生物质成型燃料锅炉研究现状

2020-09-26张彦范振山

河南科技 2020年23期

关键词：锅炉

张彦范振山

摘要：生物质成型燃料燃烧技术是生物质有效利用方面非常有前途的技术，加强对高效环保生物质成型燃料锅炉的研究将促进生物质成型燃料产业的发展。本文对生物质成型燃料锅炉的研究现状进行梳理，为我国生物质成型燃料锅炉设计提供参考。

关键词：生物质成型燃料;锅炉;高效环保

中图分类号：TK16文献标识码：A文章编号：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

进入21世纪，由于经济增长和社会发展，人类对能源的需求不断增加，化石能源大量使用对全球环境变化造成严峻压力，能源、环境问题日益突出。在世界各国争相开发各种可利用的资源以保障能源安全、推动经济可持续发展的过程中，生物质能受到高度重视[1]。我国每年有约4.6亿tce的生物质资源可能源化利用，2015年利用量约为3 500万tce[2]，仍有较大发展空间。

近年来，我国生物质成型燃料得到了较快发展，关于其燃烧、专用锅炉等的研究日益增多。本文对生物质成型燃料锅炉的研究现状进行梳理，为我国生物质成型燃料锅炉设计提供参考。

1 生物质成型燃料理化及燃烧特性

生物质成型燃料是将生物质废弃物经粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，使木质素软化黏着后在机械压力下压缩制成结构紧密的生物质颗粒或棒状、块状等形状的成型燃料[3]。深入研究其理化特性与燃烧机理有助于科学、合理地选择锅炉结构、设计参数，提高燃烧效率。

1.1 理化特性

生物质成型过程主要是物理变化，元素组成、微观结构与原材料基本一致，生物质與煤的工业分析与元素分析如表1所示[4]。

1.2 燃烧特性

由于经过挤压成型后密度增大，生物质成型燃料燃烧更为稳定。王炯[5]对玉米秸秆散烧、成型燃烧、捆烧3种燃烧方式进行热重试验，结果表明，3种燃烧方式的燃烧过程都经历水分蒸发、挥发分析出、固定碳的燃烧和燃尽四个阶段，成型燃烧综合燃烧特性指数高于散烧、捆烧。陈蓉[6]分别对稻草和木屑成型燃料进行热重试验，将成型燃料的燃烧过程分为大量吸热的燃料预热干燥阶段、大量放热的挥发分析出及燃烧阶段、固定碳燃烧阶段、灰渣形成阶段，而在实际燃烧过程中，这些阶段交互影响。生物质与煤的工业分析与元素分析结果如表1所示。

总体来看，生物质成型燃料与煤炭相比挥发分高，易引燃，燃烧后排渣少，排烟中颗粒物、SO2、NOx含量低，对环境污染小。

2 生物质成型燃料锅炉国外研究现状

20世纪30年代，美国出现了螺旋压缩机和配套燃烧设备;1954年，日本制成棒状燃料燃烧炉具;20世纪70年代，西欧（瑞典、荷兰、芬兰、丹麦、比利时等）研究出冲压式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设备，随后，亚洲马来西亚、菲律宾等也有了自己的固化、碳化厂家和燃烧设备。20世纪90年代，美国、日本与一些欧洲国家生物质成型燃料燃烧设备已定型，普遍用于发电、干燥、供暖、加热等领域[7]。瑞典生物质成型燃料发电产业快速发展，多采用热电联产模式;瑞典约10万个生物质供热站，向各种类型的用户供应热水和蒸汽，家庭取暖多采用高度自动控制的成型燃料专用壁炉[8]。这些国家生物质成型燃料锅炉热效率高、污染小、工艺成熟且专业化程度高，但存在适用燃料单一、易结渣、能耗和价格高等问题，不适合我国引进[9]。

3 生物质成型燃料锅炉国内研究现状

我国20世纪80年代开始引进技术，经过试验研发，生物质燃料成型技术已逐渐成熟并具备产业化条件。近年来，我国开发生物质成型燃烧锅炉的研究机构和厂家逐渐增多，推进了高效清洁燃烧技术及设备的研发应用。

3.1 层燃锅炉

层燃是一定厚度的固体燃料分布在炉排上进行燃烧的方式，层燃炉具有投资成本低、技术成熟、燃料适应性强的优点[1]。

3.1.1 固定炉排锅炉。2003年，河南农业大学[10-11]研制的Ⅰ型生物质成型燃料锅炉为双层炉排层燃炉。其设置上、中、下三个炉门，上炉门常开，用于供应燃烧所需空气和投放燃料;中炉门用于点火和清渣;下炉门可排灰和依据燃烧情况调节空气。炉膛后墙上适宜高度处设置烟气出口。这种燃烧方式满足燃烧所需氧气供应、调节燃烧速度，能够使燃料分步稳定燃烧，同时具有消烟除尘功能。2007年又在Ⅰ型的基础上研制出Ⅱ型锅炉，对锅炉炉门、炉排等结构进行调整，保留上炉门及其功能，将中炉门与下炉门合并以减少炉门散热损失，用于清渣排灰和少量空气调节，同时增加受热面面积。改进后换热更充分，反平衡热效率由81.2%提升至84.3%，而且排烟中NOx和SO2含量更低。

3.1.2 链条炉排锅炉。2015年，河南农业大学[12]设计的链条炉排蒸汽锅炉采用了能与炉膛高效紧密配合的新型链条炉排，配置二次进风，炉膛内有辐射式受热面和对流换热面，保证了燃料燃烧和锅炉效率稳定。上部纵置锅筒为准弹性体结构，应力小，传热效果更好。排烟符合国家锅炉污染物排放标准要求。

中国农业大学[13]根据成型燃料的燃烧特性，构建了生物质链条炉燃烧模型，并对锅炉结构和配风进行优化，增大炉膛容积，采用较大的前拱高度和角度，短而低的后拱和较大的二次燃烧空间，配合陶瓷多管除尘和布袋除尘的二级除尘系统，开发出低NOx燃烧的生物质锅炉，其平均热效率高于80%。

3.1.3 往复炉排锅炉。DZW12-1.25-BMF燃生物质成型燃料往复炉排蒸汽锅炉已经运行数年，其主要特点有：应用了螺旋给料机和分料器装置，使燃料在炉排上分布均匀;往复炉排的倾斜角度为6°，炉排片为合金钢，炉排控制使用无极调速减速机，保证炉排运行长期稳定;采用烟气再循环，降低了排烟中NOx;设有空气预热器，二次风量占比25%，四周不同高度二次进风与挥发分混合充分，使燃烧效率得以提高[14]。

3.2 流化床锅炉

流化床燃烧设备按流体动力特性可分为鼓泡流化床锅炉和循环流化床锅炉[15]。哈尔滨工业大学[16]为企业开发研制了多台2～10 t/h鼓泡流化床生物质成型燃料锅炉，造价经济、安装快捷、NOx排放浓度低于100 mg/m3。

循环流化床与鼓泡流化床相比燃烧效率更高，CO2、CO排放能降低5%～10%[1]。但我国使用生物质成型燃料的循环流化床锅炉还不多[16]。任晓平等[17]认为，循环流化床使用生物质成型燃料时燃料适应性强，低温燃烧能抑制NOx产生和碱金属的迁移，减轻锅炉磨损危险，实现优势互补，它是一种高效环保的技术，同时其对关键问题提供了解决措施。

4 结语

与传统燃煤锅炉相比，生物质成型燃料锅炉可以实现CO2零排放，减少颗粒物、SO2、NOx排放，已成为重要发展方向。我国学者、研究单位和厂家已逐步展开了对生物质成型燃料燃烧特性研究和专用锅炉的研发，技术水平不断提高。目前，加强对高效环保生物质成型燃料锅炉的研制仍是重要而紧迫的。

参考文献：

[1]马文超，陈冠益，颜蓓蓓，等.生物质燃烧技术综述[J].生物质化学工程，2007（1）：43-48.

[2]國家能源局.国家能源局关于印发《生物质能发展“十三五”规划》的通知[EB/OL].（2016-10-28）[2020-07-01].http：//zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/201612/t20161205_2328.htm？keywords=生物质能.

[3]张百良，任天宝，徐桂转，等.中国固体生物质成型燃料标准体系[J].农业工程学报，2010（2）：257-262.

[4]马孝琴，骆仲泱，余春江，等.秸秆成型燃料双胆反烧炉的设计[J].动力工程，2005（6）：800-804.

[5]王炯.玉米秸秆打捆燃烧特性研究[D].郑州：河南农业大学，2018.

[6]陈蓉.ORC生物质成型燃料链条炉燃烧及系统性能研究[D].昆明：昆明理工大学，2014.

[7]刘圣勇，刘小二，王森.不同形态生物质燃烧技术现状和展望[J].农业工程技术（新能源产业），2007（4）：23-28.

[8]朱万斌.瑞典因何成为生物质成型燃料产业先锋[N].中国能源报，2017-04-24.

[9]刘圣勇，陈开碇，张百良.国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状[J].可再生能源，2002（4）：14-15.