生物质燃烧特征及阶段分析

7.1.2.1　预热与干燥

生物质原料中含有大量不同形式的水，包括黏附在颗粒表面、孔隙内的自由水，以及以化学键形式结合在固体基质上的结合水。当生物质原料进入燃烧反应系统时，它首先通过热传导、对流和辐射等形式被加热。当生物质颗粒温度上升到100℃以上时，生物质中的水分开始蒸发，并通过生物质颗粒孔隙内的扩散离开生物质颗粒体。生物质的干燥主要是利用燃烧过程释放的热量蒸发生物质中的水分来实现的。不同生物质原样的含水量一般不同（例如，绿色木材的含水量通常为50%左右）。即使经过精心干燥和烘焙（加热到200～300℃对生物质进行热提质），生物质的含水量仍可达10%～20%。生物质含水量是限制其燃烧过程的重要因素。如果生物质含水量超过65%，生物质燃烧释放的热量则可能难以满足这些水分蒸发以及生物质的自热燃烧的能量需求，这种情况下生物质难以点燃或极易灭火。

灵活的生物质燃烧系统应能干燥不同含水量的生物质燃料。在炉排或流化床燃烧系统中，无须对生物质进行预处理，即可向反应器中加入不同含水量的生物质燃料。在生物质燃烧过程中，生物质燃料预先干燥，以确保生物质在炉膛较短停留时间下快速燃烧。为保证生物质的稳定持续燃烧，不同炉型的燃烧系统所允许的燃料具有最大含水量的限值。在这种限值条件下，生物质燃烧产生的热量应该大于热损失加上水分蒸发所需的热量。

在生物质干燥过程中，首先是生物质中自由水蒸发，然后是结合水蒸发。生物质干燥过程受颗粒内部传热限制。具体而言，生物质干燥所需时长很大程度上取决于生物质性质，如含水量、颗粒大小和密度。生物质中水分的蒸发会带走大量热量，这使得生物质燃料在进入炉膛一段时间内会保持较低的温度。这种现象使得生物质在充分干燥前难以着火。同时，在生物质干燥过程中，生物质原料的形态结构和大分子结构也会发生明显变化。

生物质预热与干燥可以通过实验定义为燃烧反应（可见火焰）开始之前的阶段。生物质颗粒的干燥需要热量来蒸发水分。即使在较高炉温下，干燥过程也会受到周围环境向颗粒内传热过程的限制。在典型的生物质锅炉中，生物质燃料入炉后，其表面温度会在最初几毫秒内上升到130～160℃。随着水分的蒸发，湿芯尺寸从表面开始逐渐减小。通常，即使在靠近生物质颗粒表面的挥发物开始释放时，生物质颗粒的中心仍可能没有完全干燥。

为了定量描述生物质预热与干燥过程，可以将生物质视为由水和干燥后残留的可热分解物质组成，因此可有如下表述：

式中：m。是初始颗粒质量；mp是颗粒中可热分解物质的质量；mw是颗粒中的水分质量。

挥发分开始释放时干物质质量占比xd可表示为

颗粒的比热容为cp=2.5 kJ/kg，水的蒸发潜热l=2450 kJ/kg ，是水蒸气的损失，则

粒子热量（Qd）是对流热（Qc）和辐射热（Qr）的总和：

从热烟气到较冷颗粒的对流热通量通常很小，约为10 W/（m2·K）。

式中：Ad是粒子表面积，Ad=；Tg是气体温度；Td是粒子温度；hc是对流换热系数。可以使用Ranz和Marshall模型模拟对流换热。

式中：Dd是粒子直径；Red是基于粒径和相对速度的雷诺数。

辐射热流（设定ε=0.8）可表示为

式中：σ为斯特藩-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）常数。

气体中粒子辐射传热量Φr的基本方程为

该方程适用于生物质锅炉炉膛的实际燃烧过程。如果需要更精确的数值，则可采用计算流体力学（CFD）方法进一步计算。

生物质颗粒可能含有水分和油，在加热时，这些水分和油会按照一定的规律蒸发和释放，该过程是由生物质颗粒周围的温度和颗粒的大小决定的。生物质颗粒温度的均匀性程度由Bi数定义。当生物质的加热分别由颗粒内部和外部传热控制时，Bi数是生物质燃料颗粒被加热到其周围温度时的两个特征值的比值，即Bi=t内/t外。对于较大的Bi数，颗粒内部温度明显高于外部温度，颗粒内部传热比外部传热慢，内部温度梯度显著。这就产生了分解温度的概念，在分解温度下，Bi＞1时，动力学温度（tkinetics）等于t内，Bi＜1时，动力学温度等于t外，tkinetics以粒子的温度为特征，t内和t外均由粒子大小、热性质定义。在这种情况下，如果Bi＞1，反应前沿移动到粒子中，形成一个材料的“收缩核”，在那里还没有发生反应。如果Bi＜1，则反应始终在整个粒子中均匀进行，并且每当达到分解温度时，从该步骤的动力学控制到外部传热都会发生变化（假设均匀加热）。

目前众多学者已开发出多种干燥模型。早期的生物质干燥模型采用的是粉煤干燥模型。近年来，有更详细的模型被开发出来用于更大的生物质颗粒。例如，在小颗粒的情况下，假设干燥过程受热量进入颗粒的传输限制，并且水分蒸发率M可近似表示为

式中：Ts是颗粒周围温度，fM=XM/M。在干燥小颗粒的情况下，大多数计算机模型，例如由ANSYS Fluent建立的模型均假设颗粒上的温度是均匀分布的。需要强调的是，使用非均匀的温度分布对于固定床燃烧、使用更大颗粒的流化床燃烧以及后面将描述的一些煤粉炉的研究是必要的。

7.1.2.2　挥发分释放与着火

当固体生物质颗粒原料进入火焰区，生物质颗粒中大部分水分蒸发并达到足够高的温度时，生物质颗粒会进行快速化学分解，此时，生物质燃烧将进入挥发分释放阶段。生物质的热分解和生物质颗粒加热过程中气体产物的形成被称为脱挥发分或热解过程。在脱挥发分过程中，原始生物质很大一部分转化为气体和焦油，即所谓的挥发物，其中包括CO、CO2、H2O、CH4和一系列复杂碳氢化合物，与此同时形成少量残余生物质焦炭（5%～30%）。在生物质颗粒脱挥发分过程中，其固体质量逐渐减小，孔隙率逐渐增大。

生物质脱挥发分过程是一个快速反应过程，反应的进程取决于向生物质颗粒内部的传热过程，生物质脱挥发分转化率取决于加热速率和颗粒的最终温度。在实验室条件下，提高反应温度通常会使挥发分产率提高。对于粒径较小的固体生物质颗粒，可以采用均匀温度假设，即颗粒内部温度均匀，来模拟其挥发分释放过程。对于较大的（粒径大于1 mm）生物质颗粒，脱挥发分过程倾向于发生在从表面开始的反应壳层中，而较冷的、未热解的生物质核心仍保留在其颗粒内部。

根据定义，脱挥发分过程是在缺氧情况下发生的吸热反应过程。固体生物质的脱挥发分反应一般始于200℃以上。当温度达到220℃时，生物质聚合物结构开始断裂，其中活化能最低的化学反应开始发生。在250～500℃的温度范围内，CH4、含氧化合物（如醛、甲醇和呋喃）以及芳烃（如苯和酚）等开始释放。液体焦油和气体产物通常在温度高达600℃时形成。挥发性气体混合物主要由CO、CO2、CH4和其他烃类（如C2H6、C2H4和C2H2）组成。焦油是一种复杂的碳氢化合物，其有机结构与生物质原料相似。焦油在400～600℃的温度下从生物质中释放出来，在低于200℃的温度下会凝结为液态，在炉壁以及其他辅助设备上冷凝形成黏附层。当生物质被加热到600℃以上时，生物质热转化的固体中间体形成焦。在这个过程中，同时存在着CO和H2的释放。随着反应温度的进一步升高，二次热裂解反应进一步发生，形成轻质组分，如H2和CO，同时焦油会发生热裂解形成碳烟。在这个过程中，气体产物的成分、含量及其释放过程将由燃料类型、最终温度和加热速率决定。

生物质的挥发分含量一般远高于煤。因此，在生物质燃烧过程中，脱挥发分时间比煤的要长200～300倍，可占总转化时间的50%。对于煤，与煤焦燃烧完成时间相比，煤脱挥发分过程所用时间通常可以忽略不计。此外，生物质的挥发分燃烧释放的热量与焦燃烧释放的热量相比要高得多，这些差异在设计生物质燃烧锅炉时需要重点考虑。煤的脱挥发分行为研究虽然已有一百多年，但生物质脱挥发分速率与煤的差异较大，尤其是在高温下，因此，进一步研究生物质的脱挥发分特性对理解生物质的燃烧过程意义重大。

脱挥发分过程非常复杂，通常只能采用大量不同的顺序和平行的反应来描述。在实际研究或应用过程中，通常会做一系列假设，形成简单的脱挥发分模型。对于煤的脱挥发分过程，通常采用一个整体反应或两个竞争反应或分布反应活化能方法来描述。这些方法也被用于描述生物质的脱挥发分过程，但适用于生物质燃烧的方法通常需要基于生物质由三种主要成分组成这一基本事实，并假设这三种组分的反应独立进行。例如，松木含有45%的纤维素、29%的木质素和26%的半纤维素，并且假设这三种组分的反应路径和速率相互独立。这些方法必须根据实际具体的应用进行修改，包括以下两大类：①粉状生物质在电站锅炉中燃烧时高温、高升温速率的快速脱挥发分过程；②固定床生物质燃烧。生物质颗粒在流化床中的燃烧根据燃烧条件可以划分为第一类。

在生物质脱挥发分过程中，半纤维素化合物先发生反应，然后是纤维素化合物，最后是木质纤维素/木质素复合物。它们分解成环状碳氢化合物、酸，然后形成二氧化碳、一氧化碳和氢气。木质素大分子在整个温度范围内分解，并形成各种单体，进而进一步分解。生物质脱挥发分具体产物取决于脱挥发分温度和生物质原料种类。

对于生物质小颗粒在粉炉等燃烧室中的高温燃烧，由于反应速度非常快，通常可假定脱挥发分过程为单步反应过程，其中大部分反应由颗粒升温过程控制。在这种情况下，反应主要由纤维素及其相连的木质素亚组分的热解控制。对于较低温度下的反应，必须使用更复杂的模型来全面表示整个反应过程。

目前大部分研究主要采用热重分析法和动力学因子法对生物质的脱挥发分速率进行计算，但是由于反应以及生物质颗粒加热速率的变化，因此很难获取准确的动力学参数。最简单的脱挥发分模型是基于一个整体的单一反应步骤的动力学模型。在这种情况下，可假定挥发分的释放速率为一级，且取决于颗粒中残留的挥发性物质的量，脱挥发分过程可用如下方程描述：

式中：速率常数k以公式（7-12）中的Arrhenius（阿伦尼乌斯）形式表示，其中Tp是生物质颗粒的温度，A和E分别是脱挥发分反应的指前因子和活化能，具体参数需要通过实验来确定。相关的研究文献中有大量1000 K及以下温度条件下生物质的指前因子与活化能的参数，但是生物质脱挥发分速率太快，很难在更高温度下获得准确的指前因子和活化能等数据。此外，对于同一种生物质，不同的预处理方法对其脱挥发分的动力学参数影响也较大。例如，生物质中钾的含量会显著影响生物质的脱挥发分特性，水洗生物质会显著改变生物质脱挥发分速率。燃烧过程中产生的焦油量也会因钾的洗涤而产生明显影响。已有研究表明，生物质中约30%的钾会在脱挥发分过程中释放。

如果已知生物质脱挥发分的详细细节，则可采用多反应速率模型来描述脱挥发分过程。对于煤，两反应竞争模型已被广泛使用，但对于生物质，基于三种主要生物质组分（半纤维素、纤维素和木质素）分解的三反应速率模型更适用：

式中：k1、k2和k3分别表示每种组分的反应速率常数。该模型的难点和关键是获取特定生物质的这些参数值。图7-2总结了目前已有研究获得的一些反应动力学数据。

图7-　2生物质燃烧反应动力学速率比较(www.xing528.com)

（其中实线代表纯物质，椭圆形显示了不同生物质燃料的范围，包括脱矿生物质）

着火是脱挥发分过程中形成的气体产物（包括焦油和挥发性气体）被点燃燃烧，释放出热量和光的过程。着火可表现为预混火焰或扩散火焰，或两者的混合。当挥发分被点燃时，剧烈的氧化反应会产生相当大的热量，生物质颗粒温度会升高到一个更大的值，这会进一步提高挥发分的释放和生物质焦的燃烧速率。该过程将有助于生物质燃烧初始阶段的干燥和脱挥发分过程，也有利于维持燃烧过程的可持续性。可采用如下反应描述着火过程：

焦油+挥发性气体+空气→CO+CO2+H2O+烟尘+PAHs+其他污染物（7-14）

该反应的速率可以表示为温度、压力、挥发分浓度和氧气浓度等几个参数的函数。通常，木屑或稻草在注入甲烷火焰燃烧时会呈现蓝色火焰，这与煤粉燃烧呈黄色火焰形成鲜明对比。但当较大的生物质颗粒直接燃烧时，会形成大量的碳烟，然后呈现黄色的火焰。显然，脱挥发分产生的气体和焦油的燃烧是生物质燃烧的重要组成部分。生物质脱挥发分产生的气体、焦油和焦的组成及其热值取决于生物质燃烧加热速率和最终温度。与煤焦不同，生物质焦中含有较多的氧，且其含量由焦形成的最终温度决定。

由于挥发分的均相燃烧反应速率很高，挥发分的燃烧时间基本上取决于挥发分的释放及其与空气的混合速率。在脱挥发分过程中，生物质颗粒表面形成的挥发分逐渐扩散到颗粒外的气体中。因此，挥发分的浓度随着与生物质颗粒的距离增加而降低。与此相反，温度和氧浓度随着与生物质颗粒距离的增加而提高。在离生物质颗粒一定距离处，挥发分和氧气以化学计量比存在，在这里会形成稳定的包裹生物质颗粒的燃烧火焰。在层流条件下，火焰的直径是颗粒直径的3～5倍。在湍流条件下，生物质颗粒群燃烧时，多个颗粒挥发分混合燃烧，形成一个大的包围着一组颗粒的气体火焰。在流化床燃烧过程中，火焰不能在床内形成，只能在床面上方形成。

7.1.2.3　焦的燃烧

生物质燃烧过程中，挥发分从生物质颗粒中释放后残留的固体中间产物为生物质焦，生物质焦为多孔结构且几乎只含有碳和灰分。当生物质焦颗粒表面温度足够高时，生物质焦中的碳会被氧气氧化，生成一氧化碳、二氧化碳和水蒸气，这个过程称为焦的燃烧。

由于焦的燃烧为气固非均相反应，其燃烧反应速率比挥发分的均相燃烧反应速率低几个数量级，因此，生物质的总燃烧时间由生物质焦的燃烧速率决定。生物质焦的燃烧与脱挥发分一起，对生物质燃烧反应系统的设计起着决定性作用。

单个生物质颗粒的焦燃烧过程可用图7-3描述，在生物质焦颗粒内部或表面，碳与氧气、二氧化碳或水蒸气发生非均相反应：

实际上，反应（7-16）和反应（7-17）几乎是不可逆的。当前，人们通常认为生物质焦的燃烧首先直接发生在颗粒表面并转化为CO，可通过不完全燃烧反应（7-15），或通过与燃烧产生的CO2及H2O发生气化反应（反应（7-16）和反应（7-17）），生成CO和H2。生物质焦颗粒周围形成一种由燃烧产物CO和H2以及氧化剂O2、CO2和H2O组成的边界层，氧化剂必须通过边界层扩散到颗粒表面，燃烧产物则从相反方向扩散到颗粒外。在焦颗粒周围的边界层中，发生以下均相氧化反应：

在这些均相反应中，非均相氧化产物CO和H2被氧化成最终燃烧产物CO2和H2O。

图7-3　焦颗粒的燃烧过程

在脱挥发分过程中，生物质焦形成，然后与空气中的氧气发生反应，生物质焦的燃烧与挥发分的燃烧同时发生。在生物质焦氧化过程中，氧分子通过火焰前沿，迅速吸附在生物质焦表面的活性中心，发生生物质焦的氧化。与挥发分的燃烧相比，生物质焦的燃烧活化能更高，反应速度更慢。微量元素如钾在生物质焦的燃烧过程中也起着重要的催化作用。随着反应的进行，微量元素在高温下蒸发，生物质焦的反应性进一步降低。对于粉状的生物质颗粒，采用热重分析可以有效地将生物质燃烧过程中的干燥、脱挥发分和生物质焦燃烧等过程区分开。但是，在实际燃烧炉中，一般燃用生物质大颗粒，由于燃烧室内不同点均同时发生连续的燃烧反应，因此上述不同的燃烧阶段将存在不同程度的重叠。在实际燃烧炉中，根据生物质燃烧现象的明显变化，生物质燃烧过程也可分为着火、燃烧和阴燃等三个主要阶段。着火阶段主要包括干燥阶段，充分的热量供应对于达到燃点或燃点之前释放可燃碳氢化合物气体至关重要。在燃烧阶段，包括焦油和气体在内的挥发分从生物质中释放出来，随后与空气混合并氧化，形成火焰。假设着火发生时没有外界干扰，在充分的空气供给条件下，生物质将以极高的反应速率进行不可逆燃烧，且火焰中会发生自由基反应，形成多环芳烃。阴燃阶段的主要特征是生物质焦的不完全燃烧，主要产生CO而不是CO2。

挥发分释放后残留的可燃物通常被称为固定碳，固定碳不包括无机灰成分。在实验室试验中，当可见火焰熄灭时，焦开始燃烧。在实际工业应用中，工业锅炉的焦燃烧和生物质燃料的脱挥发分过程有很大部分重叠。有机组分燃烧时间（即挥发分和焦燃烧时间之和）可作为一个特征参数表征生物质燃料的燃烧过程。

生物质焦燃烧机理与煤焦燃烧机理相似，典型的燃烧过程如图7-4所示。生物质焦的形成和燃烧是生物质燃烧一个重要的过程，它对烟气中NO和CO的形成有重要影响，该过程决定了燃烧室内生物质焦的物理化学结构，从而决定了生物质焦的破碎特性以及碳颗粒物的排放特性。这些碳颗粒在烟气气流的夹带下，较大的颗粒可落入烟囱或被减排设备清除，但较细小的颗粒会被排放到大气中。具有较高烟气流速的大型工业装置的烟气会夹带更多的大颗粒，这些颗粒可通过旋风分离器等除尘装置捕集。与生物质焦燃烧特性密切相关的还有灰中未燃碳含量，其对炉排燃烧装置非常重要，因为在这些装置中灰中未燃碳含量通常可达10%～30%；此外，对粉状生物质燃烧电厂也可能非常重要，因为在这些电厂中，灰中的未燃碳含量也可能高达10%。最后，生物质燃料中氮、碱金属和碱土金属的含量，特别是钾在生物质焦和挥发分之间的分布也是燃烧建模计算所必需的信息。

图7-4　生物质焦燃烧过程概述

在生物质焦的燃烧模型中，焦的本征反应性、催化作用和高温热作用是生物质焦燃烧的主要关键参量。在高温下，氧气在焦表面的化学吸附形成碳氧表面复合物（如羰基）。碱金属和碱土金属间的催化效应对碳与氧气、二氧化碳和水的反应有很大影响。由于碳表面结构的非均匀性，碳氧配合物和催化元素含量在焦表面会显著变化，因此，生物质焦存在着分布式的吸附和解吸活化能。生物质焦表面活性中心的浓度和数量随焦转化率的变化而变化。例如，低活化能的活性位点可以比高活化能位点更快地被消耗。因此，活化能的分布特性也会随焦的转化率变化而变化。在高温下，例如600℃以上时，生物质焦与氧的反应可以简化为如下反应：

值得注意的是，生物质焦在1200 K时含氧量仍可高达30%，在1800 K时降至接近零，生物质焦的含氧量会对生物质焦的燃烧特性产生影响，这一重要特点在现有的生物质焦燃烧反应模型中尚未被全面考虑。

生物质焦的燃尽特性与焦表面积（Ap）、温度（Tp）、氧浓度（pox）、颗粒密度（ρp）、停留时间、灰分抑制和催化效果（用keff表示）等密切相关。生物质焦燃烧速率R通常可以表示为

此燃烧速率R为本征反应速率，在实际计算中，通常可采用更容易通过实验来确定的表观反应速率来进行简化计算，其中表面积可包含在表观反应速率中。在粉碎生物质（即小焦颗粒）燃烧模型中，假设焦颗粒周围有一个静止的气体边界层，氧气在与焦表面反应之前必须通过该边界层扩散。同时，连续层应用于反应物渗透、氧化和气化反应的单膜模型假设，在大多数情况（包括焦氧化燃烧）下足够精确。因此，生物质焦的总氧化速率受到氧向焦颗粒外表面扩散速率或焦有效反应性本身的限制，或受两者的共同作用影响。然而，在高温下，扩散往往是焦燃烧过程的限制因素。在数学上，该过程通常可表示为如下隐式函数：

式中：D0是体扩散系数；Cg是反应气体在体中的浓度；Rc是化学反应动力学速率；N是无量纲粒子反应级数，N=0和1是在许多燃烧计算流体动力学建模应用中使用的两个典型反应级数。零级反应，即N=0表示扩散控制表面反应，在这种情况下，了解氧化剂的体扩散系数是唯一的要求。一个整体反应级数（N=1）的本征焦燃烧速率（dmp/dp）可以表示为

式中：Ap是颗粒的表面积；pox是燃烧颗粒周围气体中氧化剂的分压。这里，氧分压的级数被设定为1，在众多计算模型中一般均是如此。有证据表明，大多数焦燃烧的级数为0.5～0.6，该参数可能也适用于生物质焦。

对于粉状颗粒，如生物质粉末或煤粉，体扩散系数D0和化学反应动力学速率Rc通常在商用计算机模型（例如ANSYS Fluent）中计算如下：

式中：C1是实验导出的扩散系数；T∞是气体温度；dP是颗粒直径；指前因子Ai和活化能Ei由特定燃料的本征反应性得到；η是表征孔扩散系数影响的有效因子，它可以表示为氧化剂在本体气体中的浓度、体扩散系数、孔隙率、弯曲度和炭粒内表面积等参数的函数。化学反应动力学速率Rc由本征化学反应速率和孔扩散速率共同控制，其值确定了不同的焦氧化机制。第一种情况是化学反应控制，发生在相对较低的温度下，颗粒粒径很小，例如在热重分析实验中，指前因子是统一的，所测得的活化能是真实值；第二种情况是扩散和化学反应共同控制，例如在许多火焰中发现，所测得的活化能是真实值的一半。此外，由于化学反应速度非常快，在高温火焰中出现了第三种情况，即表面扩散控制反应区。

虽然煤粉燃烧条件下的煤焦反应性已相对明确，但关于生物质焦燃烧速率或焦表面积的相关数据目前却非常有限。已有众多关于700～1000 K条件下生物质焦生成的反应性测量数据表明，生物质焦的反应性和生物质焦中碳含量之间存在相关关系，但碳含量仅仅是一个精确度有限的生物质焦反应性指标，这主要是因为生物质焦中的催化行为也会对焦的反应性产生明显影响。已有部分研究表明，焦反应性的明显差异主要是钾的催化作用造成的。在这个温度范围内，生物质焦的反应性很难准确预测，因为它是由许多因素如比表面积、钾含量等共同决定的。在高温炉中，焦中大部分钾在较高温度下释放，这种情况下生物质焦的反应性与碳含量直接相关。研究者普遍认为生物质焦比煤焦更具活性，特别是在生物质焦演化的早期，因为其碳结构更为无序，含氧量更高。与煤颗粒软化并趋于球形不同，生物质颗粒在脱挥发分过程中往往保持原有的不规则形状。因此，生物质焦在燃烧时通常会保持较大的表面积，这使得进入生物质焦颗粒的氧气通量更大，有助于提高生物质焦的燃烧速率。

从公式（7-23）可以看出，要准确计算生物质焦的燃烧速率，生物质颗粒的停留时间、反应性和热处理的影响、表面积等信息是必需的。这些数据极难获得，而且目前公开文献中可用于生物质焦的信息不够充足。

当生物质颗粒进入火焰燃烧时，纤维素和半纤维素分解，留下木质素骨架，如图7-5（a）所示；在进一步加热时，木质素可进一步分解，产生具有复杂形态的生物质焦，其形态取决于所处环境的温度以及生物质中木质素的类型及含量。在燃烧后期，生物质焦中的有机组分被消耗，形成富含灰分的残焦，其典型形貌如图7-5（b）所示。研究发现，生物质焦与煤焦的结构形貌差异显著，且不同种生物质产生的焦的结构形貌也存在明显差异。例如芒属植物向日葵，其焦中保留了最初的纤维结构，具有薄壁特性；但对于木材和油菜籽，则观察到了厚壁球体（粗球和粗网）结构，只有少数情况下观察到了致密的焦颗粒。在固定床或流化床燃烧中，生物质焦的结构则不同，在这种情况下，生物质颗粒无法熔融，而焦的唯一形式则像木炭一样致密。

图7-5　生物质燃烧产生的焦

在实验室通过试验获得的生物质焦反应性的定量信息对工业过程的建模一般是可用的，但可用程度不同于煤焦，主要原因是生物质焦中钾等催化金属的显著影响尚未被完全准确量化。试验所获得的大多数生物质焦反应性数据主要用热重分析仪测量。汇编截至2007年所获得的反应性数据，包括700～1000 K温度范围内的研究，可知生物质焦的表观活化能在114～230 kJ/mol之间。较高温度下的数据相对较少。部分研究者在1500 K下测定并对比了两种生物质焦（松树和柳枝）与煤焦的反应速率，并通过计算确定了生物质焦的反应速率是煤焦的2～4倍。值得指出的是，尽管不同研究均通过实验获得了相关的反应性数据，但很难将这些数据完全结合起来用于生物质燃烧过程的统一建模。一种统一的方法是使用生物质焦的本征反应性，采用该方法时必须考虑生物质焦比表面积和催化剂的影响。1987年，Smith推导出了纯碳的本征反应性随温度变化的函数，可表述如下：

函数关系如图7-6中线1所示。当假设生物质焦的平均表面积为100 m2/g时，可将部分研究中生物质燃料的数据转换为本征反应形式。但应注意的是，由于每种生物质的表面积不同，且表面积会随燃烧反应的进程而变化，真实的函数关系可能如图7-6线2所示。2010年Jones等人提供的柳树和芒属植物的数据则主要分布在区域3。

图7-6　本征反应性与1/T的关系图

事实上，这些设定的数据中有大量含有钾（和其他金属）的燃料，钾和其他金属会催化反应进行，从图7-6中可以看出，这些实际的反应速率均会比线1中的无催化反应速率快。水洗生物质等会降低反应速率，但整体反应速率不会降到线1所示值以下。1996年Wornat等人及2003年Meesri和Moghtader提供的燃烧数据则如点4所示。后者推导出了Ⅱ型燃烧的表观活化能为（89±22）kJ/mol，相当于178 kJ/mol的真实活化能，与Smith所得数据非常相似。

因此，可以合理地假设，在较低的燃烧温度下，整个燃烧反应由碳/氧反应部分和金属催化部分组成，后者在较低温度下占主导地位。而在更高的燃烧温度下，根据图7-6中的数据，碳/氧反应将占主导地位。对于许多生物质炭，碳/氧反应的速率大约是Smith本征反应公式所得速率的4倍。该结果适用于粉状炉燃烧计算，但在流化床和固定床燃烧计算方面仍存在问题。较大的生物质颗粒在流化床尤其是固定床气化炉中的燃烧反应在很大程度上受颗粒传热的控制，因此在这种情况下，获得高精度的氧化反应动力学模型是非必要的。此外，二氧化碳和水还可以与生成的焦发生反应，尽管大多数反应都发生在气相中，其仍使燃烧反应更加复杂。在大颗粒中，气体扩散到表面还会有一个附加的阻抗，这是由灰壳的形成造成的，这在很大程度上取决于反应系统，虽然这不是粉状炉或流化床燃烧的一个重要影响因素，但可能是固定床系统燃烧中的一个重要特征。