生物質(zhì)成型燃料鍋爐研究現(xiàn)狀

張彥 范振山

摘 要：生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)是生物質(zhì)有效利用方面非常有前途的技術(shù)，加強對高效環(huán)保生物質(zhì)成型燃料鍋爐的研究將促進生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文對生物質(zhì)成型燃料鍋爐的研究現(xiàn)狀進行梳理，為我國生物質(zhì)成型燃料鍋爐設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)成型燃料;鍋爐;高效環(huán)保

中圖分類號：TK16文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）23-0137-03

Abstract： Biomass briquettes combustion technology is a promising technology in the efficient use of biomass， strengthening the research on efficient and environmentally friendly biomass briquettes boiler will promote the development of the biomass briquette industry. In this paper， the research status of biomass briquettes boiler is reviewed， which provides reference for the design of biomass briquettes boiler in china.

Keywords： biomass briquettes; boiler; situation

進入21世紀，由于經(jīng)濟增長和社會發(fā)展，人類對能源的需求不斷增加，化石能源大量使用對全球環(huán)境變化造成嚴峻壓力，能源、環(huán)境問題日益突出。在世界各國爭相開發(fā)各種可利用的資源以保障能源安全、推動經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的過程中，生物質(zhì)能受到高度重視[1]。我國每年有約4.6億tce的生物質(zhì)資源可能源化利用，2015年利用量約為3 500萬tce[2]，仍有較大發(fā)展空間。

近年來，我國生物質(zhì)成型燃料得到了較快發(fā)展，關(guān)于其燃燒、專用鍋爐等的研究日益增多。本文對生物質(zhì)成型燃料鍋爐的研究現(xiàn)狀進行梳理，為我國生物質(zhì)成型燃料鍋爐設(shè)計提供參考。

1 生物質(zhì)成型燃料理化及燃燒特性

生物質(zhì)成型燃料是將生物質(zhì)廢棄物經(jīng)粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝，使木質(zhì)素軟化黏著后在機械壓力下壓縮制成結(jié)構(gòu)緊密的生物質(zhì)顆?；虬魻?、塊狀等形狀的成型燃料[3]。深入研究其理化特性與燃燒機理有助于科學(xué)、合理地選擇鍋爐結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)，提高燃燒效率。

1.1 理化特性

生物質(zhì)成型過程主要是物理變化，元素組成、微觀結(jié)構(gòu)與原材料基本一致，生物質(zhì)與煤的工業(yè)分析與元素分析如表1所示[4]。

1.2 燃燒特性

由于經(jīng)過擠壓成型后密度增大，生物質(zhì)成型燃料燃燒更為穩(wěn)定。王炯[5]對玉米秸稈散燒、成型燃燒、捆燒3種燃燒方式進行熱重試驗，結(jié)果表明，3種燃燒方式的燃燒過程都經(jīng)歷水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出、固定碳的燃燒和燃盡四個階段，成型燃燒綜合燃燒特性指數(shù)高于散燒、捆燒。陳蓉[6]分別對稻草和木屑成型燃料進行熱重試驗，將成型燃料的燃燒過程分為大量吸熱的燃料預(yù)熱干燥階段、大量放熱的揮發(fā)分析出及燃燒階段、固定碳燃燒階段、灰渣形成階段，而在實際燃燒過程中，這些階段交互影響。生物質(zhì)與煤的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果如表1所示。

總體來看，生物質(zhì)成型燃料與煤炭相比揮發(fā)分高，易引燃，燃燒后排渣少，排煙中顆粒物、SO2、NOx含量低，對環(huán)境污染小。

2 生物質(zhì)成型燃料鍋爐國外研究現(xiàn)狀

20世紀30年代，美國出現(xiàn)了螺旋壓縮機和配套燃燒設(shè)備;1954年，日本制成棒狀燃料燃燒爐具;20世紀70年代，西歐（瑞典、荷蘭、芬蘭、丹麥、比利時等）研究出沖壓式成型機、顆粒成型機及配套的燃燒設(shè)備，隨后，亞洲馬來西亞、菲律賓等也有了自己的固化、碳化廠家和燃燒設(shè)備。20世紀90年代，美國、日本與一些歐洲國家生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備已定型，普遍用于發(fā)電、干燥、供暖、加熱等領(lǐng)域[7]。瑞典生物質(zhì)成型燃料發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，多采用熱電聯(lián)產(chǎn)模式;瑞典約10萬個生物質(zhì)供熱站，向各種類型的用戶供應(yīng)熱水和蒸汽，家庭取暖多采用高度自動控制的成型燃料專用壁爐[8]。這些國家生物質(zhì)成型燃料鍋爐熱效率高、污染小、工藝成熟且專業(yè)化程度高，但存在適用燃料單一、易結(jié)渣、能耗和價格高等問題，不適合我國引進[9]。

3 生物質(zhì)成型燃料鍋爐國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國20世紀80年代開始引進技術(shù)，經(jīng)過試驗研發(fā)，生物質(zhì)燃料成型技術(shù)已逐漸成熟并具備產(chǎn)業(yè)化條件。近年來，我國開發(fā)生物質(zhì)成型燃燒鍋爐的研究機構(gòu)和廠家逐漸增多，推進了高效清潔燃燒技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用。

3.1 層燃鍋爐

層燃是一定厚度的固體燃料分布在爐排上進行燃燒的方式，層燃爐具有投資成本低、技術(shù)成熟、燃料適應(yīng)性強的優(yōu)點[1]。

3.1.1 固定爐排鍋爐。2003年，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)[10-11]研制的Ⅰ型生物質(zhì)成型燃料鍋爐為雙層爐排層燃爐。其設(shè)置上、中、下三個爐門，上爐門常開，用于供應(yīng)燃燒所需空氣和投放燃料;中爐門用于點火和清渣;下爐門可排灰和依據(jù)燃燒情況調(diào)節(jié)空氣。爐膛后墻上適宜高度處設(shè)置煙氣出口。這種燃燒方式滿足燃燒所需氧氣供應(yīng)、調(diào)節(jié)燃燒速度，能夠使燃料分步穩(wěn)定燃燒，同時具有消煙除塵功能。2007年又在Ⅰ型的基礎(chǔ)上研制出Ⅱ型鍋爐，對鍋爐爐門、爐排等結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，保留上爐門及其功能，將中爐門與下爐門合并以減少爐門散熱損失，用于清渣排灰和少量空氣調(diào)節(jié)，同時增加受熱面面積。改進后換熱更充分，反平衡熱效率由81.2%提升至84.3%，而且排煙中NOx和SO2含量更低。

3.1.2 鏈條爐排鍋爐。2015年，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)[12]設(shè)計的鏈條爐排蒸汽鍋爐采用了能與爐膛高效緊密配合的新型鏈條爐排，配置二次進風(fēng)，爐膛內(nèi)有輻射式受熱面和對流換熱面，保證了燃料燃燒和鍋爐效率穩(wěn)定。上部縱置鍋筒為準(zhǔn)彈性體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力小，傳熱效果更好。排煙符合國家鍋爐污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)[13]根據(jù)成型燃料的燃燒特性，構(gòu)建了生物質(zhì)鏈條爐燃燒模型，并對鍋爐結(jié)構(gòu)和配風(fēng)進行優(yōu)化，增大爐膛容積，采用較大的前拱高度和角度，短而低的后拱和較大的二次燃燒空間，配合陶瓷多管除塵和布袋除塵的二級除塵系統(tǒng)，開發(fā)出低NOx燃燒的生物質(zhì)鍋爐，其平均熱效率高于80%。

3.1.3 往復(fù)爐排鍋爐。DZW12-1.25-BMF燃生物質(zhì)成型燃料往復(fù)爐排蒸汽鍋爐已經(jīng)運行數(shù)年，其主要特點有：應(yīng)用了螺旋給料機和分料器裝置，使燃料在爐排上分布均勻;往復(fù)爐排的傾斜角度為6°，爐排片為合金鋼，爐排控制使用無極調(diào)速減速機，保證爐排運行長期穩(wěn)定;采用煙氣再循環(huán)，降低了排煙中NOx;設(shè)有空氣預(yù)熱器，二次風(fēng)量占比25%，四周不同高度二次進風(fēng)與揮發(fā)分混合充分，使燃燒效率得以提高[14]。

3.2 流化床鍋爐

流化床燃燒設(shè)備按流體動力特性可分為鼓泡流化床鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐[15]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[16]為企業(yè)開發(fā)研制了多臺2～10 t/h鼓泡流化床生物質(zhì)成型燃料鍋爐，造價經(jīng)濟、安裝快捷、NOx排放濃度低于100 mg/m3。

循環(huán)流化床與鼓泡流化床相比燃燒效率更高，CO2、CO排放能降低5%～10%[1]。但我國使用生物質(zhì)成型燃料的循環(huán)流化床鍋爐還不多[16]。任曉平等[17]認為，循環(huán)流化床使用生物質(zhì)成型燃料時燃料適應(yīng)性強，低溫燃燒能抑制NOx產(chǎn)生和堿金屬的遷移，減輕鍋爐磨損危險，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，它是一種高效環(huán)保的技術(shù)，同時其對關(guān)鍵問題提供了解決措施。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)燃煤鍋爐相比，生物質(zhì)成型燃料鍋爐可以實現(xiàn)CO2零排放，減少顆粒物、SO2、NOx排放，已成為重要發(fā)展方向。我國學(xué)者、研究單位和廠家已逐步展開了對生物質(zhì)成型燃料燃燒特性研究和專用鍋爐的研發(fā)，技術(shù)水平不斷提高。目前，加強對高效環(huán)保生物質(zhì)成型燃料鍋爐的研制仍是重要而緊迫的。

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