燃生物質小型鍋爐凸顯節(jié)能減排優(yōu)勢

張愛祥 趙國凌 陜西省工業(yè)鍋爐窯爐節(jié)能改造示范活動推廣辦公室

毛 軍 杭州藍禾新能源工程技術有限公司

盧 鋒 西安特瑞斯熱能技術有限公司

燃生物質小型鍋爐凸顯節(jié)能減排優(yōu)勢

張愛祥 趙國凌 陜西省工業(yè)鍋爐窯爐節(jié)能改造示范活動推廣辦公室

毛 軍 杭州藍禾新能源工程技術有限公司

盧 鋒 西安特瑞斯熱能技術有限公司

我國燃煤小型鍋爐，包括燃煤工業(yè)鍋爐、生活鍋爐，每年排放大量大氣污染物，其排放總量僅次于電站鍋爐。由于量大面廣、低空排放，對城市空氣質量的影響高于電站鍋爐，尤其在冬季采暖期間對北方城鎮(zhèn)的空氣質量影響極大。

2013年6月14日，國務院常務會議確定了大氣污染防治十條措施，這十條措施的頭條是“減少污染物排放”，具體舉措的首項則是“全面整治燃煤小鍋爐”，其整治的核心是以清潔能源替代原煤作為小型鍋爐燃料，實現(xiàn)從源頭上減少鍋爐污染物的排放。

近年來，燃生物質小型鍋爐技術和裝備有了較大發(fā)展，在生物質燃燒技術和裝備以及生物質成型燃料制備技術和裝備等方面取得了可喜的成果，多種規(guī)格燃用木片、木屑、竹絲、稻殼、甘蔗渣、菌渣等生物質燃料的小型鍋爐產(chǎn)品及其系統(tǒng)配套設備已經(jīng)開發(fā)成功，并在浙江、福建、江西、廣東、湖北、山東、山西、黑龍江、天津等十多個省市成功使用，取得了顯著的節(jié)能減排效果。燃生物質小型鍋爐已凸顯出節(jié)能減排優(yōu)勢，為全面整治燃煤小鍋爐提供了一個技術可行、經(jīng)濟合理、效果可觀的途徑。

1 生物質能的來源及特征

1.1 生物質能概念與來源

生物質能從機理上講是指太陽能通過光合作用以生物的形式儲存的能量。光合作用是植物通過葉綠體利用太陽能把二氧化碳和水合成為有機物并釋放出氧氣的過程，其化學表達式為：

生物質能與風能、太陽能、水能、地熱能、海洋能等統(tǒng)稱為可再生能源?！吨腥A人民共和國可再生能源法》中有關生物質能的定義為“指利用自然界的植物、糞便以及城鄉(xiāng)有機廢物轉化成的能源”。

生物質是動植物和微生物以及這些生命體排泄和代謝的所有有機物質的總稱，其種類繁多，分布廣泛，包括陸生、水生生物及其代謝產(chǎn)物，能作為能源用途的生物質按原料來源主要有以下幾種：

1）農(nóng)業(yè)廢棄物：指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和加工過程中所產(chǎn)生的廢棄物，如秸稈、谷殼、芯核、殘渣等。

2）林木業(yè)廢棄物：指森林生長和林木業(yè)生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的廢棄物，如森林采伐剩物、森林伐區(qū)選材剩物、木材加工剩余物、油料、樹種果殼、果核等。

3）水生植物：湖泊、江河、海洋、沼澤中的水生植物，如水葫蘆、浮萍、海帶等以及各種藻類。

4）人、畜、禽糞便：主要指集中養(yǎng)殖的豬、牛、羊、雞的糞便，可作為沼氣發(fā)酵原料，1t糞便可轉化的能量相當于0.5t標準煤的能量。

5）城鎮(zhèn)及工業(yè)有機廢棄物：城鎮(zhèn)有機廢棄物主要指城鎮(zhèn)居民生活垃圾，商業(yè)、服務業(yè)垃圾；工業(yè)有機廢棄物主要指糧油、造紙、釀造、食品、制藥等工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。

6）能源作物：指為提供制取燃料或燃料油為目的而栽培植物的總稱，包括薪柴林、油料作物、含糖或淀粉植物等。

1.2 生物質能的特征

1）可再生。生物質能通過植物的光合作用可以再生，而植物種類繁多、分布廣泛。據(jù)估計，地球上每年植物光合作用產(chǎn)生的固定碳達2×1011t，資源當量達3×1012GJ，相當于1000億t 標準煤的能量，我國生物質能資源當量為50億t 標準煤左右。

2）碳平衡。生物質作為燃料燃燒時釋放的CO2大體上相當于植物生長時通過光合作用所吸收的CO2，因此不會破壞地球上的碳平衡，被稱為CO2中性燃料，與化石燃料的石油、煤炭、天然氣相比，在生態(tài)環(huán)境保護方面，具有很大的優(yōu)越性。

3）低硫灰。生物質成分中含有的硫分極低，灰分與氮分也少，因此在轉化利用過程中所生成的SO2、NOx及煙塵等大氣污染物的量也少，可大大減輕對環(huán)境空氣質量的污染，有“綠色能源”之稱。

4）可儲運。作為可再生能源，生物質能是唯一可直接運輸和儲存的可再生能源，無論是原料本身或是其制品，均可儲運，后續(xù)加工、轉換、使用也比較便利，在熱能動力工程系統(tǒng)中可替代石油、煤炭、電力使用。

2 生物質原料及其成型燃料的特性

2.1 生物質原料特性

表1、表2為常見的農(nóng)業(yè)廢棄物的元素組成、工業(yè)組成分析及發(fā)熱值，林木業(yè)廢棄物的元素組成、工業(yè)組成分析及發(fā)熱值與農(nóng)業(yè)廢棄物基本相同。

表1 幾種常見農(nóng)業(yè)廢棄物的元素組成和熱值

表2 幾種常見農(nóng)業(yè)廢棄物的工業(yè)組成和熱值

由表1、表2不難看到，生物質原料的化學特性是：

1）揮發(fā)分高，固定碳低。生物質原料的空氣干燥基揮發(fā)分高達60%～80%，而固定碳僅12%～20%，常見農(nóng)業(yè)廢棄物四秸二殼一芯平均空氣干燥基揮發(fā)分為69.24%，固定碳為17.10%。

2）含氧量高。生物質原料的干燥無灰基氧含量普遍高達40%以上，大都在42%～45%之間，最高為玉米芯達到46.10%，唯有花生殼較低，也為36.90%。

3）少灰低硫。農(nóng)業(yè)廢棄物的四秸二殼一芯平均空氣干燥基灰分為7.20%，林木業(yè)廢棄物僅為1.25%，只有稻草和稻殼的空氣干燥基灰份達到10%以上，分別為12.20%和17.82%，農(nóng)業(yè)廢棄物的干燥無灰基硫分大多數(shù)在0.1%以下，只有稻殼最高為0.40%，而林木業(yè)廢棄物極低，均在0.04%以下。

4）發(fā)熱值較低。農(nóng)業(yè)廢棄物四秸二殼一芯的平均空氣干燥基低位發(fā)熱值為15.5MJ/kg，而林木業(yè)廢棄物的平均空氣干燥基低位發(fā)熱值為17.0MJ/kg，相當于工業(yè)鍋爐燃煤分類中Ι類煙煤的熱值（14.4MJ/kg～17.7 MJ/kg）水平。

生物質原料的物理特性是無定形、質地疏松、堆積密度小，林木業(yè)廢棄物及農(nóng)業(yè)廢棄物中的玉米芯、棉秸等的堆積密度為200～360kg/m3，其它農(nóng)作物秸稈的堆積密度低于200kg/m3，因此無論采集、儲運和使用都不便，通常只作為低品位的能源使用。

2.2 生物質成型燃料及其特性

● 2.2.1 成型機理

植物細胞中除含有纖維素、半纖維素外，還含有木質素。木質素是一種具有芳香簇特性的三維空間聚合物，屬非晶體，具有軟化點，當溫度為70℃～110℃時會軟化具有黏性，當溫度達到200℃～300℃時成熔融狀態(tài)，黏性高，施加一定壓力就可使其與纖維素緊密粘接，并與相鄰顆粒間互相粘連，冷卻后即可固化成型。利用這一原理，先將松散、無定形的生物質原料破碎成一定尺寸的物料，在一定溫度、壓力條件下用壓縮成型機擠壓成具有一定形狀、尺寸的新型燃料，稱為生物質成型燃料。

制備生物質成型燃料的壓縮成型工藝大致分為常溫壓縮成型、熱壓成型和碳化成型。常用的壓縮成型設備有螺旋擠壓式成型機、活塞沖壓式成型機和輥模擠壓式成型機三種。

● 2.2.2 成型燃料特性

1）形狀尺寸。生物質成型燃料形狀規(guī)則、尺寸均勻，通常有棒狀、塊狀和顆粒狀，棒狀還有空心與實心之分。棒狀的尺寸最大，直徑通常為數(shù)十毫米，粗的達一百多毫米，長度從10cm至40cm，最長達50cm；顆粒狀的尺寸最小，直徑僅4mm～10mm，長度20mm～50mm左右。

2）堆積密度。生物質成型燃料的堆積密度為原材料的3～6倍，甚至更大。顆粒狀、棒狀的密度可達1000kg/m3～1400kg/m3，塊狀的密度達800kg/m3～1100kg/m3。堆積密度增大給運輸、儲存和使用帶來極大方便，降低運營成本，有利于產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)、使用。

3）耐久性。生物質成型燃料的耐久性是表示燃料品質的一個重要特性，體現(xiàn)在儲存性能和使用性能方面，具體包含抗變形性、抗破碎性和抗吸潮性幾項性能指標?？棺冃涡允侵赋尚腿剂弦哂幸欢ǖ挚雇饬Φ膹姸?，使其在運輸、使用過程中能保持一定形狀的性能；抗破碎性是指成型燃料在儲運過程不至于破損而保持原有形態(tài)的性能；抗吸潮性是指成型燃料在環(huán)境濕度和溫度條件下的含水率不至于過分上升的性能。

4）發(fā)熱值。生物質成型燃料的低位發(fā)熱值比原料有所提高，這是因為加工過程中原料被加熱使水分降低；另外顆粒燃料加工中有時添加少量添加劑，如瀝青等，也會使發(fā)熱值提高。對于以一生物質原料加工制成的生物質成型燃料，其高位發(fā)熱值與原料的發(fā)熱值變化不大。

5）燃燒性能。生物質成型燃料的燃燒性能優(yōu)于直接散燒的生物質原料，具有固體燃料典型的“顆粒燃燒模型”的燃燒模式，先是揮發(fā)分釋出著火燃燒，然后焦碳著火燃燒直至燃盡。由于成型燃料密度較大，限制了揮發(fā)分的逸出速度，延長了燃燒時間，燃燒過程較穩(wěn)定，溫度也較恒定；另外焦碳結構較致密，炭粒燃燒充分，爐溫較高，燃燒效率提高。

3 燃生物質鍋爐的特色

盡管燃生物質鍋爐在燃燒特性方面與燃煤相似，但鑒于生物質資源種類繁多，分布區(qū)域寬廣，而且生物質原料與煤炭相比，具有“兩低兩高”的特性，即密度低、固定碳低；揮發(fā)分高、鉀含量高。故此，燃生物質鍋爐具有某些不同于傳統(tǒng)層燃燃煤鍋爐的特色。

3.1 爐膛高大，爐排面小

生物質燃料揮發(fā)分高達70%以上，固定碳則在20%以下。揮發(fā)分所釋放的熱量占總熱量的70%左右，這就需要較大的燃燒空間，并設置二次風，二次風量約占總送風量的30%，在爐膛內組織良好的混合燃燒工況，同時在爐膛出口設置燃盡室，以維持足夠的燃燒時間，從而達到完全燃燒，降低氣體未完全燃燒熱損失。另一方面，由于固定碳低、灰分少，爐排面上層燃部分所釋放的熱量只占總熱量的30%左右，爐排所需面積要比燃煤鍋爐小得多，而且爐排面上灰渣層薄，對爐排材質的耐熱性能要求高。

3.2 低溫燃燒，避免結渣

生物質揮發(fā)分在200℃以下就可釋出，隨著溫度升高，釋出速度增快，350℃時能釋出80%左右，到500℃基本釋放完畢。相應的著火燃燒溫度較低，在350℃～400℃即著火燃燒，因固定碳低，焦炭燃燒燃盡也快。另一方面，由于生物質灰分中鉀元素含量多，導致灰分軟化溫度低，通常為800℃～900℃，灰熔點則在900℃～1050℃之間。為避免生物質灰分熔融引起的爐內結渣及受熱面外黏灰，鍋爐設計采用低溫燃燒技術。杭州藍禾新能源科技工程有限公司將燃生物質鍋爐的爐膛溫度控制在700℃以下。低溫燃燒帶來的另一好處是燃燒時生成的NOX大大減少，尤其是動力型NOX幾乎為零，這就使得燃生物質鍋爐具有獨特的爐內自身脫硝功能。

3.3 型式多樣，適配選型

鑒于生物質原料的多樣性，燃生物質鍋爐應針對燃用不同品種的生物質的特點和屬性進行設計，使得燃生物質鍋爐的型式多種多樣。燃生物質鍋爐的選型不應過多追求對燃料的適應性，用戶在訂購燃生物質鍋爐時，應根據(jù)當?shù)氐纳镔|資源適匹選型，或者提供當?shù)氐纳镔|資源特性由鍋爐設計制造企業(yè)專門設計制造，這樣訂購的燃生物質鍋爐方能取得良好的運行效果。

3.4 自身微排，系統(tǒng)簡化

生物質燃料低硫、少灰、少氮，加上低溫燃燒，所以鍋爐燃燒所生成的大氣污染物的初始排放濃度很低，SO2的排放濃度僅有燃煤鍋爐的1/10，NOX的排放濃度僅有燃煤鍋爐的1/5，煙塵排放量也很低。為此，煙氣凈化裝置大大簡化，一般只需裝設簡單的除塵裝置，如水浴式、沖擊式或水膜除塵器等，煙氣無需脫硫、脫硝。

3.5 容量不大，用戶分散

由于生物質燃料堆積密度低，資源能量密度小，考慮到燃料運輸成本問題，供應半徑不應過大，鍋爐容量也不宜過大。現(xiàn)有燃生物質鍋爐產(chǎn)品的容量一般在1t/h(7MW)～10t/h(0.7MW)之間，適用于獨立分散的用戶；如果建設分布式熱源，鄰近建有生物質成型燃料的生產(chǎn)廠，鍋爐總容量也不宜超過20t/h(14MW)。

4 小型燃生物質鍋爐的節(jié)能減排效果

4.1 能效測試結果

福建廈門建霖工業(yè)有限公司裝有一臺由某新能源工程技術有限公司設計的DZG3-1.0-M型鍋爐，燃用生物質成型燃料。2012年11月16日廈門市特種設備檢驗檢測院對其進行了定型產(chǎn)品能效測試。鍋爐原設計數(shù)據(jù)和測試結果見表3。

表3 DZG3-1.0-M型鍋爐原設計與測試數(shù)據(jù)匯總表

由表3可見，鍋爐實測熱效率高出設計效率1.81%，燃料燃燒效率高達99%以上；實測排煙溫度高出設計值41℃，如果將排煙溫度控制到設計值，還能使熱效率提高2個百分點，節(jié)能效果將更好。另有一臺DZS6-1.25-M-Ⅱ型鍋爐，燃用木片、木屑，使用單位為福建尤溪縣三林木業(yè)有限公司，2011年9月29日由福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院對其進行定型產(chǎn)品能效測試，鍋爐熱效率達到87.20%。

4.2 環(huán)保測試結果

表4所示某新能源公司設計的兩臺燃生物質小型鍋爐在用戶現(xiàn)場實測的鍋爐大氣污染物排放結果。由表4可見，燃生物質鍋爐的SO2、NOX排放濃度是相當?shù)偷?。DZG2-1.0-M型鍋爐雖然配備布袋除塵器，但TSP（煙塵排放濃度）仍較高，經(jīng)查明是由于排煙溫度高達160℃左右引起布袋破損所致。

表4 兩臺燃生物質小型鍋爐大氣污染物排放檢測結果匯總表

5 推廣應用燃生物質小型鍋爐勢在必行

5.1 實施能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要

我國小型燃煤鍋爐每年消耗的煤炭總量高達數(shù)億噸，推廣應用燃生物質小型鍋爐，可大大減少燃煤小鍋爐的煤炭耗量，符合能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要。

5.2 發(fā)展低碳經(jīng)濟應對全球氣候變化的迫切需要

溫室氣體減排是全球環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的一大難題。利用生物質能可實現(xiàn)碳平衡，是國際公認的綠色能源，生物質能是減排溫室氣體成本效益最好的一種可再生能源。我國推廣應用燃生物質小型鍋爐替代小型燃煤鍋爐，每年可使地球上減少數(shù)億噸的二氧化碳氣體的排放，為應對全球氣候變化作出重大貢獻。

5.3 防治環(huán)境空氣污染保衛(wèi)藍天的迫切需要

燃煤工業(yè)鍋爐、生活鍋爐的大氣污染物已對我國環(huán)境空氣質量造成嚴重危害，是導致霧霾天氣的主要污染源之一。生物質燃料中，硫分極低，灰、氮很少，而且可實現(xiàn)低溫燃燒。所以，燃生物質鍋爐排煙中的煙塵、SO2、NOX的初始排放濃度很低，煙氣凈化只需要簡單的除塵裝置，無需脫硫、脫硝，鍋爐大氣污染物排放指標可與天然氣鍋爐相媲美。因此大力推廣應用燃生物質鍋爐替代小型燃煤鍋爐對防治環(huán)境空氣污染保衛(wèi)藍天將起到積極作用。

5.4 推進循環(huán)經(jīng)濟提高資源綜合利用的社會需求

將林業(yè)、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程中所生成的林業(yè)廢棄物和工業(yè)有機廢棄物就地收集、就地加工、就地利用，供給企業(yè)自有的工業(yè)鍋爐或生活鍋爐燃用，鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽或熱水則供作企業(yè)生產(chǎn)用汽或生活用熱，形成了循環(huán)經(jīng)濟，提高了企業(yè)的資源利用效率，降低了企業(yè)運營成本，提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。

5.5 有利于促進“三農(nóng)”問題，推動社會主義新農(nóng)村建設

對農(nóng)業(yè)廢棄物，就近采集、就近加工、就近利用，建設沼氣池和生物質成型燃料加工廠，解決了農(nóng)民自身的生活用氣，增加了農(nóng)民家門口就業(yè)崗位，為周邊企業(yè)的小型工業(yè)鍋爐、生活鍋爐提供生物質成型燃料，促進農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收、農(nóng)村脫貧致富，也根治了農(nóng)作物秸稈焚燒造成的環(huán)境污染，對建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的社會主義新農(nóng)村起到了大力推動作用。

5.6 替代小型燃煤鍋爐的首選方案

燃生物質小型鍋爐型式多樣，能適用各種農(nóng)林業(yè)廢棄物、工業(yè)有機廢棄物的燃用，生物質成型燃料的燃燒特性與燃煤相似，節(jié)能減排效果顯著，燃料可就近采集、加工、供應，運輸半徑小，比天然氣鍋爐需要鋪設專用燃氣管道投資少，使用方便，而且鍋爐大氣污染物中的NOX排放指標甚至優(yōu)于天然氣鍋爐。所以，在當前開展大氣污染防治全面整治燃煤小鍋爐的行動中乃是替代燃煤小鍋爐的首選方案。

6 結束語

生物質能是唯一可儲存和運輸?shù)目稍偕茉?，開發(fā)利用生物質能是實施能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要。作為直接應用生物質小型鍋爐所顯現(xiàn)出的節(jié)能減排優(yōu)勢，對實現(xiàn)低碳經(jīng)濟和循環(huán)經(jīng)濟方面的獨特作用，造就了它將為防治大氣污染保衛(wèi)藍天行動提供一條切實可行且行之有效的途徑。

2013－09－04）