文献综述
- 研究背景
能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，能源问题已成为人类实现可持续发展必须面对的问题之一。由于煤、石油、天然气的日益枯竭和日渐严重的环境污染问题，可再生能源的开发利用研究已经引起国际社会的共同关注。我国是全球第二大能源生产国和消费国，能源消费结构以煤炭为主，煤炭的大量消耗严重地污染了我们赖以生存的生态环境，如何合理地开发与利用洁净的、可再生的能源已成为当今时代人类面临的新课题[1,2]。
我国作为农业大国，每年农作物秸秆产量约为6.5亿吨；薪柴和林业废弃物资源量中，可开发量每年达到6亿吨以上。每年因无法处理的剩余农作物秸秆在田间支架焚烧的超过2亿吨，这不仅浪费了资源，而且造成了严重的空气污染。为实现可持续能源生产和减少温室气体排放的目的，生物质能源越来越受到人们的重视，目前已经在锅炉燃料中占据重要的地位。在目前世界的能源消耗中，生物质燃料消耗占世界总能耗的14%，仅次于是油、煤炭和天然气，位居第四位[3,4]。而在发展中国家，生物质燃料（主要是玉米、小麦水稻秸秆、稻壳、稻草、木质类等）占较大的比重，达到50%以上。据统计全球生物质能源占可再生能源资源的35%，在可再生资源中位居首位。其中，欧美发达国家生物质能源占总能源的25%，而在我国，生物质能源占总能源的比例不到0.3%，具有很强的推广潜力[5]。
生物质能最直接的利用方式就是燃烧。生物质锅炉是将生物质直接作为燃料燃烧，将燃烧产生的能量用于发电的装置。当今用于发电的生物质锅炉主要燃烧形式为流化床燃烧锅炉和层燃锅炉[6]。至2010年，我国生物质能发电装机容量将超过3000MW。生物质锅炉的研究及开发对这一目标的实现具有决定性的影响[7]。
锅炉采用最适合生物质燃料燃烧的燃烧设备——往复炉排。锅炉在结构设计上，相对传统锅炉炉膛空间较大，同时布置非常合理的二次风，有利于生物质燃料燃烧时瞬间析出的大量挥发分充分燃烧。
锅炉可配有燃油（燃气）点火燃烧器，实现点火自动化。锅炉的给料、燃烧、除渣、给水、点火都可采用自动控制，操作非常方便。锅炉配有自动清灰装置，能及时清除锅炉受热面的积灰，保证锅炉高效稳定运行。锅炉尾部布置有省煤器、也可根据用户需要布置空气预热器。相对传统的锅炉，生物质锅炉效率更高，排烟温度低。另外，生物质锅炉的节能、环保，安装使用方便等优点也使得其在各国的生物质能源开发利用上占据着重要地位[8-11]。
- 研究现状
1. 国外生物质成型燃料燃烧设备研究现状
早在20世纪30年代，美国就开始了压缩成型燃料技术及其燃烧技术的研究，并研制了螺旋式压缩机及其配套的燃烧设备，现有9个生产能力250吨／小时的生产厂，另有6个州建立起以树皮为原料的成型燃料加工厂，日产量可达300吨，此外还有大批专业的燃烧设备厂[12]。日本在20世纪50年代，研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备；亚洲一些国家 （泰国、印度、韩国、菲律宾等）在20世纪80年代已建了不少生物质固化、碳化专业生产厂，并研制出相关的燃烧设备。这些国家生物质成型燃料燃烧设备大多数为碳化炉与焦碳燃烧炉，直接燃用生物质成型燃料的设备较少，燃烧设备还未定型，还需进一步的研究、实验与开发，这些国家生物质成型燃料燃烧设备不适合引进中国。西欧一些国家 （荷兰、瑞典、比利时、芬兰、丹麦等） 在20世纪70年代已有了冲压式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设备。目前，欧洲各个国家牛物质颗粒成型技术和设备已非常成熟，大多是食业集中生产，具有规范的管理体制，自动化程度高，颗粒燃料都已有自己的国家标准，严格规范了成型燃料的生产，并形成了生产供应市场化体系。这些国家生物质成型燃料燃烧设备具有加工工艺合理，专业化程度高、操作自动化程度好、热效率高、排烟污染小等优点，但存在着价格高、使用燃料品种单一，易结渣、电耗高等缺点 [13]。2. 国内生物质成型燃料燃烧设备研究现状
我国生物质固体成型燃料技术研究开发始于20世纪80年代，早期主要集中在螺旋挤压成型机上。1985年根据国外样机试制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机。江苏省连云港市东海粮食机械厂于1986年引进了一台OBM-88棒状燃料成型机。1998年，东南大学，江苏省科技情报所和国营9305厂研制出MD-15型固体燃料成型机。2000年以来，生物质固体成型技术得到较快的发展，成型设备的生产和应用已初步形成了一定的规模。截至2007年底，国内有生物质固体成型燃料生产厂50余家，固体成型燃料生产能力约为20万吨／天。2008年，农业部规划设计研究院建立了我国第1条生物质固体成型燃料生产线，实现了工业化生产。目前，我国成型机主要有螺旋挤压、活塞冲压、压辊式等几种工艺类型[1,2,14]。
但是我国尚未研制出技术较为成熟且适用广泛的生物质成型燃料专用燃烧设备，现有的一些生物质锅炉也都只局限于小型手烧炉，目前也有试验研究在现有燃煤链条炉中改烧生物质成型燃料，但这类锅炉炉膛容积小，无法适应高挥发分的生物质成型燃料，燃烧过程中存在着烟囱冒黑烟滴焦油等严重问题，基本都不成功[15]。
