小型生物質直燃供熱技術研究進展

羅冰，何芳，張永健，李永軍

(山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

目前全球能源緊缺和環境污染等問題日益加重，開發利用新能源已經成了緊迫課題［1］。生物質燃料具有可再生、來源廣泛、成本低廉、燃燒有害氣體少等優點，在新能源燃料中占據了重要的地位［2-3］。由于我國目前尚缺乏經濟方便的生物質應用技術，生物質能源浪費較大，且秸稈等農業廢棄物的就地焚燒對居民生活、交通安全和自然環境造成了嚴重危害［4］，因此生物質能源的合理利用受到了越來越多的關注。小型生物質直燃供熱技術是指以生物質為燃料，通過直接燃燒進行供熱，且供熱量一般小于2.8 MW的供熱技術，主要用于家庭、單位、浴池等場合的供暖或供水。適合農業廢棄物等分散分布的生物質能的應用，可減少物料收集、運輸、儲存費用，并對改善農村的燃料結構有重要意義。本文結合國內外小型生物質直燃供熱技術的發展現狀，就該技術在我國的應用和發展進行分析。

1 小型生物質直燃供熱技術發展現狀

近年來，在一些發達國家生物質能在總能源消耗中所占比例增加相當迅速，歐洲2009年由生物質直接燃燒獲得的初級能源達7 280萬噸油當量，比2008年增長3.6%，加拿大生物質能占整個能源消費的6%，主要由林業、造紙廢棄物燃燒提供。日本、美國和歐洲的一些國家小型生物質燃燒設備已經定型，并形成產業化，在供暖、發電等領域已普遍推廣應用，由于這些國家技術水平和能源結構等因素與我國存在較大差異，其產品不適合引進我國［5-7］。國內的生物質能利用主要集中在生物質發電和生物質制取氣體和液體燃料［8］，對生物質的小型燃燒設備也陸續開始研究。

目前國內外市場上常見的生物質燃料有:鋸木段、壓縮成型的生物質顆粒、木片和生物質秸稈等。因為各類燃料的物理和化學特性存在差異，所以其對應的燃燒系統差別較大。下面分類介紹不同生物質燃料對應的燃燒系統在國內外的發展現狀。

1.1 以鋸木段(wood logs)為燃料

鋸木段燃料長度一般為40 cm左右，其早期對應的燃燒設備是歐美國家的壁爐(圖1)和我國早期的爐灶。由于鋸木段的尺寸過大，故這類燃燒設備多為手動喂料、固定爐排、人工點火。圖2為歐美國家市場上近期出現的以鋸木段為燃料的生物質熱水鍋爐，其特點是頂部喂料、下吸式燃燒，工作時空氣在爐排下方進入，經燃燒區加熱后折入鍋爐底部，流經右側煙道將熱量傳送給煙道外側的水，最后通過上方煙囪排出。進風口的設計能起到預熱一次風的作用，其燃燒效率可達到75% ～85%，這種燃燒設備還可延長喂料周期。

1.2 以生物質成型顆粒(wood pellets)為燃料

生物質成型顆粒燃料是指將秸稈、稻殼、鋸末、木屑等各種生物質廢棄物，用機械加壓的方法，使原來分散的，沒有一定形狀的燃料壓縮成具有一定形狀密度較大的燃料［9］。其對應的燃燒設備也多采用固定式爐排，有少數設備可用移動式爐排。經壓縮后，生物質的物理特性和燃燒特性都得到較大的改善，燃料可實現自動喂料。喂料方式一般是通過螺旋喂料器將燃料顆粒喂入燃燒區底部或上部，點火方式多采用電控點火［5］。

生物質成型顆粒是發展比較成熟的生物質燃料，在20世紀50～80年代，日本、美國和歐洲一些國家就相繼研制出了生物質燃料成型機及成型燃燒設備，目前這些國家生物質成型燃料燃燒設備已經定型并投入生產［7］。圖3所示為英國Treco’s Green Heat公司開發的小型生物質鍋爐，這套設備采用螺旋喂料、電動點火和環狀燃燒器(圖4)，其喂料速度、點火溫度和通風量實現了自動電動控制，極大的提高了設備的熱效率。

圖1 壁爐示意圖Fig.1 Sketch of fireplace

圖2 木材燃料熱水鍋爐原理圖Fig.2 Diagram of wood log stove

圖3 顆粒燃料熱水鍋爐Fig.3 Pellets fuel boiler

我國小型生物質鍋爐的技術相對起步比較晚，典型的有SWNSN-20-1型生物質能水暖鍋爐，該產品最大熱功率20 kW，燃料消耗量3.3 kg/h，供暖面積100～200 m2［10］。該鍋爐的原理如圖5所示，該設備與同類設備相比，增加了一個燃燒室，改善了生物質燃燒時的結渣問題，熱效率達到80%，但對生物質壓縮燃料的要求比較高。國內一些高校也對生物質燃燒進行了研究，如蘇俊林等［11］建立了燃燒模擬試驗臺(如圖6所示)，進行了一次風量和二次風量不同配比、不同位置及不同料層厚度等參數對燃燒和排放性能影響的實驗，為生物質顆粒燃料鍋爐的設計提供了依據。目前，我國的小型生物質直燃技術正處在研究探索階段，沒有形成產業化，與歐美國家還有一定的差距。

圖4 環狀燃燒器Fig.4 Cyclic annular burner

圖5 生態爐原理圖Fig.5 Diagram of pellets boiler

圖6 鍋爐燃燒模擬試驗臺Fig.6 Test-platform of combustion simulation of boiler

1.3 以木片(wood chips)為燃料

木片主要來源于林業廢棄物和木材加工邊角料，其尺寸一般在2～5 cm，所用燃燒設備與壓縮成型顆粒的相似，多用固定爐排和螺旋式喂料器，所不同的是木片燃料一般采用高溫空氣法點火。木片還經常與其他生物質燃料混合使用，燃燒設備都大致相似。在歐洲和美國等地區以木片為燃料的燃燒設備在生物質燃燒設備市場上都占據了一定的比例［5］，圖7所示為英國Greenspec公司設計的以木片為燃料的小型熱水鍋爐，內部結構與顆粒燃料的燃燒設備基本相同，供熱量為15 kW，燃燒效率可達到94%。在國內市場上這類設備并不多見。

1.4 以生物質秸稈(straw)為燃料

除應用于農村爐灶的應用外，生物質秸稈燃料常用于大型的燃燒設備，用來集中供暖、發電或熱電聯產，或與其他種類燃料混合使用，小型應用在市場上占很少的比例。圖8是俄羅斯一家公司設計的生物質熱水鍋爐，直接以秸稈捆作為燃料，采用下吸式燃燒，減緩了燃燒速度，供熱量為40～100 kW。圖9是由我國農業部規劃設計院設計的秸稈直燃熱水鍋爐的原理圖，供熱量為0.35 MW，采用下飼式進料、雙燃燒室和擋火拱結構和煙、火管形式，結構相對比較復雜［5，12］。國內高校對此類設備的研究有:劉慶玉等［13］設計了戶用生物質燃燒爐，并進行了一二次風的配比試驗，綜合熱效率達到45% 以上;劉圣勇等［14］設計的生物質捆燒鍋爐，鍋爐熱效率達到73.13%，熱負荷達35 kW。

圖7 木片燃料熱水鍋爐原理圖Fig.7 Diagram of wood chips boiler

圖8 生物質熱水鍋爐Fig.8 Straw fule boiler

圖9 秸稈直燃熱水鍋爐結構圖Fig.9 Structure of straw boiler

2 小型生物質直燃供熱技術在我國的應用分析

根據我國的國情，大部分的生物質資源(如生物質秸稈、林業廢棄物等)都集中在農村和山區［15］，而且分布分散，特別適合于農村和城鄉結合部地區居民的小型應用，可減少生物質運輸和收集的成本，提高城鄉地區的供熱水平。

1)我國有豐富的木材資源，但人均占有量(0.12 m3)不到世界人均水平(0.65 m3)的五分之一，隨著交通和建筑等行業對木材需求量的加大，木材的需求量已超出年產量，而且木材燃料的成本相對較高［16］，所以在我國以鋸木段作為燃料的小型燃燒設備很難實現大規模的應用。

2)以生物質壓縮顆粒和木片為燃料的燃燒技術是我國現在相對比較成熟的生物質燃燒技術，生物質成型燃料的能耗大(每噸消耗電能90～120 kW·h)、成本高、燃燒設備對物料的要求高、原料收集和運輸困難［14，17］成為阻礙這一技術在我國廣泛應用的主要原因。但成型燃料具有比重大、便于儲存和運輸、燃燒性能好等優點，是一種較為理想的的燃料［11］。隨著壓縮成型技術的成熟和燃燒設備的完善，這項技術在我國的應用前景十分廣闊。

3)以農作物秸稈直接作為燃料，與生物質成型燃料相比，大幅度減少了物料處理的能耗(生物質打捆每噸消耗電能30 kW·h)，其成本低、操作方便的特點比較適合農村取暖模式，由于生物質秸稈能量密度太低，而且不經處理的生物質秸稈氯含量和堿金屬含量高，容易對設備造成損害［4］等問題沒有得到解決，還需進一步的研究和發展。

3 結語

3.1 小型生物質直燃供熱技術的合理應用是解決能源浪費和環境污染問題的有效途徑，在我國有廣闊的應用前景。

3.2 該技術在國外已趨于成熟并形成產業化，國內也陸續開始研究。常見的生物質燃料有:鋸木段、生物質壓縮顆粒、木片和生物質秸稈。

3.3 木材燃料由于人均占有量少、生長周期長不適合在我國廣泛應用;生物質壓縮顆粒燃料燃燒技術在我國已經起步，但燃燒成本高，技術和設備還有不完善的地方，亟需解決;以生物質秸稈直接作為燃料，適合我國農村取暖方式，有待進一步研究和發展。

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