生物質成型燃料鍋爐研究現狀

張彥 范振山

摘 要：生物質成型燃料燃燒技術是生物質有效利用方面非常有前途的技術，加強對高效環保生物質成型燃料鍋爐的研究將促進生物質成型燃料產業的發展。本文對生物質成型燃料鍋爐的研究現狀進行梳理，為我國生物質成型燃料鍋爐設計提供參考。

關鍵詞：生物質成型燃料;鍋爐;高效環保

中圖分類號：TK16文獻標識碼：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，由于經濟增長和社會發展，人類對能源的需求不斷增加，化石能源大量使用對全球環境變化造成嚴峻壓力，能源、環境問題日益突出。在世界各國爭相開發各種可利用的資源以保障能源安全、推動經濟可持續發展的過程中，生物質能受到高度重視[1]。我國每年有約4.6億tce的生物質資源可能源化利用，2015年利用量約為3 500萬tce[2]，仍有較大發展空間。

近年來，我國生物質成型燃料得到了較快發展，關于其燃燒、專用鍋爐等的研究日益增多。本文對生物質成型燃料鍋爐的研究現狀進行梳理，為我國生物質成型燃料鍋爐設計提供參考。

1 生物質成型燃料理化及燃燒特性

生物質成型燃料是將生物質廢棄物經粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝，使木質素軟化黏著后在機械壓力下壓縮制成結構緊密的生物質顆?；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、合理地選擇鍋爐結構、設計參數，提高燃燒效率。

1.1 理化特性

生物質成型過程主要是物理變化，元素組成、微觀結構與原材料基本一致，生物質與煤的工業分析與元素分析如表1所示[4]。

1.2 燃燒特性

由于經過擠壓成型后密度增大，生物質成型燃料燃燒更為穩定。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，結果表明，3種燃燒方式的燃燒過程都經歷水分蒸發、揮發分析出、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熱干燥階段、大量放熱的揮發分析出及燃燒階段、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。生物質與煤的工業分析與元素分析結果如表1所示。

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

2 生物質成型燃料鍋爐國外研究現狀

20世紀30年代，美國出現了螺旋壓縮機和配套燃燒設備;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、碳化廠家和燃燒設備。20世紀90年代，美國、日本與一些歐洲國家生物質成型燃料燃燒設備已定型，普遍用于發電、干燥、供暖、加熱等領域[7]。瑞典生物質成型燃料發電產業快速發展，多采用熱電聯產模式;瑞典約10萬個生物質供熱站，向各種類型的用戶供應熱水和蒸汽，家庭取暖多采用高度自動控制的成型燃料專用壁爐[8]。這些國家生物質成型燃料鍋爐熱效率高、污染小、工藝成熟且專業化程度高，但存在適用燃料單一、易結渣、能耗和價格高等問題，不適合我國引進[9]。

3 生物質成型燃料鍋爐國內研究現狀

我國20世紀80年代開始引進技術，經過試驗研發，生物質燃料成型技術已逐漸成熟并具備產業化條件。近年來，我國開發生物質成型燃燒鍋爐的研究機構和廠家逐漸增多，推進了高效清潔燃燒技術及設備的研發應用。

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、技術成熟、燃料適應性強的優點[1]。

3.1.1 固定爐排鍋爐。2003年，河南農業大學[10-11]研制的Ⅰ型生物質成型燃料鍋爐為雙層爐排層燃爐。其設置上、中、下三個爐門，上爐門常開，用于供應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燃燒情況調節空氣。爐膛后墻上適宜高度處設置煙氣出口。這種燃燒方式滿足燃燒所需氧氣供應、調節燃燒速度，能夠使燃料分步穩定燃燒，同時具有消煙除塵功能。2007年又在Ⅰ型的基礎上研制出Ⅱ型鍋爐，對鍋爐爐門、爐排等結構進行調整，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節，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，河南農業大學[12]設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，爐膛內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定。上部縱置鍋筒為準彈性體結構，應力小，傳熱效果更好。排煙符合國家鍋爐污染物排放標準要求。

中國農業大學[13]根據成型燃料的燃燒特性，構建了生物質鏈條爐燃燒模型，并對鍋爐結構和配風進行優化，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，開發出低NOx燃燒的生物質鍋爐，其平均熱效率高于80%。

3.1.3 往復爐排鍋爐。DZW12-1.25-BMF燃生物質成型燃料往復爐排蒸汽鍋爐已經運行數年，其主要特點有：應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速減速機，保證爐排運行長期穩定;采用煙氣再循環，降低了排煙中NOx;設有空氣預熱器，二次風量占比25%，四周不同高度二次進風與揮發分混合充分，使燃燒效率得以提高[14]。

3.2 流化床鍋爐

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

循環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]。但我國使用生物質成型燃料的循環流化床鍋爐還不多[16]。任曉平等[17]認為，循環流化床使用生物質成型燃料時燃料適應性強，低溫燃燒能抑制NOx產生和堿金屬的遷移，減輕鍋爐磨損危險，實現優勢互補，它是一種高效環保的技術，同時其對關鍵問題提供了解決措施。

4 結語

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

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