小型生物質(zhì)直燃供熱技術(shù)研究進展

羅冰，何芳，張永健，李永軍

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

目前全球能源緊缺和環(huán)境污染等問題日益加重，開發(fā)利用新能源已經(jīng)成了緊迫課題［1］。生物質(zhì)燃料具有可再生、來源廣泛、成本低廉、燃燒有害氣體少等優(yōu)點，在新能源燃料中占據(jù)了重要的地位［2-3］。由于我國目前尚缺乏經(jīng)濟方便的生物質(zhì)應(yīng)用技術(shù)，生物質(zhì)能源浪費較大，且秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的就地焚燒對居民生活、交通安全和自然環(huán)境造成了嚴(yán)重危害［4］，因此生物質(zhì)能源的合理利用受到了越來越多的關(guān)注。小型生物質(zhì)直燃供熱技術(shù)是指以生物質(zhì)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(shù)，主要用于家庭、單位、浴池等場合的供暖或供水。適合農(nóng)業(yè)廢棄物等分散分布的生物質(zhì)能的應(yīng)用，可減少物料收集、運輸、儲存費用，并對改善農(nóng)村的燃料結(jié)構(gòu)有重要意義。本文結(jié)合國內(nèi)外小型生物質(zhì)直燃供熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，就該技術(shù)在我國的應(yīng)用和發(fā)展進行分析。

1 小型生物質(zhì)直燃供熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，在一些發(fā)達國家生物質(zhì)能在總能源消耗中所占比例增加相當(dāng)迅速，歐洲2009年由生物質(zhì)直接燃燒獲得的初級能源達7 280萬噸油當(dāng)量，比2008年增長3.6%，加拿大生物質(zhì)能占整個能源消費的6%，主要由林業(yè)、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(zhì)燃燒設(shè)備已經(jīng)定型，并形成產(chǎn)業(yè)化，在供暖、發(fā)電等領(lǐng)域已普遍推廣應(yīng)用，由于這些國家技術(shù)水平和能源結(jié)構(gòu)等因素與我國存在較大差異，其產(chǎn)品不適合引進我國［5-7］。國內(nèi)的生物質(zhì)能利用主要集中在生物質(zhì)發(fā)電和生物質(zhì)制取氣體和液體燃料［8］，對生物質(zhì)的小型燃燒設(shè)備也陸續(xù)開始研究。

目前國內(nèi)外市場上常見的生物質(zhì)燃料有:鋸木段、壓縮成型的生物質(zhì)顆粒、木片和生物質(zhì)秸稈等。因為各類燃料的物理和化學(xué)特性存在差異，所以其對應(yīng)的燃燒系統(tǒng)差別較大。下面分類介紹不同生物質(zhì)燃料對應(yīng)的燃燒系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)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(yīng)的燃燒設(shè)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(shè)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(xiàn)的以鋸木段為燃料的生物質(zhì)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(jīng)燃燒區(qū)加熱后折入鍋爐底部，流經(jīng)右側(cè)煙道將熱量傳送給煙道外側(cè)的水，最后通過上方煙囪排出。進風(fēng)口的設(shè)計能起到預(yù)熱一次風(fēng)的作用，其燃燒效率可達到75% ～85%，這種燃燒設(shè)備還可延長喂料周期。

1.2 以生物質(zhì)成型顆粒(wood pellets)為燃料

生物質(zhì)成型顆粒燃料是指將秸稈、稻殼、鋸末、木屑等各種生物質(zhì)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(yīng)的燃燒設(shè)備也多采用固定式爐排，有少數(shù)設(shè)備可用移動式爐排。經(jīng)壓縮后，生物質(zhì)的物理特性和燃燒特性都得到較大的改善，燃料可實現(xiàn)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(qū)底部或上部，點火方式多采用電控點火［5］。

生物質(zhì)成型顆粒是發(fā)展比較成熟的生物質(zhì)燃料，在20世紀(jì)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(zhì)燃料成型機及成型燃燒設(shè)備，目前這些國家生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備已經(jīng)定型并投入生產(chǎn)［7］。圖3所示為英國Treco’s Green Heat公司開發(fā)的小型生物質(zhì)鍋爐，這套設(shè)備采用螺旋喂料、電動點火和環(huán)狀燃燒器(圖4)，其喂料速度、點火溫度和通風(fēng)量實現(xiàn)了自動電動控制，極大的提高了設(shè)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(zhì)鍋爐的技術(shù)相對起步比較晚，典型的有SWNSN-20-1型生物質(zhì)能水暖鍋爐，該產(chǎn)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(shè)備與同類設(shè)備相比，增加了一個燃燒室，改善了生物質(zhì)燃燒時的結(jié)渣問題，熱效率達到80%，但對生物質(zhì)壓縮燃料的要求比較高。國內(nèi)一些高校也對生物質(zhì)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(fēng)量和二次風(fēng)量不同配比、不同位置及不同料層厚度等參數(shù)對燃燒和排放性能影響的實驗，為生物質(zhì)顆粒燃料鍋爐的設(shè)計提供了依據(jù)。目前，我國的小型生物質(zhì)直燃技術(shù)正處在研究探索階段，沒有形成產(chǎn)業(yè)化，與歐美國家還有一定的差距。

圖4 環(huán)狀燃燒器Fig.4 Cyclic annular burner

圖5 生態(tài)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(yè)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(shè)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(jīng)常與其他生物質(zhì)燃料混合使用，燃燒設(shè)備都大致相似。在歐洲和美國等地區(qū)以木片為燃料的燃燒設(shè)備在生物質(zhì)燃燒設(shè)備市場上都占據(jù)了一定的比例［5］，圖7所示為英國Greenspec公司設(shè)計的以木片為燃料的小型熱水鍋爐，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與顆粒燃料的燃燒設(shè)備基本相同，供熱量為15 kW，燃燒效率可達到94%。在國內(nèi)市場上這類設(shè)備并不多見。

1.4 以生物質(zhì)秸稈(straw)為燃料

除應(yīng)用于農(nóng)村爐灶的應(yīng)用外，生物質(zhì)秸稈燃料常用于大型的燃燒設(shè)備，用來集中供暖、發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)，或與其他種類燃料混合使用，小型應(yīng)用在市場上占很少的比例。圖8是俄羅斯一家公司設(shè)計的生物質(zhì)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(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計院設(shè)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(jié)構(gòu)和煙、火管形式，結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜［5，12］。國內(nèi)高校對此類設(shè)備的研究有:劉慶玉等［13］設(shè)計了戶用生物質(zhì)燃燒爐，并進行了一二次風(fēng)的配比試驗，綜合熱效率達到45% 以上;劉圣勇等［14］設(shè)計的生物質(zhì)捆燒鍋爐，鍋爐熱效率達到73.13%，熱負(fù)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(zhì)熱水鍋爐Fig.8 Straw fule boiler

圖9 秸稈直燃熱水鍋爐結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of straw boiler

2 小型生物質(zhì)直燃供熱技術(shù)在我國的應(yīng)用分析

根據(jù)我國的國情，大部分的生物質(zhì)資源(如生物質(zhì)秸稈、林業(yè)廢棄物等)都集中在農(nóng)村和山區(qū)［15］，而且分布分散，特別適合于農(nóng)村和城鄉(xiāng)結(jié)合部地區(qū)居民的小型應(yīng)用，可減少生物質(zhì)運輸和收集的成本，提高城鄉(xiāng)地區(qū)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(yè)對木材需求量的加大，木材的需求量已超出年產(chǎn)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(shè)備很難實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。

2)以生物質(zhì)壓縮顆粒和木片為燃料的燃燒技術(shù)是我國現(xiàn)在相對比較成熟的生物質(zhì)燃燒技術(shù)，生物質(zhì)成型燃料的能耗大(每噸消耗電能90～120 kW·h)、成本高、燃燒設(shè)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(shù)在我國廣泛應(yīng)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(yōu)點，是一種較為理想的的燃料［11］。隨著壓縮成型技術(shù)的成熟和燃燒設(shè)備的完善，這項技術(shù)在我國的應(yīng)用前景十分廣闊。

3)以農(nóng)作物秸稈直接作為燃料，與生物質(zhì)成型燃料相比，大幅度減少了物料處理的能耗(生物質(zhì)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(nóng)村取暖模式，由于生物質(zhì)秸稈能量密度太低，而且不經(jīng)處理的生物質(zhì)秸稈氯含量和堿金屬含量高，容易對設(shè)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(fā)展。

3 結(jié)語

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

3.2 該技術(shù)在國外已趨于成熟并形成產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)也陸續(xù)開始研究。常見的生物質(zhì)燃料有:鋸木段、生物質(zhì)壓縮顆粒、木片和生物質(zhì)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(yīng)用;生物質(zhì)壓縮顆粒燃料燃燒技術(shù)在我國已經(jīng)起步，但燃燒成本高，技術(shù)和設(shè)備還有不完善的地方，亟需解決;以生物質(zhì)秸稈直接作為燃料，適合我國農(nóng)村取暖方式，有待進一步研究和發(fā)展。

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