生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐的節(jié)能分析與評(píng)價(jià)

摘要:根據(jù)生物質(zhì)成型燃料特性并結(jié)合燃燒理論，對(duì)生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐進(jìn)行了節(jié)能分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，揭示了設(shè)備節(jié)能的基本原理和途徑。分析表明，生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐效率高、用能清潔、運(yùn)行費(fèi)用低，技術(shù)上可行且經(jīng)濟(jì)上合理，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:生物質(zhì)，成型燃料，熱水鍋爐，節(jié)能研究，經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

概述

能源是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的基本動(dòng)力[1]，能源節(jié)約則是促進(jìn)能源發(fā)展的重點(diǎn)。生物質(zhì)能源具有來源廣泛，成本低廉、用能清潔等特點(diǎn)，特別適合于擁有豐富生物質(zhì)資源的中國(guó)，通過發(fā)展生物質(zhì)能源打造節(jié)能新亮點(diǎn)前景可觀。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代引進(jìn)螺旋推進(jìn)式秸稈成型機(jī)以后[2]，生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但是，相應(yīng)的專用生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備的發(fā)展相對(duì)滯后。為燃用生物質(zhì)成型燃料，出現(xiàn)盲目將原有的燃煤燃燒設(shè)備改為生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備的現(xiàn)象，致使鍋爐燃燒效率及熱效率較低，污染物排放超標(biāo)。燃燒設(shè)備成為生物質(zhì)能源發(fā)展鏈的薄弱環(huán)節(jié)。因此，根據(jù)生物質(zhì)成型燃料燃燒特性設(shè)計(jì)合理的生物質(zhì)成型燃料燃燒專用設(shè)備，對(duì)能源節(jié)約有著重要的意義。

生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐作為燃用生物質(zhì)燃料的主要設(shè)備之一，直接燃燒固體生物質(zhì)顆粒燃料，主要用于家庭、賓館、酒店、學(xué)校、醫(yī)院等場(chǎng)所的熱水、洗浴和取暖。由于燃料為生物質(zhì)燃料且結(jié)構(gòu)合理，此類鍋爐基本達(dá)到無煙化完全燃燒的效果，排放達(dá)到環(huán)保要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

1、生物質(zhì)成型燃料

1.1生物質(zhì)成型燃料的元素特性

生物質(zhì)成型燃料是指通過生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)將秸稈、稻殼、鋸末、木屑等農(nóng)作物廢棄物加工成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料。

生物質(zhì)原料經(jīng)擠壓成型后，密度可達(dá)1.1~1.4噸/立方米，能量密度與中質(zhì)煤相當(dāng)，而且便于運(yùn)輸和貯存。在壓縮過程中以物理變化為主，其元素組成及微觀結(jié)構(gòu)與原生物質(zhì)基本相同。各種生物質(zhì)成型燃料中碳含量集中在35%~42%，氫含量較低，為3.82% ~5%，而氮含量不到1%，硫的含量不到0.2%，因此，造成的污染程度極低。生物質(zhì)成型燃料的揮發(fā)分均在60% ～70%，因此在設(shè)計(jì)燃燒設(shè)備時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮揮發(fā)分的問題[3]。

1.2生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性

生物質(zhì)成型燃料經(jīng)高壓形成后，密度遠(yuǎn)大于原生物質(zhì)，燃燒相對(duì)穩(wěn)定。雖然點(diǎn)火溫度有所升高，點(diǎn)火性能變差，但比煤的點(diǎn)火性能好。由于生物質(zhì)成型燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料，其結(jié)構(gòu)與組織特征就決定了揮發(fā)分的逸出速度與傳熱速度都大大降低，但與煤相比顯得更為容易[4，5]。因此，生物質(zhì)成型燃料的揮發(fā)分特性指數(shù)大于煤的，其燃燒特性指數(shù)較煤的大。燃燒速度適中，能夠使揮發(fā)分放出的熱量及時(shí)傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低;同時(shí)揮發(fā)分燃燒所需的氧與外界擴(kuò)散的氧很好的匹配，燃燒波浪較小，減少了固體與排煙熱損失[6]。

2、生物質(zhì)成型燃料熱水爐

2.1 生物質(zhì)成型燃料熱水爐的結(jié)構(gòu)

目前我國(guó)擁有多種型號(hào)生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐，按燃料品種可分為木質(zhì)顆粒鍋爐和秸稈顆粒鍋爐，按應(yīng)用場(chǎng)合可分為家用型和商用型。下吸式固定雙層爐排熱水爐是應(yīng)用較廣的一種結(jié)構(gòu)形式，其充分考慮生物質(zhì)燃料燃燒特性，由爐門、爐排、爐膛、受熱面、風(fēng)室、降塵室、爐墻、排汽管、煙道、煙囪等主要部分組成，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示[7]。

1.水冷爐排 2.上爐門 3.出灰口 4.爐膛 5.風(fēng)室 6.高溫氣流出口 7.降塵室 8.后置鍋筒

9.排污口10.進(jìn)水口 11.引風(fēng)機(jī) 12.煙囪13.排氣管14.對(duì)流受熱面15.出水口

圖1下吸式固定雙層爐排熱水爐示意圖

2.2 生物質(zhì)成型燃料熱水爐的工作過程

一定粒徑生物質(zhì)成型燃料經(jīng)上爐門加在爐排上，根據(jù)生物質(zhì)容易著火的燃料特性，片刻就會(huì)燃燒起來，在引風(fēng)機(jī)引導(dǎo)下進(jìn)行下吸式燃燒;上爐排漏下的燃料屑和灰渣到下爐膛底部繼續(xù)燃燒并燃燼，然后經(jīng)出灰口排出;燃料在上爐排上燃燒后形成的煙氣和部分可燃?xì)怏w透過燃料層、灰渣層進(jìn)入下爐膛繼續(xù)燃燒，并與下爐排上燃料產(chǎn)生的煙氣一起經(jīng)出高溫氣流出口流向后面的降塵室和對(duì)流受熱面，在充分熱交換后進(jìn)入煙囪排向外界。

3、節(jié)能原理

由有關(guān)燃燒理論可知，保持燃料充分燃燒的必要條件為保持足夠的爐膛溫度，合適的空氣量及與燃料良好的混合、足夠的燃燒時(shí)間和空間。因此，本文將依據(jù)生物質(zhì)成型燃料本身的特性，結(jié)合燃燒理論，針對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能分析。

3.1 爐排及爐膛

生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐采用雙層爐排結(jié)構(gòu)，即在手燒爐排一定高度另加一道水冷卻的鋼管式爐排，其成彎管直接插入上方鍋筒中，這種設(shè)計(jì)一方面增大了水冷爐排吸熱面積，另一方面加快了爐排與鍋筒內(nèi)回水的熱傳遞。

燃料燃燒采用下吸式燃燒方式。成型燃料由上爐門加在上爐排上進(jìn)行預(yù)熱、燃燒，由于風(fēng)機(jī)的引導(dǎo)，新燃料不會(huì)直接遇到高溫過熱煙氣，延緩了揮發(fā)分的集中析出，從而避免了爐膛溫度的波動(dòng)，使燃燒趨于穩(wěn)定;同時(shí)，揮發(fā)分必須通過高溫氧化層，與空氣充分混合，在焦炭顆粒間隙中進(jìn)行著火燃燒;在完成一段燃燒過程后，上爐排形成的燃料屑和灰渣漏至下爐膛并繼續(xù)燃燒，直到燃燼。

采用雙層爐排，實(shí)現(xiàn)了秸稈成型燃料的分步燃燒，緩解秸稈燃燒速度，達(dá)到燃燒需氧與供氧的匹配，使秸稈成型燃料穩(wěn)定持續(xù)完全燃燒，在提高燃料利用率的同時(shí)起到了消煙除塵作用。

3.2 輻射受熱面

早期的部分生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐設(shè)計(jì)布置不夠合理，水冷爐排直接與水箱相連，使得爐膛溫度過高，特別是上爐膛，致使上爐門附近爐墻墻體過熱，增加了鍋爐的散熱損失。在不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)中，水箱被上下兩個(gè)鍋筒所代替，上鍋筒部分置于上爐膛上方，利用鍋筒里的水吸收燃料燃燒在上爐膛的熱量，從而增加輻射受熱面積，起到降低上爐膛溫度的目的，從而減少鍋爐的散熱損失，提高熱效率。

3.3 對(duì)流受熱面

生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐的對(duì)流受熱面分為兩個(gè)部分:降塵對(duì)流受熱面和降溫受熱面。對(duì)流受熱面極易發(fā)生以下現(xiàn)象:高溫?zé)煔馀c鍋筒中的水換熱不均，從而引起熱水部分出現(xiàn)沸騰，增加鍋爐運(yùn)行的不穩(wěn)定因素;受整體外形約束，煙道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)偏短，導(dǎo)致煙氣與鍋筒里的水換熱不夠充分，使得排煙溫度過高，增加了鍋爐的排煙熱損失。為避免上述問題出現(xiàn)，降溫對(duì)流受熱面與降塵對(duì)流受熱面常常采取分開布置;降溫?fù)Q熱面置于上鍋筒內(nèi)，采用煙管并聯(lián)設(shè)計(jì)，增加煙氣與鍋筒中水的熱交換，降低排煙溫度，提高燃燒效率;降塵則利用鍋爐后部的下鍋筒及管路引起的煙氣通道面積的變化達(dá)到效果。

3.4 爐門設(shè)計(jì)

目前應(yīng)用較多的爐門設(shè)計(jì)為雙爐門。上爐門常開，作為投燃料與供應(yīng)空氣之用;下爐門用于清除灰渣及供給少量空氣，正常運(yùn)行時(shí)微開，在清渣時(shí)打開;一方面保證了燃燒所需條件，另一方面減少了由于爐門多而造成的散熱損失。

4、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

4.1 技術(shù)評(píng)價(jià)

研究對(duì)象為生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐，本文采用與目前應(yīng)用最廣的燃煤鍋爐相比較的方法，來分析它們各自的優(yōu)劣。評(píng)價(jià)針對(duì)鍋爐的節(jié)能環(huán)保性能，主要指標(biāo)有熱效率、燃燒效率、出水量和污染物的排放量(主要是排煙處的NOx、CO、SO2和灰塵的含量)，并與國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較。

生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐與燃煤鍋爐的性能指標(biāo)比較如表1所示[8，9]。

從表1中的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐在性能上具有一定優(yōu)勢(shì)。節(jié)能方面，鍋爐熱效率和燃燒效率均高于傳統(tǒng)燃煤鍋爐，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);廢氣排放方面，煙中NOx、CO、S O2及煙塵含量均低于燃煤鍋爐，符合使用清潔能源的要求。

4.2 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)以設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用為指標(biāo)，將生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐與燃煤鍋爐、燃油鍋爐、天燃?xì)忮仩t、電鍋爐、空氣源熱水器進(jìn)行比較。各熱水設(shè)備的效率及相應(yīng)熱源(燃料)熱值、單價(jià)詳見表2。

運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算公式如下:

(1)

以加熱1t水為基準(zhǔn)，溫度從20℃升至90℃(溫升70℃)，此時(shí)需要熱量70000kcal。根據(jù)式(1)求得各設(shè)備在此負(fù)荷下的運(yùn)行費(fèi)用列于表2，可知生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐在運(yùn)行費(fèi)用上相對(duì)較低，但是就目前而言，其固定資產(chǎn)投入費(fèi)較同類型的其它鍋爐設(shè)備要高。不過隨著化石能源價(jià)格的上漲和國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求的提高，生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐在經(jīng)濟(jì)效益上將會(huì)越來越具有優(yōu)勢(shì)。

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的。該鍋爐用生物質(zhì)成型塊做燃料，一方面為生物質(zhì)廢料找到了有效的利用途徑，節(jié)約化石能源，另一方面染物排放量低于同類型的燃煤鍋爐，因此該鍋爐具有良好的社會(huì)和環(huán)保效益。

5、結(jié)論

(1)生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐依據(jù)生物質(zhì)成型燃料本身的特性，結(jié)合燃燒理論，在爐排及爐膛、輻射與對(duì)流受熱面、爐門等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分挖掘節(jié)能潛力。鍋爐燃燒效率可達(dá)94.84%，熱效率為78.2%~81.25%。

(2)生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐在技術(shù)性能上具有一定優(yōu)勢(shì)。節(jié)能方面，鍋爐熱效率和燃燒效率均高于傳統(tǒng)燃煤鍋爐，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);廢氣排放方面，煙中NOx、CO、SO2及煙塵含量均低于燃煤鍋爐，符合清潔能源的要求。

(3)生物質(zhì)成型燃料熱水鍋爐在運(yùn)行費(fèi)用上較其它類型設(shè)備要低，盡管目前其固定資產(chǎn)投入費(fèi)相對(duì)較高。隨著節(jié)能環(huán)保要求的提高，此類鍋爐在經(jīng)濟(jì)效益上將會(huì)越來越具有優(yōu)勢(shì)。

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