在Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行論文檢索，利用關(guān)鍵詞檢索和摘要檢索的方式進(jìn)行農(nóng)作物秸稈捆燒及排放技術(shù)發(fā)展情況調(diào)研分析。圖7 為秸稈捆燒及排放技術(shù)重點(diǎn)top10 機(jī)構(gòu)發(fā)文總被引頻次分布，總引頻次最高的是丹麥理工大學(xué)，為1 440次；瑞典查爾姆斯理工大學(xué)是 933 次，居第二位；第三位的是芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心，總被引頻次為 797 次，表明了歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家在秸稈捆燒領(lǐng)域具有一定的領(lǐng)先地位。圖8 為T(mén)OP10 國(guó)家發(fā)文趨勢(shì)，整體發(fā)文量呈上揚(yáng)趨勢(shì)，表明秸稈捆燒技術(shù)已經(jīng)逐漸引起了科研工作者的重視。

圖7 TOP10 機(jī)構(gòu)發(fā)文總被引頻次分布Fig.7 Distribution of total cited frequency of organization documents

5.2 秸稈捆燒技術(shù)研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)

利用 VOS 軟件分析秸稈捆燒技術(shù)關(guān)鍵詞的主題聚類，顏色深度代表時(shí)間，球體大小代表關(guān)鍵詞頻次，由圖 9 可見(jiàn)，在秸稈捆燒及排放技術(shù)領(lǐng)域中，發(fā)文量最高的領(lǐng)域關(guān)鍵詞依次為 efficiency、concentration、biomass combustion、energy、biomass boiler、plant、particle、simulation 等，說(shuō)明本領(lǐng)域內(nèi)主要研究集中在秸稈捆燒的能效、煙氣排放、鍋爐結(jié)構(gòu)以及仿真模擬等方面。從年度詞匯分布顯示，主要的發(fā)文集中在2008—2015 年間，在 2015 年后，熱點(diǎn)關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)向于 biomass boiler、concentration、simulation，可以看出秸稈捆燒技術(shù)的研究已側(cè)重于煙氣減排以及環(huán)境影響評(píng)價(jià)等方面，研究方法上更多結(jié)合了模擬分析手段，深入開(kāi)展機(jī)理研究和參數(shù)優(yōu)化。

5.3 捆燒技術(shù)效益分析

秸稈捆燒技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。以供暖面積1 萬(wàn)m2，100 戶用暖需求為例，需要1 400 kW供暖鍋爐，秸稈打捆直燃鍋爐投資55 萬(wàn)元，打捆秸稈價(jià)格 200 元/t，年消耗秸稈約 600 t，按照設(shè)備設(shè)施折舊期10 a，取暖季為120 d，每天滿功率運(yùn)行10 h，秸稈壓塊和秸稈打捆燃料均采用玉米秸稈為原料。結(jié)果如表 4 所示，打捆直燃鍋爐采暖季取暖費(fèi)用為19.8 元/m2，燃煤鍋爐的取暖費(fèi)用為25.5 元/m2，秸稈壓塊鍋爐的取暖費(fèi)用為25.1 元/m2，燃?xì)忮仩t的取暖費(fèi)用為 31.4 元/m2，因此打捆直燃鍋爐具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[56-57]。另外，捆燒秸稈供暖代替煤炭供暖，每年每平米減少SO2排放0.38 kg，減少CO2排放1.54 kg，具有較好的環(huán)保效益[58]。

圖8 TOP10 國(guó)家發(fā)文趨勢(shì)Fig.8 Trend of top10 national publishing

圖9 秸稈捆燒論文技術(shù)熱點(diǎn)分布與趨勢(shì)Fig.9 Hot spot distribution and trend of straw bale combustion technology

表4 不同供暖方式取暖成本Table 4 Cost of different heating modes

在技術(shù)推廣應(yīng)用方面，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家的秸稈捆燒鍋爐產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展較為成熟。丹麥 Alcon 公司[59]研發(fā)的秸稈捆燒鍋爐功率從 12 kW 到 1 200 kW，熱效率能達(dá)到87.5%，主要銷往丹麥、挪威、瑞典、愛(ài)爾蘭等國(guó)家。波蘭 MetalERG 公司[60]自 1993 年來(lái)已出口 800 多臺(tái)EKOPAL 系列秸稈捆燒鍋爐，已安裝有700 臺(tái)EKOPAL RM 系列鍋爐，總功率約為84 MW。捷克Step Trurnov公司[60]生產(chǎn)的秸稈捆燒鍋爐功率從100 kW 到5 000 kW，主要用于住宅區(qū)、政府機(jī)構(gòu)、農(nóng)舍等供熱，鍋爐總功率超過(guò)40 MW。中國(guó)秸稈捆燒技術(shù)推廣應(yīng)用處于起步階段，其中遼寧眾緣環(huán)保設(shè)備制造有限公司、承德本特有限技術(shù)公司、朝陽(yáng)玉杰能源科技有限公司等相關(guān)企業(yè)，也生產(chǎn)制造了不同類型的捆燒鍋爐，在遼寧、黑龍江、河北等地區(qū)開(kāi)展推廣應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果。

6 結(jié) 論

本文對(duì)秸稈捆燒基礎(chǔ)研究和技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，對(duì)不同供暖技術(shù)進(jìn)行了效益分析，并進(jìn)行了秸稈捆燒技術(shù)文獻(xiàn)調(diào)研，得出以下結(jié)論與建議：

1）秸稈捆燒技術(shù)具有供暖工藝流程簡(jiǎn)便、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值，適用于我國(guó)北方村鎮(zhèn)清潔供暖的產(chǎn)業(yè)化推廣。

2）稈捆燒技術(shù)已經(jīng)逐漸引起了科研工作者的重視，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家在秸稈捆燒領(lǐng)域研究較早，在捆燒機(jī)理、鍋爐結(jié)構(gòu)、煙氣減排等方面取得了一定的研究進(jìn)展，目前捆燒技術(shù)的研究熱點(diǎn)傾向于煙氣減排以及環(huán)境影響評(píng)價(jià)等方面。

3）現(xiàn)有秸稈捆燒技術(shù)仍然存在燃燒不充分、煙氣污染物生成機(jī)理不清晰、NOX和顆粒物排放較高等問(wèn)題，建議深入開(kāi)展秸稈捆燒燃燒與污染物排放特性研究，開(kāi)展秸稈捆燒鍋爐結(jié)構(gòu)及配風(fēng)工藝優(yōu)化，從源頭減少煙氣污染物生成。