生物质燃料和化石燃料特性比较.doc

课程设计(论文)

课程名称
文献检索
题 目
生物质燃料与化石燃料特性比较
院（系）（系）
材料与矿资学院
专业班级
材料工程1301班
姓 名
韩园园
学 号
130502133
指导教师
杨 康

2016 年 6 月 24 日

西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书
专业班级：材料工程1301班 学生姓名： 韩园园 指导教师（签名）：
一、课程设计（论文）题目
生物质燃料与化石燃料特性比较
二、本次课程设计（论文）应达到的目的
掌握文献检索的方法，了解科技论文的基本特征和写作过程，掌握科技论文各部分的撰写格式和撰写方法。
掌握文献资料的整理和归纳总结，熟悉综述性科技论文的写作要求和写作方法。
三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）
主要内容：根据题目选定关键词，查阅国内外相关文献，归纳总结文献资料，深入了解本课题的研究进展情况及存在的问题，撰写一篇不少于6000字的综述性科技论文。
要求：1.论文格式严格按照《西安建筑科技大学本科课程设计（论文)管理规定（试行）》执行；2.科技论文中要包括标题、署名、摘要、关键词、引言、正文、结论、致谢、参考文献，各部分语言表达和格式要符合科技论文规范；3.参考文献不少于20篇，其中外文文献不少于5篇。
四、应收集的资料及主要参考文献：
[1] 王晓钢. 生物质与煤掺烧燃烧特性的实验研究[J]. 可再生能源, 2014-1, 32(1): 87-92.
[2] 罗君. 生物质燃料热风干燥特性及干燥系统方案研究[D]. 浙江, 浙江大学, 2016-3,13.
[3] Vassilev S, Baxter D, Andersen L, Vassileva C. An overview of the chemical position of biomass. Fuel 2010,89:913–33.
[4] Vassilev S, Baxter D, Andersen L, Vassileva C, Morgan T. An overview of the organic and inorganic phase position of biomass. Fuel 2012,94:1–33.
[5] Vassilev S, Baxter D, Andersen L, Vassileva C. An overview of the position and application of biomass ash. Part 1. Phase–mineral and chemical position and classification. Fuel 2013,105:40–76.
五、审核批准意见

教研室主任（签字）

生物质燃料与化石燃料特性比较

班级：材料工程1301班 姓名：韩园园
指导教师：杨康

摘 要
本文从全球能源使用现状为背景，介绍了生物质燃料和化石燃料的定义和分类，简述了评价燃料的常用性能指标；从生物质燃料和煤的化学组成，分析了各自的物理特性和燃烧特性，通过工业分析、灰分分析、灰熔融性测试、其它性能分析等30余项特性对比，分析了煤和生物质燃料各自的优缺点。
最后，通过可持续生物质资源生产生物质燃料的可用性讨论，得出生物质的生物燃料和生物化学应用的缺点大于优势；但是，它产生的环境、经济和社会效益可以弥补由生物质组成和性质导致的技术性缺陷和其他缺点。

关键词：生物质燃料，化石燃料，煤，特性比较，优点和缺点

ABSTRACT

From the global situation of energy use as the background, the author introduced the definition and classification of biomass fuels and fossil fuels and described the evaluation index of fuel performance; from chemical position of biomass and coal fuels, the author analyzed their physical characteristics and bustion; through industry analysis, ash analysis, more than 30 characteristics of the ash fusion tests, other performance analysis, the author pared and analyzed advantages and disadvantages of coal and biomass fuels.
Finally, a discussion about the availability of sustainable biomass resources for production of biofuels and biochemicals is given. It was found that the disadvantages of biomass for biofuel and biochemical applications prevail over the advantages; however, the major environmental, economic and social benefits appear to pensate the technological and other barriers caused by the unfavourable position and properties of biomass.

Keywords: Biomass fuels, Fossil fuels, Coal, Characteristics, Advantages and disadvantages

目 录

1 引 言 1
2 生物质和生物质燃料定义及分类 2
2.1 生物质 2
2.2 生物质能 3
2.3 生物质能源利用途径 3
3 化石燃料定义及分类 4
3.1 化石燃料 4
3.2 化石燃料分类 4
4 生物质燃料与化石燃料性能指标 5
4.1 燃料主要指标 5
4.2 术语及其它指标 6
5 生物质燃料与化石燃料特性比较 7
5.1 生物质燃料的基本特性 7
5.1.1 生物质基本成分 7
5.1.2 燃烧特性 7
5.2 以煤为例的化石燃料的基本特性 8
5.2.1 物理特性 8
5.2.2 煤的燃烧特性 9
5.3 生物质燃料与煤特性比较 10
6 全文总结与后续展望 15
6.1 全文总结 15
6.2 后续展望 17
参考文献 18
致 谢 21

1 引 言
在踏入全球现代化的步伐20世纪至21世纪中，化石燃料（fossil fuel）潜在着能源短缺的危机，特别是从石油提炼出来的汽油，是引致全球石油危机的一个原因。现时，全球正趋向发展可再生能源和核能，这可以帮助增加全球的能源所需。
人类不断地燃烧化石燃料而排放二氧化碳，是加快全球变暖的因素之一。此外，生物燃料中的二氧化碳成份是来自大气层，因此发展生物燃料可以减少在大气层上的二氧化碳，因为可靠种植来减少二氧化碳的含量，从而减低温室效应。
到目前为止，世界各国所用的燃料几乎都是化石燃料，即石油、天然气和煤。自然界经历几百万年逐渐形成的化石燃料，可能在几百年内全部被人类耗尽。
目前，我国的主要能源供应构成为煤炭、石油和天然气等化石燃料，我国电力生产以煤电特别是煤粉燃烧发电为主。近年来，因电力需求的急剧增加，煤炭相对短缺的现象相当严重。而我国生物质能占一次能源比重 33%左右，是仅次于煤的第二大能源。目前生物质作为能源利用的比例并不高，专门用于发电的则更少，因此开发生物质能用于发电在我国具有重要意义[1]。
2013年6月发布的《BP世界能源统计2013》显示，从2009年开始，中国一次能源消费量连续４年位居世界第一，而且能源消费量的增量也位居世界第一。随着能源消费量的增长，能源利用带来的环境污染问题也日益严重；严重的环境污染也影响了居民生活。因而，如何处理化石资源的有限性及化石能源开发利用过程中所引起的能源安全、环境污染等问题，促进经济社会的可持续发展，是我国现阶段面临的重大战略问题。目前，我国正在不断地优化能源结构，降低化石燃料使用，提升可再生能源和新能源在能源结构中的比重。在这种背景下，生物质这种具有可再生、CO2零排放、资源储量巨大、环境友好型等特点的能源引起了人们的关注[2]。
生物质是一种分布广、资源量丰富的清洁可再生资源，其能源化利用过程可导致 CO2 零排放，因此生物质能的研究与开发日益受到各国政府、专家、工业界的关注。目前生物质能的主要开发利用技术包括生物质的固化、气化、液化以及燃烧技术，其能源产品包括成型固体燃料、炊事燃气、液体燃料 (生物油、柴油、汽油等)、电、热 (或暖气)。生物质因具有挥发分高、炭活性高，N、S 含量低 (含 N 量0.5% ～ 3%、含S量一般 仅 0.1%～ 0.5%),灰分低,生命周期内燃烧过程 CO2零排放等特点,特别适合燃烧转化利用，是一种优质燃料。在我国，发展生物质燃烧技术既能缓解温室效应，又能充分利用废弃生物质资源，改善或提高农民的生活条件，而且对现有的燃烧设备不需作较大改动，因此具有明显的社会意义与经济意义，符合我国现阶段国情和生物质开发利用水平[3]。
2 生物质和生物质燃料定义及分类
2.1 生物质
生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质，它包括植物、动物和微生物。
生物质燃料是通过一定的处理从天然生物质资源生成技术性固体，液体或气体燃料。
根据生物的多样性和来源，生物质固体燃料资源分类见表2-1[4]：

表2-1 生物质资源分类[4]
生物组
生物小组，品种和种类

1.木材及木质生物质(WWB)
针叶或落叶;被子植物裸子植物或; 软或硬; 茎，枝，叶，树皮，片，块状，颗粒，煤球，锯屑，锯木等人从不同的木种
2.草本和农业生物质(HAB)
一年生或多年生和场基或加工为基础，例如：
2.1草和花（苜蓿，芦竹，竹，彼岸花，油菜，甘蔗，辛娜拉，芒草，柳枝稷，蒂莫西，其他）
2.2秸秆（大麦，大豆，亚麻，玉米，薄荷，燕麦，油菜，水稻，黑麦，芝麻，葵花，小麦，其他）
2.3其他残余物（水果，壳，皮，壳，坑，点子，谷物，种子，椰壳纤维，秸秆，玉米棒，粒，甘蔗渣，食品，饲料，纸浆，蛋糕，其他）

3.水产生物质

海洋或淡水藻类; 大型藻类（蓝，绿，蓝，绿，棕，红色）或微藻; 紫菜，海带，湖草，水葫芦，其它

4.动物和人类的生物质废料(AB)
骨头，肉，骨粉，鸡粪，各种肥料，其他
5.生物污染和工业废物生物质（HAR半生物质）
城市生活垃圾，废木料，垃圾衍生燃料，污水污泥，医疗垃圾，纸张纸浆污泥，废纸，废旧纸板，刨花板，纤维板，胶合板，木托盘和箱子，铁路枕木，制革废水，其他
6.生物质混合物
从以上品种的共混物

2.2 生物质能
目前，生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源。生物质能是重要的可再生能源资源，具有资源种类多、分布广的特点，在当今能源日趋紧张的情况下，越来越引起人们的关注。生物质中硫含量和灰分含量较低，利用过程中对环境污染小，不会增加自然界碳的循环总量，对于未来的能源战略具有深远意义。根据BP公司2013年统计年鉴可知，世界生物燃料的产量由 2002 年的11830千吨油当量增加到2011年60286千吨油当量。根据EL Insights于2010年9月发布的报告，从2010年到2015年，全球生物制造市场预计将从5729亿美元增加至6937亿美元，相当于在此期间的复合年增长率(CAGR)为3.9%[5]。
生物质能：生物能是从生物质燃料产生的能量，就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源。

生物质能源的特点[6]：
（1）可再生性（2）清洁、低碳（3）替代优势（4）原料丰富（5）安全性
2.3 生物质能源利用途径
生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换等3种途径。生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式。生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下，使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。生物质的生物化学转换包括有生物质-沼气转换和生物质-乙醇转换等[7]。

图2.1 生物质能利用途径图

近年来我国生物质能源行业发展迅速，主要利用方式有以下5 种：
（1）生物质成型燃料
（2）生物质气体燃料 ①沼气 ②生物质可燃气（BGF）
（3）生物质发电
（4）生物质液体燃料 ①生物乙醇 ②生物柴油 ③生物质裂解油
3 化石燃料定义及分类
3.1 化石燃料
化石燃料也称矿石燃料，是一种烃或烃的衍生物的混合物，其包括的天然资源为煤炭、石油和天然气等，是由死去的有机物和植物在地下分解而形成的，是不可再生资源。
3.2 化石燃料分类
化石燃料中按埋藏的能量的数量的顺序分有煤炭类、石油、油页岩、天然气、油砂以及海下的可燃冰等。
多
少

图3.1 化石燃料分类（数量排序）

按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：
石油 45-50年
天然气 50-60年
煤炭 200-220年
4 生物质燃料与化石燃料性能指标
4.1 燃料主要指标
目前，我国燃料主要指标有全水分、灰分、挥发份、全硫、低位发热量等指标。主要参考执行DB11/T541－2008标准，各指标见表4-1[8]。

表4-1 成型燃料工业、元素分析要求
项 目
符号

单位
指标
全水分
Mt

%
≤15
灰分
Ad

%
≤10
挥发分
Vd

%
≥60
全硫
St，d

%
≤0. 5
低位发热
Qnet,v,ar

MJ / kg
≥13. 4

4.2 术语及其它指标
表4-2 术语及其它指标表[9]
术语命名
中文名
英文名
A
灰分
ash yield
AFT
灰分熔融温度
ash-fusion temperature
BA
生物质灰
biomass ash
daf
干燥无灰基
dry, ash-free basis
db
干基
dry basis
DTA
差热分析
differential-thermal analysis
DWR
干水溶性残留
dry water-soluble residue
EDX
能量分散型X射线分析仪
energy dispersive X-ray 
FC
固定碳
fixed carbon
HHV
高热值
higher heating value
IAM
无机非晶态物质
inorganic amorphous matter
ICP
电感耦合等离子体
inductively coupled plasma
IM
无机物
inorganic matter
LA
激光烧蚀
laser ablation
M
水分
moisture
MS
质谱
mass spectrometry
OM
有机物
organic matter
SEM
扫描电子显微镜
scanning electron microscopy
TE
微量元素
trace element
TGA
热重分析
thermo-gravimetric analysis
VM
挥发物
volatile matte
XRD
X射线粉末衍射
X-ray powder diffraction
%
质量百分量
weight%

5 生物质燃料与化石燃料特性比较
5.1 生物质燃料的基本特性
5.1.1 生物质基本成分
生物质燃料中易燃部分主要是纤维素、半纤维素、木质素。燃烧时纤维素 、半纤维素和木质素 首先放出挥发分物质，最后转变成炭。
5.1.2 燃烧特性
姜淑琴[10]等人实验研究得出生物质的燃烧和热解特性:生物质的燃烧过程分为四个阶段,即生物质的脱水,生物质热解和挥发物燃烧,挥发物的燃烧与固体碳表面燃烧并存,固体碳的表面燃烧。不同生物质的放热规律类似,第一个燃烧峰的放热面积小于第二个峰的面积。挥发物的燃烧速率比碳化物质快。生物质的纯热解过程有三个阶段,即脱水、热解和碳化。

试验研究发现生物质挥发物的燃烧效率比炭化物质快。燃料着火前为吸热反应，到着火温度以后，生成气相燃烧火焰和固相表面燃烧的光辉火焰，为放热反应。具体的燃烧性能见表5-1，部分生物质燃烧特性曲线如图5.1、图5.2[3]所示。

表 5-1 生物质燃料燃烧性能[10]
生物质
升温速度
/(℃ m in - 1)
初始燃烧温度
/℃
燃烧峰温度
/℃
燃烧末温度
/℃
燃烧峰速率
/(mg min-1 mg-1)
biomass
temperature raising
beginning temperature
peak temperature
end temperature
peak velocity
红松 pinus koraiensis
15
414
488
507
0. 0463
烟秆 tobacco stems
15
367
410

0. 1142
稻壳 rice husk
15
386
447

0. 0587
蔗渣 bagasse
15
398
478
515

玉米芯 corn cob
15
384
447
508
0. 0737
糠醛渣furfural residue
15
399
449
506
0. 0556

图 5.1 树枝的燃烧特性曲线 图 5.2 稻壳的燃烧特性曲线

5.2 以煤为例的化石燃料的基本特性
5.2.1 物理特性
5.2.1.1 煤的粉碎性
煤的粉碎性是各种因素的综合结果，但无结构凝胶的含量是决定煤粉碎性的重要因素,从而得到三点结论 ：
(1)随变质程度，即碳含量、燃烧比和发热量增加，HGI增大，易于粉碎。
(2)从镜质组的平均威氏硬度与平均脆性值和HGI的关系看，与硬度比。煤的粉碎性与脆性间有更强的依存关系。随变质程度升高，镜质组的平均脆性值增大。这是因为无结构凝肢体的脆性显著增大所致。、
(3)HGI值大的煤中的无结构凝胶体更易粉碎，同时，通过粉碎与分级的组合，可以使无结构凝胶体得到一定程度的浓缩。

5.2.1.2 煤的粘结性
秦志宏[11]等利用该混合溶剂对煤的粘结性进行了研究，使用此溶剂对不同煤种进行萃取，发现各种煤的萃取率随煤的粘结性指数GR,I的增加而呈上升趋势。说明煤的粘结性与煤的可溶性具有紧密内在联系。由此而将煤分为致粘组分（可溶物）和不粘组分（不溶物）。致粘组分是煤在CS2-NMP混合剂中的萃取物部分。不粘组分则是萃余部分；致粘组分主要形成热解中的胶质体液相，其含量决定了液相的多少，不粘组分不产生或产生很少量的液相。

5.2.1.3 煤的坚固性
石必明[12]通过研究发现,用落锤法测定时,煤样的水分含量对测定值有很大影响, 一般地, 随着煤样水分含量的增加, 其测值基本上呈线性规律增加；水对煤有一定所谓侵蚀作用，结果使得潮湿煤样干燥后其坚固性系数测值比原始煤样测值偏低；同一煤样，落锤撞击次数不同, 其坚固性系数测值也不同，一般地, 随撞击次数增多, 其坚固性系数测值增大。

5.2.2 煤的燃烧特性
随着我国工业的不断发展，工业燃烧用煤越来越多, 同时对环境的污染也越来越严重。因此，为了更加高效清洁地利用煤炭资源,，减少煤燃烧过程中的污染。近年来科学家对煤的燃烧特性的研究引起了极大的关注。
张小可[13]等利用热失重方法对煤岩和煤阶对煤的燃烧特性的影响进行了研究, 从煤的反应性来看。随着煤阶升高，镜煤比其它富显微组分煤(来自同一岩层并且煤阶相同)有较高的最大失重速率和较低的特征温度，事实上，壳质组的反应性是最高的，但由于它的含量太小，因此其影响不明显。通过研究发现, 从反应性参数来看, 显微组分对反应性的影响是显著的。镜质组和煤阶的影响是最为重要的，其它组分含量虽小其影响不能忽略。矿物质的影响与惰性组和壳质组具有同等重要性。

路继根[14]等通过对4种煤( 大同煤、红阳煤、东胜煤和平朔煤) 采用比重液法分别得到大同煤、红阳煤和东胜煤的镜质组富集物和惰质组富集物，通过等密度离心分离技术分离得到平朔煤的镜质组、惰质组和壳质组显微组分。然后在热天平上进行热重分析和差热分析考察了不同显微组分在燃烧特性方面的差异，认为镜质组显微组分富集物燃烧特征温度基本上低于惰质组显微组分富集物, 最大失重速率则高于惰质组。这表明镜质组具有较好燃烧特性,壳质组显微组分具有高的氢含量和挥发分含量, 起燃温度较低, 但在燃烧后期, 燃烧活性有所下降。
5.3 生物质燃料与煤特性比较
现以煤为例与生物质燃料特性做如下比较：

表5-2 生物质、生物质灰与煤、煤灰特性比较[15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]
生物质相比煤
生物质灰相比煤灰
含量较高
含量高
•Ag, B, Br, Ca, Cl, H, I, K, Mg, Mn, Na, O, P, Rb, Ru, Zn
•Ag, B, Br, Ca, Cl, Cr, Cu, Ga, Hg, I, K, Mg, Mn, Mo, Na, P, Rb, Sr, Te, Zn
•碳水化合物
•干水溶性残留
•碳酸盐
•pH值
•螯合物
•碳酸盐
•氯化物
•氯化物
•干水溶性残留
•氢氧化物
•提取物
•磷酸盐
•轻烃
•水溶性成分
•水分

•有机无机元素

•草酸盐

•含氧官能团 （羟基、 羧基、 醚酮） 与高活性功能 (-COOH，-OCH3和-OH)

•磷酸盐

•挥发性物质

•水溶性物质

表5-3 生物质、生物质灰与煤、煤灰特性比较[15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28]
生物质相比煤
生物质灰相比煤灰
含量较低
含量低
•Al, As, Au, Ba, Be, Bi, C, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Dy, Er, Eu, F, Fe, Ga, Gd, Ge, Hf, Hg, Ho, In, Ir, La, Li, Lu, Mo, N, Nb, Nd, Ni, Os, Pb, Pd, Pr, Pt, Rh, S, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Sr, Ta, Tb, Te, Th, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Y, Yb, Zr
•Al, As, Au, Ba, Be, Bi, Cd, Ce, Co, Cs, Dy, Er, Eu, F, Fe, Gd, Ge, Hf, Ho, In, Ir, La, Li, Lu, Nb, Nd, Ni, Os, Pb, Pd, Pr, Pt, S, Sb, Sc, Se, Si, Sm, Sn, Ta, Tb, Th, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Y, Yb, Zr
•芳香性
•熔灰度
•灰分
•容重
•容重
硅酸盐
•固定碳
硫化物
•松散性

•高热值

•碳氢化合物

•初始燃烧温度

•无机物

•燃烧峰最高温度

•pH值

•氢氧化物

•硅酸盐

•硫化物

表5-4 煤、煤灰、生物质和生物质灰特性对比分析[15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]
特性
煤
生物质
煤灰
生物质灰
EDFa
生物质/煤
EDFb
生物质灰/煤灰
工业分析

VM
30.8 (12.2–44.5)
64.4
(30.4–79.7)

2.09

FC
43.9 (17.9–70.4)
16.0
(6.5–35.3)

0.36

M
5.5 (0.4–20.2)
14.7
(2.5–62.9)

2.67

A
19.8 (5.0–48.9)
4.9
(0.1–34.3)

0.25

合计
100
100

极限分析

C (daf)
78.2 (62.9–86.9)
51.1
(42.2–60.5)

0.65

O (daf)
13.6 (4.4–29.9)
41.4
(20.8–49.0)

3.04

H (daf)
5.2 (3.5–6.3)
6.2
(3.2–10.2)

1.19

N (daf)
1.3 (0.5–2.9)
1.1
(0.1–12.2)

0.85

S (daf)
1.7 (0.2–9.8)
0.20
(0.01–1.69)

0.12

合计
100
100

灰分分析

SiO2

54.06 (32.04–68.35)
29.14 (0.02-94.48)

0.54
CaO

6.57 (0.43–27.78)
25.99 (0.97–83.46)

3.96
K2O

1.60 (0.29–4.15)
19.40 (2.19–63.90)

12.13
P2O5

0.50 (0.10–1.70)
5.92 (0.54–40.94)

11.84
Al2O3

23.18 (11.32–35.23)
4.49 (0.10–15.12)

0.19
MgO

1.83 (0.31–3.98)
5.60 (0.19–16.21)

3.06
Fe2O3

6.85 (0.79–16.44)
3.41 (0.22–36.27)

0.5
SO3

3.54 (0.27–14.42)
3.27 (0.01–14.74)

0.92
Na2O

0.82 (0.09–2.90)
2.54 (0.09–29.82)

3.1
TiO2

1.05 (0.62–1.61)
0.24 (0.01–2.02)

0.23
合计

100
100

灰熔融性测试

DT (°C)

1251 (1105–1525)
1103 (670–1565)

0.88
HT (°C)

1388 (1200–1575)
1319 (975–1665)

0.95
FT (°C)

1411 (1205–1585)
1354 (1000–1700)

0.96

其他特性

容重
(kg m−3)
1250
(1100–1300)
563
(250–954)
800 (400–1100)
194 (80–430)
0.45
0.24
HHV
(MJ kg-1)
25.0 (16.0–34.0)
18.0
(14.0–22.0)

0.72

着火点 (°C)
256 (190–322)
167
(144–190)

0.65

最高温度 (°C)
508 (415–600)
339
(324–351)

0.67

Ph
(渗滤液)
5.9 (2.2–7.5)
5.6 (5.1–6.8)
10.0 (6.2–12.5)
10.3 (8.1–12.9)
0.95
1.03
DWR
2.1 (0.2–8.4)
3.8
(0.3–15.1)
1.6 (0.2–7.2)
27.0 (3.9–45.1)
1.81
16.88
缩写：
A，灰分; DAF，干燥无灰基; DB，干基; DT，变形温度; DTA，差热分析; DWR，干水溶性残留; FC，固定碳; FT，流体温度; HHV，高热值; HT，半球温度; M，水分; TGA，热重分析; VM，挥发性物质。

a 富集/耗尽 因子（EDF）被定义为生物质与煤相应值的比。

b 富集/耗尽 因子（EDF）被定义为生物质灰为煤灰相应值的比。

表5-5中列出了生物质作为燃料的主要优点和缺点，应该指出的是，生物质和生物燃料的应用过程中带来的好处在某些情况下也许是障碍。生物质燃料的组成和性质在[15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]有详细介绍。因此，本研究中涉及的生物质和生物质燃料优点和缺点，组成和性质是基于表5-2，表5-3和表5-4中煤和煤灰许多特性的平均值相比较得到的。

表5-5 生物质和生物质燃料优缺点[15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]
优点
缺点
天然生物质是可再生能源
生物质燃料在完整的生命周期是相对不完全的可再生能源资源
使CO2中性转化对气候变化有益
全球没有统一分类系统和标准
灰分、C、S、N和微量元素含量低
对成分、性能和质量变化的知识不足的
挥发性物质、Ca、H、Mg、O和P浓度高
水分，Cl, K, Na, Mn和一些微量元素含量高
反应剧烈
能量密度低
有害物质（CH4，CO2，NOx，SOx，微量元素）和废物排放少
与食品和饲料生产存在竞争
灰分燃烧过程中能收集一些有害成分
可能破坏土壤和生物多样性
低价丰富的原料资源
处置过程中可能有害成分排放
燃料供应和能源安全多样化
热处理过程中可能出现危险排放
有利于农村振兴并创造新的就业机会
热处理过程中潜在的技术问题
潜在用途海洋和低质量的土壤和退化土地恢复
地区供应
含生物质的废渣少
收集，运输，贮存和预处理成本高
生产吸附剂，肥料，石灰和中和剂，建筑材料原料廉价，有利于元素和化合物的回收
废物综合利用不清
6 全文总结与后续展望
6.1 全文总结
基于对生物燃料、煤和其他转化产品平行的和详尽的调查，生物质作为一种燃料，其组成和特性的优点和缺点可以归结为以下几点：
1. 主要优点：
（1） 生物质和生物质灰中结构性有机成分，挥发性物质，提取物，水溶性营养元素多，碱土元素含量高，生物质反应活性高，生物质灰的PH值高。
（2） 生物质和生物质灰中C、固定碳、灰分、N、S、Si和生物质的初始点火温度和燃烧温度以及其他多种微量元素（包括一些有害元素）的含量值都比较低。
2. 主要缺点：
（1） 生物质中水分和氧含量较高，生物质和生物质灰中水溶性物质，碱和卤族元素，以及其它有害微量元素的含量较高。
（2） 生物质能量密度（堆积密度和热值），pH值和粉尘熔化温度较高，另外生物质灰的堆积密度较高。
（3） 生物质和生物质灰组成和性能的可变性比较高
（4） 为生物燃料和化学品的生产提供了可无限次利用的生物质资源
3. 把自然生态系统中的生物质资源转化成能源会导致非常严重的环境问题。要最大程度上避免消耗自然资源来生产生物燃料。用于这一目的的潜在可用资源有：
（1） 非食用农业，森林，饲料和食物残渣；
（2） 半生物质资源（污染物和工业废渣）；
（3） 短轮伐期能源作物，如专门培育的森林，草地和藻类种植园，并且只针对种植在低产，退化或污染的非耕地，废水或受污染的池塘的此类能源作物；
（4） 动物和人类的废物。生物燃料和生化生产的潜在生物质资源应始终严格遵守规定的环境标准，初步分为可持续和不可持续的管理资源。
4. 结果发现，生物质的生物燃料和生物化学应用的缺点大于优势；但是，它产生的环境，经济和社会效益可以弥补由生物质组成和性质导致的技术性缺陷和其他缺点。

5. 结论与建议
（1） 生物质颗粒燃料所需的点火时间与燃料的挥发份、含水率密切相关，挥发分越高，含水率越低，点火时间越短。
（2） 生物质颗粒燃料在燃烧器中正常燃烧时的 SO2、NOx等污染物排放浓度远低于国家标准，但存在着部分生物质颗粒燃料灰分含量过大、结渣严重等问题，从而导致燃烧器难以连续运行。
（3） 燃料的灰熔融特性对其结渣率有较大影响，对大多数燃料来说，软化温度越高，结渣率越低，当软化温度达到一定数值时，燃料不会发生结渣，如落叶松。
（4） 影响生物质颗粒燃料结渣趋势的元素主要有 Si、碱金属和碱土金属。其中，Si元素含量越高，碱金属含量越高，越易于结渣；碱土金属含量越大，越抗结渣。添加适当的添加剂，可有效改善燃料的结渣性能。建议在生产生物质颗粒燃料时添加适当的添加剂，以降低燃料的结渣率，改善运行工况；同时，建议对国外引进的燃烧器进行优化改进，及时排出灰渣，保证其正常连续运行，以适应中国的国情。
（5） 表格数据表明，生物质的着火温度比煤低，生物质在燃烧过程中有两个明显的失重阶段，而煤只有一个明显的失重阶段。物质燃料在纯烧时，燃

尽率较相同条件下的煤粉为低，这是由于生物质成型燃料由表面着火后，逐步向内部燃烧，随着挥发分的析出和氧分内部扩散阻力的增大，剩余焦炭并没有完全燃尽；而煤粉粒径较小，在同样的燃烧条件下却达到了相对较高的燃尽率。
随着炭化温度升高，生物质炭产率下降、挥发分产率下降、固定碳产率升高、燃烧特性下降，而发热量先增后减。生物质粒度对燃烧状况也有影响，生物质粒度越小，燃料与氧气的接触面积就较大，燃烧越充分[29] [30] [31] [32] 。
王晓钢、鲁光武[1]通过掺烧可以使生物质与煤的混合物着火温度降低，着火时间缩短，延长了整个燃烧的温度区间，使煤能更好地燃尽，使燃料的燃烧特性得到了优化。随着生物质掺混比例的提高，掺混样品着火点温度降低得更加明显；生物质的加入很好的改善了煤的燃烧特性，且当煤和生物质按热量比为 80%：20%时燃尽率最大，此混合比为最佳燃料混合比，延长燃烧时间，混合物的燃尽情况也有所改善[1]。
6.2 后续展望
中国生物质能源产业的发展空间广阔，技术将不断完善，它将改变中国现有的能源消费结构，净化环境，并推动农村经济发展。大力发展生物质能源，对于缓解中国能源供给紧张状况，保障国家能源安全、减少污