1 生物质资源的研究现状
1.1 我国生物质资源现状
生物质能源是一种以生物质为载体的能量，即通过光合作用将获得的太阳能转化为化学能并贮存在生物质中的能量形式，它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，是太阳能的一种廉价储存方式。目前的技术水平下具备开发价值的农村生物质资源一般包括农作物秸秆、林木生物质残余物、禽畜粪便与能源作物等。
然而，我国生物质资源的品位较低，分散性较大，大量生物质资源被随意填埋与焚烧，成为影响环境的废弃物。 目前，生物质资源化利用率较高的为种植业副产物农作物秸秆，已被用作工业原料和生物燃料，总量为4. 29 × 1018 J，占种植业产量的27. 79%，其中，玉米、水稻、小麦等农作物秸秆产量占秸秆总产量的70. 24%. 但是，大部分的秸秆资源仍被直接焚烧或随意丢弃，仅有极少部分秸秆被应用于锅炉进行集中燃烧供能，燃烧效率不足15%.
1.2 生物质燃料的特性
生物质能是可再生能源，具有生态意义上的碳的零排放，燃烧产物相对清洁。 由于目前大气污染较为严重而且能源日益短缺，因此开发与利用生物质能具有十分巨大的能源与环境保护战略意义。 目前，我国还没有颁布关于生物质固体成型燃料的统一的国家标准，普遍认为的生物质固体成型燃料是指利用农林废弃物（ 稻壳、秸杆、树皮、木屑等） 作为原材料，通过一系列的预处理（ 收集、干燥、粉碎等） ，采用特殊的生物质固体成型设备，将预处理后的生物质材料挤压成规则的、密度较大的棒状、块状或颗粒状等形状的成型燃料。 通过调研和文献对比，表1 列出了各种典型的生物质燃料及传统燃煤的工业组分、元素组成、热值等参数的汇总结果。
由表1可见，生物质燃料产生出的热值较高，通常为17 ～ 20 MJ·kg - 1，且秸秆与稻壳的挥发分质量分数高达70% ～ 85%，因此具有优良的点火燃烧性能以及良好的代煤效果。 尽管生物质成型燃料的制作需要经过收集、运输、加工等过程，会带来一定的成本，但是与现在原煤及型煤相比，生物质原料价格低廉，因此，生物质成型燃料在价格上仍然具有较大的优势，这也在很大程度上有助于生物质能源的推广与使用。
1.3 生物质燃料的利用方式
1.3.1 直接燃烧技术
生物质直接燃烧技术就是将生物质直接作为燃料进行燃烧，利用产生的热能来进行生产与生活。直接燃烧的技术要求较低，燃烧方式最为简单。 骆仲泱等研究表明，自20 世纪80 年代开始，在我国政府的大力推广下，节柴灶在农村得到广泛使用，至1996 年底，有1. 7 亿户家庭使用节柴灶，节柴灶的推广使用每年可以为国家减少数千万吨标准煤的能源消耗。
1.3.2 锅炉燃烧技术
随着锅炉燃烧技术的逐渐完善，目前已成为一种先进的生物质燃烧技术。 该技术使用锅炉作为生物质燃烧器，以生物质作为锅炉燃烧的燃料，通过控制燃料在锅炉中的燃烧状况，进而提高生物质的利用效率。 相对于直接燃烧技术，锅炉燃烧技术更适合于生物质资源的集中、大规模利用。 但是由于锅炉结构较为复杂，控制参数较多，因此对该技术的使用要求较高。 在国外，流化床技术是一种被广泛采用的生物质能锅炉燃烧技术，由于国外发展较早，该项技术已经有了相当大的规模，而且在这项技术运行方面，也有了很多较为成熟的经验。
目前，生物质锅炉主要有两种炉型，即纯烧生物质的水冷振动炉和混烧生物质的循环流化床锅炉。 其中，循环流化床锅炉是将粒径为6 ～ 12 mm 的燃料和石灰石注入炉或燃烧室，颗粒在一股向上流动的空气（ 占总空气体积分数的60% ～70%） 的作用下悬浮，二次风从锅炉上方进入燃烧室，促进生物质颗粒的充分燃烧，燃烧温度为840 ～900℃左右。 水冷振动炉通过周期性的振动，燃料在炉排上被抛起，燃烧的同时跳跃前进，炉渣也在这个过程中由炉排末端排出。
但是，水冷振动炉对燃料的适应性较差、燃烧效率低，且对燃料的水分含量要求较高，造价较昂贵，而循环流化床混烧生物质锅炉与水冷振动炉排锅炉相比，建设成本低，燃料适应性强，更适用于掺烧燃料的燃烧，且运行安全，环保性能优异，负荷范围广，因此，考虑我国生物质能源现状，采用循环流化床掺烧生物质更适合我国国情。
1.3. 生物质锅炉目前存在的问题
生物质锅炉燃烧技术目前存在着一些问题，比如，为保证在特定的燃烧过程中燃料在流化床中处于流化状态，需要较为严格地控制锅炉进料的颗粒大小，为解决这一问题，就需要通过干燥、粉碎等前处理步骤，使得生物质燃料在其尺寸、状态等方面均一化。 再有，在采用稻壳、木屑等密度较小、结构松散、蓄热能力比较差的生物质作为燃烧材料时，为了维持正常燃烧所需的蓄热床料，在燃烧过程中还需要向燃料中不断地添加石英砂等物质，而这会引起燃烧产生质地较硬的生物质飞灰，从而在燃烧过程中极易会对锅炉的受热面造成磨损，石英砂等添加剂的混入，使得对灰渣的进一步加工与利用变得更为困难。
2 我国氮氧化物排放现状
2.1 燃料燃烧NOx的生成机理
NOx是常见的大气污染物，对居民身体健康和生产、生活有很大影响。 由于我国主要的燃料为煤炭，因此我国大气中有67%（ 质量分数） 的NOx来自燃煤排放。 燃料过程中NOx主要来自三条途径：热力型NOx（ thermal NOx） 、燃料型NOx（ fuel NOx） 和快速型NOx（ prompt NOx） . 热力型NOx约占燃料燃烧产生NOx的20%，是空气中的氮气在高温下氧化生成的，热力型NOx的生成受温度因素的影响显著，有研究表明，当燃烧温度低于1300 ℃时，几乎观察不到热力型NOx的生成； 而燃烧温度高于1300℃时，热力型NOx的生成量有着显著增加。
燃料燃烧释放的NOx一部分来自于燃料本身含有的燃料氮，但相比于煤燃料，生物质燃料的燃料氮含量较低。 尽管生物质燃料中含有的燃料氮含量较少，但是有研究报道，大约质量分数70% ～ 100%的燃料氮最终会在燃烧过程中转化为NO. 我国是一个农业大国，每年产生大量的生物质材料，而生物质燃料以农作物秸秆为主，与国外常用的木质类生物质原料不同的是，秸秆类生物质燃料氮的质量分数一般较高，如玉米秸秆可以达到0. 7% 左右。 因而，生物质燃料燃烧排放的污染物中，控制NOx的排放是生物质清洁燃烧的重点。
2.2 氮氧化物的危害
随着我国经济的持续快速发展，能源消耗逐年增加，大气中NOx的排放量也迅速增长。 NOx成为主要的一次污染物，其中主要以NO 和NO2为主。 NOx的排放引发的环境问题已经严重威胁了生态环境和人体健康，主要危害包括： 参与臭氧层的破坏； 可以与碳氢化合物形成光化学烟雾； 是形成酸雨酸雾的主要污染物； 会对植物产生损害； 对人体健康有致毒作用等。 因此，控制和治理大气中的NOx非常重要。
2.3 我国生物质燃烧氮氧化物的排放现状
NOx污染防治的紧迫性还体现在，如果不对NOx的排放进行有效的控制，NOx排放的显著上升会抵消削减SO2的努力，具体主要表现在京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区的灰霾天数增加，污染程度加重，大气能见度下降，我国酸雨类型由硫酸型向硝酸--硫酸复合型进行转变。 因此，在“十二五”期间，我国将NOx纳入总量控制，NOx成为联防联控规划控制的重点污染物之一。
3 生物质锅炉的氮氧化物治理技术
美国、欧盟、日本等发达国家或地区在NOx控制工作方面上起步较早，NOx控制的相关政策也相对成熟。 目前来讲，国外发达国家主要采用烟气再循环、多级燃烧、低氮燃烧器组合等方式可以减少30% ～ 70%的NOx排放。 尽管低氮燃烧技术是我国目前主要的NOx治理技术，该技术的采用可以控制锅炉排放的NOx浓度在200 mg·m - 3以下，但是仅依靠该技术已经不能满足新标准的要求。
3.1 燃烧改进技术
燃烧改进技术是一种通过控制燃烧条件，调节燃烧区的温度和进气量，进而减少NOx的生成与排放的技术。 相比于其他的降氮技术，低NOx燃烧技术是一种较为简单、经济而且应用最广的方法。目前采用的低NOx燃烧技术主要有以下五种： 低NOx燃烧器、燃料再燃技术、低过量空气燃烧技术、空气分级燃烧技术和烟气再循环技术。
3.1.1 低NOx燃烧器
低NOx燃烧器的采用，可以实现在燃料燃烧过程中对NOx排放进行控制，同时有利于燃料的稳定着火燃烧和完全燃烧。
低NOx燃烧器有低NOx预燃燃烧器、分割火焰型燃烧器、阶段燃烧器、浓淡型燃烧器、混合促进型燃烧器、自身再循环燃烧器等几大类。 脱硝效率一般在30% ～ 60%之间。
3.1.2 燃料再燃
燃料再燃技术始于20 世纪80 年代，是一种炉内NOx控制技术。 降氮原理如下： 根据燃料在炉内的燃烧过程，沿炉膛高度方向将炉膛分成主燃区、再燃区和燃尽区三个区域； 利用燃料分级在炉膛再燃区形成强还原性气氛，在该区域将主燃区内形成的NOx还原为N2和其他含氮还原性基团（ HCN 和NH3） ; 之后，由于燃烧不充分所产生的尾气排放会导致环境污染，从而在燃尽区补入部分空气，形成富氧燃烧段，从而在此区域将剩余的可燃物（ CHi、CO等） 和含氮分子氧化。 再燃技术的采用可以将燃煤锅炉NOx排放量降至使用前的35%以下。
燃料再燃技术具有以下优点： 脱硝效率高、适用性广、锅炉改造小、运行费用低，因此该技术受到了普遍关注。 再燃燃料种类繁多，气体（ 甲烷、合成气等） 、液体（ 水煤浆等） 和固体燃料（ 煤粉、生物质等）都可以用作再燃燃料。 由于生物质中N、S 等元素相对较少，生物质的广泛利用可以大量减少大气污染物的产生与排放，与此同时，生物质燃烧后的灰分中的钠、钾等组分对NOx的还原具有促进作用。 综上可知，生物质燃料可以作为一种较好的再燃燃料。 但是，目前对生物质再燃脱硝特性的研究相对较少。 有研究表明，将生物质作为再燃燃料将会使得NOx降低效率更高。 Adams 与Harding 使用木材作为再燃燃料，将再燃技术用于旋风燃烧器排放的NOx控制中，当再燃燃料在靠近后壁的旋风桶的区域且温度接近1600 ℃时注入再燃燃料，炉内停留时间0. 3 s，可使NO 排放量降低量接近60%; 随着过热空气高速反向注入时，NOx降低效率最高，达到45%左右。 Liu 等研究发现，使用再燃技术可以使得NO 质量分数降低50% ～ 60%，同时对于锅炉的操作方面没有明显的副作用。
3.1.3 低过量空气燃烧
低过量空气燃烧的原理是通过减少烟气中的过量氧气抑制NOx的生成，所以要尽可能保证燃烧在接近理论空气量的条件下进行，是一种相对简单的降低NOx排放的方法。 但是，此方法的NOx脱除效率只有15% ～ 20%，而且燃料在此燃烧环境下可能燃烧不够充分，进而会产生热损失，从而降低锅炉效率。 此外，由于过量空气较少，炉内的某些区域会形成还原性气氛，容易造成炉壁结焦和腐蚀。
3.1.4 空气分级
空气分级于20 世纪50 年代在美国率先发展起来，是控制NOx排放的一次技术之一，目前应用较为广泛。 该技术减少了燃烧区的空气量，燃料首先在缺氧条件下燃烧，之后再送入剩余空气进一步将未燃尽的燃料燃尽。 空气分级技术的采用使得燃料与空气在一次燃烧区内混合量降低，延迟了主燃区燃烧过程； 同时，由于一次风风量的控制，一次燃烧区的氧气含量较少，使得燃料的燃烧不够充分，进而降低了燃烧温度，由于该区域的燃料含量仍然较高，因而形成还原性的气氛，在还原性的气氛中NOx的生成速率较低。 空气分级燃烧技术最高可达约30%的脱硝效率。
Han 等选择高级再燃技术来降低生物质锅炉燃烧过程中排放的NOx，首先，仅是单纯通过优化操作条件，即可降低54% ～ 67% 的NOx; 继而，继续喷入氨水、尿素、碳酸钠等还原剂，协同降低NOx的排放，可将NOx的去除率提高到85% ～ 92%，脱硝效果非常可观。
3.4 生物质锅炉NOx控制技术研究进展
目前，针对生物质锅炉的NOx控制技术主要分为炉内脱硝和烟气尾部脱硝两类。
炉内脱硝即低氮燃烧技术，就生物质锅炉而言，常用的低氮燃烧技术有烟气再循环技术。 烟气再循环技术有两种流程： （ 1） 引风机后的烟气直接引到一次风机入口。 该方案一次风机无需改动，再循环烟气也不需要抽风机，省电节能，改造简单，NOx质量分数可下降20% ～ 40%. （ 2） 引风机后的烟气直接引到炉膛一次风室和二次风室。 该方案一次风机需降负荷运行，再循环烟气也需要配备高温抽风机，风压与一次风机相当。 该方案增加了运行电耗，改造相对复杂，氮氧化物质量分数可下降25% ～50%. 烟气再循环技术还会出现烟气中二氧化硫污染物浓度升高和含水量升高的现象，但减少了烟气排放总量。
目前，国外催化剂脱硝连续运行时间最长为三个月，因此如果采用选择性催化还原脱硝技术必须解决催化剂中毒失活、堵塞、磨损的问题。 选择性催化还原脱硝系统由烟气系统、氨制备及喷氨系统、催化剂及吹灰系统组成。 其中烟气系统包括催化剂温度、压力等； 氨制备及喷氨系统包括稀释风、冷却风、氨水、压缩空气等； 催化剂及吹灰系统包括声波吹灰器、压缩空气、电磁阀等。
