生物質鍋爐應用現(xiàn)狀分析

閆景鳳

(黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

隨著石油、天然氣、煤炭等化石能源趨于枯竭，因此開發(fā)利用可再生能源替代化石能源迫在眉睫。我國是農業(yè)大國，有著豐富的生物質資源，可代替稀缺的化石等能源，生物質能的發(fā)展擁有巨大的空間和廣闊的前景。生物質鍋爐以生物質能源為燃料，充分利用富余的農作物秸稈、畜禽糞便及其他農林廢棄物，避免田間焚燒秸稈造成嚴重的空氣污染和資源浪費，保護了自然環(huán)境。

1 生物質鍋爐的結構及工作原理

1.1 生物質鍋爐的結構

生物質鍋爐是一種以生物質能源作為燃料的鍋爐，可分為立式生物質鍋爐、臥式生物質鍋爐、生物質熱水爐、生物質熱風爐、生物質蒸汽鍋爐、生物質導熱油爐[1]。生物質鍋爐整體的結構包括鍋爐本體和輔助設備兩大部分。以DZL型生物質熱水爐為例闡述鍋爐結構及工作原理。該熱水鍋爐是一種臥式快裝單筒縱置式鏈條爐排鍋爐，包含燃燒室、火焰和煙氣通路、燃料裝置、鼓風引風裝置、進水出水裝置及除塵裝置等[2]。生物質熱水爐爐膛空間比燃煤鍋爐大，精確合理的一二次風比例和受熱面布置，保證了生物質燃料的充分燃燒，增強了爐膛溫度，提高了鍋爐輻射傳熱。燃料在燃燒室內完成了化學能到熱能的高效轉換，燃料充分燃盡，爐渣含碳量接近零，達到節(jié)能消煙的目的。鍋爐受熱面部分可以采用特殊的材料和結構，防止腐蝕發(fā)生和灰分等粘結在受熱面管子表面形成大量渣層。

生物質熱水爐主要結構如圖1所示。鏈條爐排由爐排支架、加料斗、爐鏈、驅動軸總成、從動軸總成、放灰裝置及調風裝置等組成，爐排有效燃燒面積約為2.3 m2。爐排運行終端部位底部布置有灰坑或接灰槽，在爐排運行時必須定期及時清理灰坑或接灰槽內的積灰，避免爐排故障發(fā)生 。爐排加料斗兩側各布置一個渦輪蝸桿裝置，分別調整進入爐排的燃料量和爐排上燃料的鋪放厚度，具體數值顯示在渦輪處的刻度盤上。爐排放灰裝置布置在爐排鏈條下方，是三個倒梯形灰斗，燃料燃燒時產生的灰粒從爐排掉落到灰斗內，當灰粒積累到一定量后，拉動灰閘一并排出灰腔外。調風裝置位于爐排鏈條側邊，風道分布在爐排下方，與放灰裝置錯落分布，拉動調風桿，可以改變進風口大小，從而改變進風量，保證燃料充分燃燒。鏈條爐排三維示意圖如圖2所示。

圖1 生物質熱水爐結構示意圖

圖2 鏈條爐排三維示意圖

1.2 生物質鍋爐的工作原理

生物質燃料從加料斗落到鏈條爐排上，以一定的厚度均勻鋪在爐排上，燃料隨著爐排前進勻速進入燃燒室，在一次二次風的作用下，燃料進行充分燃燒，燃燒產生的高溫煙氣與鍋爐的受熱面進行熱傳遞后從煙道排出，燃料燃燒產生的灰粒穿過爐排掉落到出灰裝置的灰斗內，當灰粒積累到一定高度，拉動放灰裝置排到爐排底部。

2 生物質鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀

生物質是一種產量巨大又可再生的清潔能源，幾乎不含硫，含氮很少，二氧化碳零排放[3]。農作物秸稈、林木廢棄物、食用菌渣、牛羊畜糞等可燃性物質都可以作為生物質燃料。將農林廢棄物經過粉碎、混合、擠壓、烘干等工藝，制成形狀規(guī)則、密度大的棒狀、塊狀等成型燃料。生物質鍋爐是直接將生物質作為燃料燃燒，能耗少、成本低、原料來源廣泛，對環(huán)境污染少，可緩解能源緊張問題。

2.1 生物質能資源現(xiàn)狀

生物質能資源是指適用于能源利用的生物質，依據來源分類如圖3所示。生物質能資源主要分布在黑龍江、吉林、遼寧、山東、安徽、河南、江蘇、四川等農業(yè)發(fā)達的省份，這些省份耕地種植面積均超千萬畝甚至上億畝，林業(yè)資源豐富，畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，相應的加工產業(yè)發(fā)展良好。東北地區(qū)地域廣闊，作為糧食主產區(qū)，農作物種植面積大，農作物秸稈資源非常豐富，山林面積大，林業(yè)資源豐富。對其他區(qū)域來說，華北地區(qū)糧食一年兩熟，長江流域糧食一年三熟，雖然土地面積小，得天獨厚的地理環(huán)境優(yōu)勢，可以實現(xiàn)一年兩三茬農作物的種植，彌補土地種植面積的緊缺，農業(yè)條件好，農業(yè)發(fā)達，農作物品種多、產量大，林牧副漁業(yè)資源非常豐富。

圖3 生物質能資源種類

2.2 生物質鍋爐技術現(xiàn)狀

從古至今，人類利用直接燃燒生物質的方法獲取熱量，生物質鍋爐的技術研究工作最早在北歐國家得到重視發(fā)展，開發(fā)流化床鍋爐技術，將生物質燃燒產生電能或者供熱，該項技術已經成熟，并且成為了燃燒供熱供電工藝的基礎技術。隨后歐洲國家也開發(fā)研究生物質能發(fā)電技術，開發(fā)利用木屑、秸稈、谷殼為燃料的發(fā)電鍋爐，建立秸稈發(fā)電廠大力開發(fā)生物質能源。隨著化石能源的短缺和我國對環(huán)保要求的日益嚴格，生物質鍋爐的研發(fā)工作取得了很大的進展，生物質鍋爐技術也有了新的突破和提高，多個城市出臺政策鼓勵燃煤鍋爐改造，也為生物質鍋爐的開發(fā)利用帶來了巨大的發(fā)展機會。

3 生物質鍋爐存在的問題

生物質燃料與原煤比較，價格優(yōu)勢顯著，燃料燃燒產生的二氧化硫與氮氧化物排放低，二氧化碳零排放，排渣、飛灰少，灰渣可還田改善土壤。生物質鍋爐同時也存在受熱面沾污、腐蝕及結渣、SOx、NOx、HCl及氣溶膠的排放等問題[4]。

3.1 沾污與腐蝕

目前，生物質鍋爐基本上都存在受熱面積灰、過熱器結渣和沾污問題。生物質中高含量的鉀和氯以氯化鉀的形式直接沉積在受熱面上，致使受熱面因為沾污覆蓋影響傳熱性能。生物質鍋爐的腐蝕多發(fā)生在受熱面上，以氯腐蝕為主。

3.2 結渣

在流化床燃燒形式中，生物質鍋爐存在嚴重的燃燒結渣問題。由于生物質燃料本身含有的鉀、鈉等元素與石英砂等發(fā)生反應，形成低溫共熔混合物附著在砂子表面，粘結成塊。

3.3 有害氣體的排放

生物質燃燒時，由于生物質本身的物理化學特性，會有SO2、NOx、HCl及氣溶膠的排放，對環(huán)境造成污染?？稍跓煔馀湃氪髿馇斑M行除塵脫硝等處理，降低大氣污染物排放。

4 生物質鍋爐的應用和推廣

4.1 生物質鍋爐的應用

生物質鍋爐按用途可分為生物質熱能鍋爐和生物質電能鍋爐。生物質熱能鍋爐應用廣泛，小型生物質熱能鍋爐體積小、結構簡單、價格低廉，一爐多用，適用于農村家庭取暖、生活熱水和炊事等。中型生物質鍋爐可以提供熱水或蒸汽等，可以用于賓館、酒店、辦公樓及企事業(yè)單位等大面積供暖和熱水供應。生物質鍋爐可為溫室大棚和畜禽養(yǎng)殖場等供暖和加溫，生物質鍋爐提供的暖風熱源可用于農作物(糧食、谷物、飼料、煙葉、茶葉等)、木材、紙品、服裝等烘干。國家鼓勵生物質熱電聯(lián)產，偏遠地區(qū)利用生物質電能鍋爐發(fā)電，解決用電困難問題，生物質電能鍋爐也有了很大的發(fā)展空間。在生物質資源豐富的省份，有生物質發(fā)電補貼，為生物質發(fā)電鍋爐的發(fā)展起到積極促進作用。

4.2 生物質鍋爐的推廣及存在的問題

生物質鍋爐能充分利用生物質資源，對環(huán)境污染小，資源可再生，適合推廣應用。但是生物質鍋爐在推廣中存在許多問題。

1)生物質鍋爐使用存在中斷的可能[5]。生物質原料收集難度較大，農作物生長受季節(jié)限制，不能保證全年充足的農作物原料供應。農作物原料從收集到應用要經過收集、運輸、壓制成型等多道工序，需要多種機械聯(lián)合作業(yè)，生物質鍋爐長期穩(wěn)定的原料供應難以滿足。

2)生物質鍋爐使用的技術水平有待提高。各種生物質利用技術處于初級發(fā)展階段，生物質鍋爐對燃料、燃燒技術等要求很高，生物質鍋爐還存在很多技術問題需要深入研究解決。

3)生物質能源分布不合理。從我國生物質資源的種類、數量和分布來看，生物質鍋爐圍繞生物質資源分布，導致生物質資源緊缺，生物質燃料運輸、貯存空間大、成本高等，使生物質鍋爐的推廣和使用受到限制。

4)小型家用生物質鍋爐農戶認可度有待提高。在農村地區(qū)推廣生物質鍋爐替代傳統(tǒng)燃煤鍋爐，同時實現(xiàn)燒水、做飯、取暖等。建議生物質鍋爐在生物質資源豐富的區(qū)域推廣，就地取材壓制燃料，節(jié)省運輸成本，降低農戶燃料成本。建議政府出臺政策鼓勵農戶購置生物質鍋爐，購置設備有補貼，鼓勵農戶以舊換新，農戶一次性購買設備投入少。鼓勵農戶自行收集自家農作物秸稈等生物質原料出售給生物質燃料加工廠，進一步降低燃料成本。

5 結論

生物質鍋爐的使用，充分利用了生物質資源，避免了剩余秸稈焚燒處理對大氣造成的嚴重污染，既節(jié)約了資源又保護了環(huán)境，推動了社會經濟發(fā)展。我國作為農業(yè)大國，豐富的生物質資源為生物質鍋爐的開發(fā)利用打下堅實基礎，生物質鍋爐的發(fā)展前景非常廣闊。