生物质锅炉应用现状分析

2023-01-15闫景凤

农机使用与维修 2023年1期

闫景凤

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

随着石油、天然气、煤炭等化石能源趋于枯竭，因此开发利用可再生能源替代化石能源迫在眉睫。我国是农业大国，有着丰富的生物质资源，可代替稀缺的化石等能源，生物质能的发展拥有巨大的空间和广阔的前景。生物质锅炉以生物质能源为燃料，充分利用富余的农作物秸秆、畜禽粪便及其他农林废弃物，避免田间焚烧秸秆造成严重的空气污染和资源浪费，保护了自然环境。

1 生物质锅炉的结构及工作原理

1.1 生物质锅炉的结构

生物质锅炉是一种以生物质能源作为燃料的锅炉，可分为立式生物质锅炉、卧式生物质锅炉、生物质热水炉、生物质热风炉、生物质蒸汽锅炉、生物质导热油炉[1]。生物质锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。以DZL型生物质热水炉为例阐述锅炉结构及工作原理。该热水锅炉是一种卧式快装单筒纵置式链条炉排锅炉，包含燃烧室、火焰和烟气通路、燃料装置、鼓风引风装置、进水出水装置及除尘装置等[2]。生物质热水炉炉膛空间比燃煤锅炉大，精确合理的一二次风比例和受热面布置，保证了生物质燃料的充分燃烧，增强了炉膛温度，提高了锅炉辐射传热。燃料在燃烧室内完成了化学能到热能的高效转换，燃料充分燃尽，炉渣含碳量接近零，达到节能消烟的目的。锅炉受热面部分可以采用特殊的材料和结构，防止腐蚀发生和灰分等粘结在受热面管子表面形成大量渣层。

生物质热水炉主要结构如图1所示。链条炉排由炉排支架、加料斗、炉链、驱动轴总成、从动轴总成、放灰装置及调风装置等组成，炉排有效燃烧面积约为2.3 m2。炉排运行终端部位底部布置有灰坑或接灰槽，在炉排运行时必须定期及时清理灰坑或接灰槽内的积灰，避免炉排故障发生。炉排加料斗两侧各布置一个涡轮蜗杆装置，分别调整进入炉排的燃料量和炉排上燃料的铺放厚度，具体数值显示在涡轮处的刻度盘上。炉排放灰装置布置在炉排链条下方，是三个倒梯形灰斗，燃料燃烧时产生的灰粒从炉排掉落到灰斗内，当灰粒积累到一定量后，拉动灰闸一并排出灰腔外。调风装置位于炉排链条侧边，风道分布在炉排下方，与放灰装置错落分布，拉动调风杆，可以改变进风口大小，从而改变进风量，保证燃料充分燃烧。链条炉排三维示意图如图2所示。

图1 生物质热水炉结构示意图

图2 链条炉排三维示意图

1.2 生物质锅炉的工作原理

生物质燃料从加料斗落到链条炉排上，以一定的厚度均匀铺在炉排上，燃料随着炉排前进匀速进入燃烧室，在一次二次风的作用下，燃料进行充分燃烧，燃烧产生的高温烟气与锅炉的受热面进行热传递后从烟道排出，燃料燃烧产生的灰粒穿过炉排掉落到出灰装置的灰斗内，当灰粒积累到一定高度，拉动放灰装置排到炉排底部。

2 生物质锅炉的发展现状

生物质是一种产量巨大又可再生的清洁能源，几乎不含硫，含氮很少，二氧化碳零排放[3]。农作物秸秆、林木废弃物、食用菌渣、牛羊畜粪等可燃性物质都可以作为生物质燃料。将农林废弃物经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成形状规则、密度大的棒状、块状等成型燃料。生物质锅炉是直接将生物质作为燃料燃烧，能耗少、成本低、原料来源广泛，对环境污染少，可缓解能源紧张问题。

2.1 生物质能资源现状

生物质能资源是指适用于能源利用的生物质，依据来源分类如图3所示。生物质能资源主要分布在黑龙江、吉林、辽宁、山东、安徽、河南、江苏、四川等农业发达的省份，这些省份耕地种植面积均超千万亩甚至上亿亩，林业资源丰富，畜禽养殖业发达，相应的加工产业发展良好。东北地区地域广阔，作为粮食主产区，农作物种植面积大，农作物秸秆资源非常丰富，山林面积大，林业资源丰富。对其他区域来说，华北地区粮食一年两熟，长江流域粮食一年三熟，虽然土地面积小，得天独厚的地理环境优势，可以实现一年两三茬农作物的种植，弥补土地种植面积的紧缺，农业条件好，农业发达，农作物品种多、产量大，林牧副渔业资源非常丰富。

图3 生物质能资源种类

2.2 生物质锅炉技术现状

从古至今，人类利用直接燃烧生物质的方法获取热量，生物质锅炉的技术研究工作最早在北欧国家得到重视发展，开发流化床锅炉技术，将生物质燃烧产生电能或者供热，该项技术已经成熟，并且成为了燃烧供热供电工艺的基础技术。随后欧洲国家也开发研究生物质能发电技术，开发利用木屑、秸秆、谷壳为燃料的发电锅炉，建立秸秆发电厂大力开发生物质能源。随着化石能源的短缺和我国对环保要求的日益严格，生物质锅炉的研发工作取得了很大的进展，生物质锅炉技术也有了新的突破和提高，多个城市出台政策鼓励燃煤锅炉改造，也为生物质锅炉的开发利用带来了巨大的发展机会。

3 生物质锅炉存在的问题

生物质燃料与原煤比较，价格优势显著，燃料燃烧产生的二氧化硫与氮氧化物排放低，二氧化碳零排放，排渣、飞灰少，灰渣可还田改善土壤。生物质锅炉同时也存在受热面沾污、腐蚀及结渣、SOx、NOx、HCl及气溶胶的排放等问题[4]。

3.1 沾污与腐蚀

目前，生物质锅炉基本上都存在受热面积灰、过热器结渣和沾污问题。生物质中高含量的钾和氯以氯化钾的形式直接沉积在受热面上，致使受热面因为沾污覆盖影响传热性能。生物质锅炉的腐蚀多发生在受热面上，以氯腐蚀为主。

3.2 结渣

在流化床燃烧形式中，生物质锅炉存在严重的燃烧结渣问题。由于生物质燃料本身含有的钾、钠等元素与石英砂等发生反应，形成低温共熔混合物附着在砂子表面，粘结成块。

3.3 有害气体的排放

生物质燃烧时，由于生物质本身的物理化学特性，会有SO2、NOx、HCl及气溶胶的排放，对环境造成污染。可在烟气排入大气前进行除尘脱硝等处理，降低大气污染物排放。

4 生物质锅炉的应用和推广

4.1 生物质锅炉的应用

生物质锅炉按用途可分为生物质热能锅炉和生物质电能锅炉。生物质热能锅炉应用广泛，小型生物质热能锅炉体积小、结构简单、价格低廉，一炉多用，适用于农村家庭取暖、生活热水和炊事等。中型生物质锅炉可以提供热水或蒸汽等，可以用于宾馆、酒店、办公楼及企事业单位等大面积供暖和热水供应。生物质锅炉可为温室大棚和畜禽养殖场等供暖和加温，生物质锅炉提供的暖风热源可用于农作物(粮食、谷物、饲料、烟叶、茶叶等)、木材、纸品、服装等烘干。国家鼓励生物质热电联产，偏远地区利用生物质电能锅炉发电，解决用电困难问题，生物质电能锅炉也有了很大的发展空间。在生物质资源丰富的省份，有生物质发电补贴，为生物质发电锅炉的发展起到积极促进作用。

4.2 生物质锅炉的推广及存在的问题

生物质锅炉能充分利用生物质资源，对环境污染小，资源可再生，适合推广应用。但是生物质锅炉在推广中存在许多问题。

1)生物质锅炉使用存在中断的可能[5]。生物质原料收集难度较大，农作物生长受季节限制，不能保证全年充足的农作物原料供应。农作物原料从收集到应用要经过收集、运输、压制成型等多道工序，需要多种机械联合作业，生物质锅炉长期稳定的原料供应难以满足。

2)生物质锅炉使用的技术水平有待提高。各种生物质利用技术处于初级发展阶段，生物质锅炉对燃料、燃烧技术等要求很高，生物质锅炉还存在很多技术问题需要深入研究解决。

3)生物质能源分布不合理。从我国生物质资源的种类、数量和分布来看，生物质锅炉围绕生物质资源分布，导致生物质资源紧缺，生物质燃料运输、贮存空间大、成本高等，使生物质锅炉的推广和使用受到限制。

4)小型家用生物质锅炉农户认可度有待提高。在农村地区推广生物质锅炉替代传统燃煤锅炉，同时实现烧水、做饭、取暖等。建议生物质锅炉在生物质资源丰富的区域推广，就地取材压制燃料，节省运输成本，降低农户燃料成本。建议政府出台政策鼓励农户购置生物质锅炉，购置设备有补贴，鼓励农户以旧换新，农户一次性购买设备投入少。鼓励农户自行收集自家农作物秸秆等生物质原料出售给生物质燃料加工厂，进一步降低燃料成本。