由于全球性能源危机，对可再生能源的开发利用逐渐引起了人们的重视。中国在2005年2月通过了《可再生能源法》，并于2006年1月1日起施行。随后，相关的价格、税收、强制性市场配额和并网接人等鼓励扶持政策也相继出台，为我国可再生能源产业加速发展奠定了良好的基础。随着我国经济发展和居民生活水平的提高，对于优质燃料的需求日益迫切。生物质压缩成型技术可有效提高生物质的利用价值，虽然热值没有增高，但其燃烧特性大为改善，燃料的利用率大大提高。生物质成型颗粒燃料作为一种新型燃料，其燃烧特性的理论研究还处于初级阶段，我国对燃用生物质成型颗粒燃料的专用燃烧设备的研制开发也起步较晚。目前，世界上燃用生物质成型颗粒燃料的燃烧设备主要是小颗粒燃料炉和壁炉，对于大块成型颗粒燃料的燃烧设备在世界上研究较少。国内某些企业在未弄清生物质成型燃烧机理的情况下，将原有的燃煤锅炉直接改造成生物质锅炉，但改造后的锅炉仍因炉膛的容积、形状与生物质成型燃烧不匹配，锅炉的受热面与生物质成型颗粒燃料不匹配，过剩空气系数与生物质成型燃烧不匹配等原因，致使锅炉燃烧效率及热效率较低，污染物排放超标，富通新能源销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机、秸秆颗粒机压制的生物质颗粒燃料。
本研究通过对生物质成型颗粒燃料的燃烧特性进行了分析，针对现有生物质成型颗粒燃料燃烧设备的不足创新设计出一种具有特殊结构，特殊燃烧方式的新型生物质锅炉，并对该锅炉进行了相关性能试验。
1、生物质成型颗粒燃料燃烧特性分析1.1生物质成型颗粒燃料的工业分析
表1列出了玉米秆、小麦秆、稻秆及2种煤的工业分析和发热量。从表1中可以看出秸秆的含氧量和挥发分远高于煤；而灰分和固定碳的含量远低于煤，其热值也小于煤。因此，生物质成型颗粒燃料的特点决定了它的燃烧具有一定的特征。
1.2原生物质燃烧特性
秸秆类原生物质具有密度小、体积大、挥发分高(60%～70%)以及点火温度低等特点。同时，其热分解的温度也比较低，一般在350℃就分解释放出80%左右的挥发分，燃烧平稳性较差，燃烧开始不久燃烧迅速由动力区进入扩散区，挥发分在短时期内迅速燃烧，放热量剧增，高温烟气来不及传热就流出烟囱，造成大量的排烟热损失。另一方面挥发分剧烈燃烧所需要的氧气量远远大于外界扩散所供应的氧量，使供氧明显不足，较多的挥发分不能燃尽，大量形成CO、H2、CH4等中间产物，产生大量的气体不能完全燃烧。
挥发分燃烧完毕，进入焦炭燃烧阶段时，由于生物质焦炭的结构为散状，气流的扰动就可使其解体悬浮起来，脱离燃烧层，迅速进入炉膛的上方空间，经过烟道进入烟囱，形成大量的固体不完全燃烧热损失。此时燃烧层所剩焦炭量很少，形不成燃烧中心，使得燃烧后劲不足，如不严格控制进入空气量，将使空气大量过剩，不但降低炉温，而且增加排烟热损失。
1.3生物质成型颗粒燃料燃烧特性
由于生物质成型颗粒燃料是经过高压形成的块状燃料，其密度远远大于原生物质，其结构与组织特征就决定了挥发分的溢出速度与传热速度都大大降低。燃料的点火温度有所升高，点火性能变差，但比型煤的点火性能要好，从点火性能考虑，仍不失生物质的点火特性。燃烧开始时挥发分慢慢分解，燃烧处于动力区，随着挥发分燃烧逐渐进入过渡区与扩散区，燃烧速度适中能够使挥发分放出的热量及时传递给受热面，使排烟热损失降低。同时挥发分燃烧所需的氧与外界扩散的氧可以较好的匹配，挥发分能够燃尽，又不过多的加入空气，炉温逐渐升高，减少了大量的气体不完全燃烧损失与排烟热损失。
挥发分燃烧后，剩余的焦炭骨架结构紧密，像型煤焦炭骨架一样，运动的气流不能使骨架解体悬浮，能保持层状燃烧，并且形成层状燃烧核心。这时炭的燃烧所需要的氧与静态渗透扩散的氧相当，燃烧稳定持续，炉温较高，从而减少了固体与排烟热损失。在燃烧过程中可以清楚的看到炭的燃烧过程，蓝色火焰包裹着明亮的炭块，燃烧时间明显延长。
总之，生物质成型颗粒燃料燃烧均匀适中，燃烧所需的氧量与外界渗透扩散的氧量能够较好匹配，燃烧波浪较小，燃烧相对稳定。
1.4生物质成型颗粒燃料与煤的燃烧特性比较
生物质成型颗粒燃料的燃烧性能介于原生物质和褐煤之间。由于生物质成型颗粒燃料是经过高压而形成的块状燃料，其密度远远大于原生物质，燃烧相对稳定。虽然点火温度有所升高，点火性能变差，但与煤的点火性能相比要好的多。生物质成型颗粒燃料及煤的颗粒粒径、升温速率、样品质量和挥发分释放特性指数都对两者的着火及燃烧同样产生不同程度的影响。由于生物质成型颗粒燃料是经过高压而形成的块状燃料，其结构与组织特征就决定了挥发分的溢出速度与传热速度较原生物质秸秆大大降低，但是与煤相比显得更为容易，因此，生物质成型颗粒燃料的挥发分特性指数与燃烧特性指数是大于煤的。
2、锅炉的设计
2.1主要设计参数
锅炉产水量（锅炉出力）G-500kg/h，进水温度T=20℃，出水温度T=95℃，冷空气温度为20℃。由于缺乏有关生物质成型颗粒燃料锅炉设计参数，根据秸秆成型颗粒燃料的成分、发热量及燃烧与中值烟煤相当的特性，锅炉特性参数的选取中值烟煤为参考进行选取。其固体不完全燃烧损失q4=3%，排烟温度为100℃，排烟损失q2=8%，气体不完全燃烧损失q=1%，散热损失qs =5%，灰渣物理热损失q=2%，炉排面积热强度qR=370 kW/m2，炉膛容积热强度qv一340 kW/m2，辐射受热面强度qf=70 kW/m2，炉膛过剩空气系数ajl一1.7，排烟处过剩空气系数apj=1.85，烟道总阻力333 Pa。
2.2反烧式生物质成型颗粒燃料锅炉结构布置
新型生物质成型颗粒燃料锅炉采用反烧结构。包括锅炉本体、开水箱、温水箱、横向热交换水管组、隔烟板、烟气净化器、引风机、烟囱等部分组成，其结构布置如图1。在锅炉体内上下设置的上炉膛和下炉膛，上炉膛直通至锅炉体顶部与外界相通，设置人口为进料口，进料口常开，作为投燃料与供应空气之用。炉体正面设置有风门和出灰口分别与下炉膛和集灰室相通。由风门进入下炉膛的二次风使未燃尽的气体在此处进一步燃烧。开水箱与温水箱的内腔作为烟道下端与下炉膛排烟道连通，内腔设置有横向热交换水管组。温水箱内腔上半部分由一块隔烟板纵向分隔成2个空间，排烟口处设置有烟气净化器，内置高效过滤材料。
反烧式生物质成型颗粒燃料锅炉的工作原理是：生物质成型颗粒燃料从上部进料口加入到上炉膛内。锅炉运行时上炉排上的炙热燃料和未燃尽的微粒，在引风机和重力作用下，一边燃烧一边向下掉落，落在下炉排上，未完全燃烧的燃料颗粒继续燃烧，燃尽的灰粒从下炉排落人集灰室中。烟气由下炉膛排烟道进入开水箱内腔，从热交换水管组内部间隙穿过，再由开水箱排烟道进入温水箱；烟气在温水箱内腔隔烟板的导向下穿过热交换水管组内部的间隙进入烟气净化器，经过进化处理后从温水箱的排烟口排出，通过引风机进入烟囱。
3、生物质成型颗粒燃料锅炉试验
根据GB/T101080-2003《工业锅炉热工性能试验规范》、GWPB321999《锅炉大气污染物排放标准》及GB5468-1991《锅炉烟尘测试方法》，对该生物质成型颗粒燃料锅炉热性能及环保指标进行测试。
3.1主要测试仪器
WJ-60B型皮托管平行全自动烟尘采样器；(2)2000A手持式快速红外测温仪，测量精度为读数值1%±1℃；(3)SWJ精密数字热电偶温度计，精度为±0.3%；(4)U型玻璃管压力计，精度为1.0级；(5)大气压力计，精度为1.0级；(6)磅称，米尺，秒表，水桶。
3.2试验结果
试验燃料为：成型玉米秆；成型稻秆；成型小麦秆。燃料直径均为45mm，密度为1.15 t/m3，含水率为7. 0%，收到基净发热量分别为15 847kj/kg、15751 kj/kg、15 380 kj/kg。试验结果见表2。
4、结语
(1)由3种不同类型生物质成型颗粒燃料试验得出的结果可以看出，根据其燃烧规律设计出的专用锅炉的热效率达到了设计要求，且3个试验的热效率相近，说明设计出的专用锅炉对生物质燃料的适应性强，证明了该设计方法的可行性和科学性。
(2)从试验过程可以看出，采用双炉排反烧结构，冷空气和生物质成型颗粒燃料不直接进入燃烧室，使燃料从上炉排到刚投入炉内的新料层温度逐渐降低形成温度梯度，使挥发分的析出速度相对平稳，解决了生物质成型颗粒燃料燃烧的不稳定现象；灰渣在料层的压力和自身的重力作用下自动下落，基本上解决了秸秆成型颗粒燃料结渣对燃烧产生的不利影响。
(3)成型颗粒燃料燃烧排放的烟气依次经过开水箱和温水箱内腔，进行多级换热，最后从烟囱排人大气中，而开水箱和温水箱内腔的横向热交换水管组收集的热量通过热水补充到锅炉热交换水系统中，充分利用了烟气余热，提高了锅炉的热效率。
(4)试验除开始点火时有少量白烟（因生物质成型颗粒燃料内含有生物质碱，白烟属于生物质碱）外，锅炉正常运行后，整个过程燃烧连续平稳，排烟中不完全燃烧物损失小。锅炉排烟口处设置有烟气净化器，内置高效过滤材料（原料来源广泛，可以随时更换）可有效脱除烟气中的焦油和灰分。锅炉排烟中CO、SO2、NOx和烟尘浓度等环保指标远远低于燃煤锅炉，符合国家工业锅炉大气污染物排放标准要求。
(5)国内外文献中缺乏生物质成型颗粒燃料锅炉的具体设计参数，有些参数是按煤质或按经验确定的，从试验可看出生物质成型颗粒燃料锅炉的设计选用参数与运行参数之间还存在一定差别。
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