0、引言
目前，能源和環(huán)境問(wèn)題已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，雖然石油、煤和天然氣這些常規(guī)能源至今仍是燃料的主要來(lái)源，但是隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)利用潔凈可再生能源已經(jīng)成了緊迫的課題。在此背景下，生物質(zhì)能作為唯．可儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)目稍偕G色能源，其高效轉(zhuǎn)換和潔凈利用日益受到世界的重視。
生物質(zhì)能源是利用綠色植物將太陽(yáng)能通過(guò)光合作用儲(chǔ)存在植物體內(nèi)的自然資源，它是太陽(yáng)能的一種廉價(jià)儲(chǔ)存方式。利用生物質(zhì)能的排放量不會(huì)超過(guò)其生長(zhǎng)期間所吸收的碳量，能實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放。從全球持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略上看，發(fā)揮生物質(zhì)能的能源潛力和環(huán)境潛力是極其重要的。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)能源十分豐富，是農(nóng)村的主要能源，然而存在利用情況落后、污染大等問(wèn)題。我國(guó)農(nóng)村的秸稈是重要的生物質(zhì)資源，秸稈燃燒值約為標(biāo)準(zhǔn)煤的55%。我國(guó)每年可生產(chǎn)農(nóng)作物秸稈7億t多，如全部用來(lái)燃燒，可折合約4億t標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值。生物質(zhì)燃料的優(yōu)勢(shì)為：生物質(zhì)的熱值與我國(guó)一些地區(qū)的層燃爐用煤相當(dāng)（約16500kj/kg）。生物質(zhì)主含揮發(fā)分，對(duì)秸稈和稻殼的熱重分析結(jié)果表明：揮發(fā)分含量高達(dá)70%～85%。這些特性決定了它不僅有良好的代煤效果，也決定了生物質(zhì)優(yōu)良的著火燃燒性能。生物質(zhì)燃料減排CO2和硫的效果十分顯，且具有飛灰少、排渣少、NO，排放低、降低重金屬污染物排放和灰渣可還田等優(yōu)良的環(huán)保特性，可稱(chēng)之為綠色能源。由于生物質(zhì)原料價(jià)格低廉，制造出的生物質(zhì)成型燃料也比現(xiàn)在高漲的原煤及型煤具有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，利于推廣使用。生物質(zhì)能是可再生能源，在能源日益短缺的今天，開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能也具有重大的能源戰(zhàn)略意義。
1、技術(shù)分析
國(guó)際上對(duì)生物質(zhì)能利用的基本內(nèi)容是以生物質(zhì)代替礦物燃料，如壓縮固化、液化或氣化為高品位燃料供發(fā)電和動(dòng)力使用。而在目前的各種代替方式中，液化成本還過(guò)高，技術(shù)也不成熟；菌解氣化的沼氣在我國(guó)農(nóng)村（如四川、江蘇等地）已較為廣泛地應(yīng)用，其研究開(kāi)發(fā)利用水平居世界前列，但沼氣的大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用還存在解決不了的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題；熱解氣化技術(shù)在我國(guó)一些地方（如山東、河南等地）也開(kāi)展了很多年，并取得可喜的成績(jī)。以熱解氣化方式實(shí)現(xiàn)低質(zhì)生物質(zhì)原料的高檔次利用，其社會(huì)效益主要是使農(nóng)民用上方便清潔的氣體燃料，生活方式發(fā)生較大進(jìn)步，從而提高生活舒適文明程度，節(jié)省用于炊事的勞動(dòng)量和時(shí)間，并使環(huán)境和庭院衛(wèi)生有一定改善。生物質(zhì)氣化目前還存在投資大、技術(shù)不過(guò)關(guān)等問(wèn)題，只用于小規(guī)模炊事用氣，還不能工業(yè)化。目前，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上最為可行的生物質(zhì)能利用技術(shù)為生物質(zhì)能成型燃料技術(shù)，加之氣化燃燒。
20世紀(jì)30年代開(kāi)始，許多發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)、日本、芬蘭）都投入了大量人力和物力來(lái)研究生物質(zhì)成型技術(shù)及木質(zhì)成型燃料；80年代后，技術(shù)日趨成熟，形成了一定規(guī)模；90年代，日本、美國(guó)及歐洲一些國(guó)家生物質(zhì)木質(zhì)
顆粒燃料燃燒設(shè)備已經(jīng)定型，并形成了產(chǎn)業(yè)化，在加熱、供暖、干燥等領(lǐng)域已推廣應(yīng)用。我國(guó)的生物質(zhì)燃料以農(nóng)作物秸稈為主，因此國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)不適合我國(guó)國(guó)情。
目前，制約我國(guó)生物質(zhì)燃料成型燃料推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是還沒(méi)有與之相適應(yīng)的燃燒設(shè)備。我國(guó)在生物質(zhì)成型燃料燃燒方面的研究較少，關(guān)于生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備的研究、設(shè)計(jì)及制造遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求。生物質(zhì)成型燃料具有它本身的燃燒及熱工特性，這與化石燃料又有很大的區(qū)別。一些單位盲目地將燃煤設(shè)備改造成生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備，但改造后的設(shè)備不符合生物質(zhì)成型燃料的特性要求，致使燃燒惡化、熱效率低下、傳熱差、換熱面結(jié)渣、換熱面經(jīng)常堵塞以及污染大。根據(jù)生物質(zhì)成型燃料的燃燒理論，實(shí)驗(yàn)研究來(lái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)合理的燃燒設(shè)備及換熱設(shè)備是非常重要和迫切的課題，這對(duì)于推廣生物質(zhì)能的利用工作意義重大。
本文的目的是開(kāi)發(fā)出結(jié)構(gòu)全新、環(huán)保指標(biāo)與燃油鍋爐接近、高效節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低、出力大和容量大的新一代生物質(zhì)鍋爐。
2、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與研究
2.1 燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究
生物質(zhì)成型燃料發(fā)熱量、元素分析、工業(yè)分析和灰溶性研究等燃料特性，諸如著火過(guò)程、熱解氣化過(guò)程、燃燒速率等燃燒特性。
2.2鍋爐模擬實(shí)驗(yàn)研究
此研究模擬實(shí)際的鍋爐，在模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行燃燒、傳熱及排放性能的實(shí)驗(yàn)，最后得到具有實(shí)際價(jià)值的結(jié)果，作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。
2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和計(jì)算機(jī)優(yōu)化程序
建立合理的數(shù)學(xué)模型，編寫(xiě)完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?yōu)化算法，并將優(yōu)化思想靈活地應(yīng)用在程序設(shè)計(jì)之中。開(kāi)發(fā)的軟件界面可視化效果好，人機(jī)對(duì)話窗口操作簡(jiǎn)單，使得設(shè)計(jì)人員在幾分鐘內(nèi)就可以完成在以前幾個(gè)星期都難以完成的計(jì)算，而且得到是經(jīng)過(guò)比較的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。這就大大縮短了鍋爐新型開(kāi)發(fā)的周期，提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量。
通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。
3、結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)
力求研制出新一代的高效節(jié)能潔凈燃燒生物質(zhì)鍋爐。通過(guò)詳盡地調(diào)研國(guó)外類(lèi)似的裝置，找出其不足，確定目標(biāo)。項(xiàng)目目標(biāo)：一是高熱效率；二是低大氣排放指標(biāo)；三是創(chuàng)新的燃燒方式及結(jié)構(gòu)；四是改進(jìn)的換熱結(jié)構(gòu)；五是低制造成本。
3.1技術(shù)難點(diǎn)
為了實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料持續(xù)穩(wěn)定、高效潔凈燃燒的目標(biāo)，針對(duì)此類(lèi)燃料特點(diǎn)，解決配風(fēng)、爐內(nèi)消煙除塵結(jié)構(gòu)、對(duì)流換熱面的結(jié)渣以及高效傳熱等問(wèn)題。
3.2技術(shù)關(guān)鍵
設(shè)計(jì)獨(dú)特的雙燃燒室結(jié)構(gòu)，采用氣化燃燒復(fù)合形式；采用燃燼、降塵、凝渣及輻射傳熱的組合結(jié)構(gòu)；以?xún)?yōu)化配風(fēng)控制不同工況的燃燒供氧需求；設(shè)計(jì)高強(qiáng)化對(duì)流換熱面。研制出適用于生物質(zhì)燃料的綠色環(huán)保、高效節(jié)能的燃燒氣化換熱一體化爐，主要應(yīng)用在供熱場(chǎng)合。
經(jīng)過(guò)4輪試制與改進(jìn)，確定基本結(jié)構(gòu)為三室結(jié)構(gòu)，研制出氣化復(fù)合燃燒、強(qiáng)化傳熱和一體化形式的高效節(jié)能潔凈燃燒生物質(zhì)鍋爐。
新型生物質(zhì)鍋爐結(jié)構(gòu)原理如圖l所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為燃燒部分采用三室結(jié)構(gòu)，即固相燃燒室、氣相燃燒室及燃燼除塵室。
在固相燃燒室內(nèi)，為生物質(zhì)成型燃料提供熱解氣化熱量，并產(chǎn)生生物質(zhì)燃?xì)狻Ｔ诘撞肯挛浇Y(jié)構(gòu)里，生物質(zhì)燃?xì)獗粸V清凈化，然后進(jìn)入氣相燃燒室，實(shí)現(xiàn)均相動(dòng)力燃燒。氣相燃燒室尾部采用了旋流結(jié)構(gòu)，使燃?xì)饣鹧娴玫匠浞謹(jǐn)_流，從而促進(jìn)燃燒完全。
燃燒除塵室采用了燃燼、降塵、凝渣及輻射傳熱的組合結(jié)構(gòu)，達(dá)到潔凈燃燒及輻射換熱的雙重效果。，
經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到高強(qiáng)化傳熱、低流動(dòng)阻力的優(yōu)化對(duì)流換熱面。實(shí)踐表明，新型復(fù)合燃燒氣化傳熱一體化鍋爐具有高效節(jié)能、潔凈燃燒、結(jié)構(gòu)新穎、出力大和使用方便等特點(diǎn)。
4、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用推廣
以WSS2.8 - 80/60 - SW生物質(zhì)氣化燃燒換熱一體化熱水鍋爐為例，介紹其性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)計(jì)算。
為了便于計(jì)算機(jī)編程，筆者將物性參數(shù)、燃燒計(jì)算圖表和傳熱計(jì)算圖表等都在計(jì)算機(jī)上整理成解析式。設(shè)計(jì)計(jì)算的原始參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如下：
額定功率/MW: 2.8
出水溫度℃／：80
回水溫度／℃：60
循環(huán)水流量/kg．h-1：120 000
冷空氣溫度／℃：20
燃料：玉米秸稈成型燃料
燃料低位發(fā)熱量/kJ·kg一：16 284
燃料消耗量/kg．h-1: 764
設(shè)計(jì)熱效率/o_/o：81
爐柵面積/m2：4
氣相燃燒室容積／m3：18
排煙溫度／℃：185
有效輻射受熱面積/m2：26.6
第1級(jí)水管管束受熱面移/m2：47.9
第2級(jí)水管管束受熱面積/m2：38.3
爐內(nèi)總壓降/Pa：1193
煙氣總流量／m3：8 974
2007年8月，試制出熱功率為l t/h的氣化燃燒換熱一體化生物質(zhì)蒸汽鍋爐，用于吉林建筑工程學(xué)院城建學(xué)院的生活用汽，替代了原來(lái)的2Uh型煤蒸汽鍋爐；同年IO月，兩臺(tái)2.8MW氣化燃燒換熱一體化生物質(zhì)熱水鍋爐投產(chǎn)；11月，在長(zhǎng)春國(guó)際家具博覽中心（吉盛偉邦）投入運(yùn)行，其采暖面積為44 000cri2。
2007年11月，一臺(tái)0.06MW生物質(zhì)熱水鍋爐用于陽(yáng)光華爾茲營(yíng)銷(xiāo)中心采暖。同月，一臺(tái)1. 4MW生物質(zhì)熱水鍋爐用于名陽(yáng)物業(yè)11 000m2小區(qū)采暖。
2007年12月，一臺(tái)0.5MW生物質(zhì)熱水鍋爐和一臺(tái)0. 05t/h生物質(zhì)蒸汽鍋爐共同為二道大眾洗浴提供熱源。
實(shí)際應(yīng)用表明，氣化燃燒換熱一體化生物質(zhì)鍋爐具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，環(huán)保指標(biāo)優(yōu)良，結(jié)構(gòu)新穎。另外，此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，體積和質(zhì)量大大降低，成本低廉，性能可靠。
吉林省能源利用監(jiān)測(cè)中心對(duì)WSS2.8 - 80/60 -SW生物質(zhì)氣化燃燒換熱一體化熱水鍋爐進(jìn)行了熱工性能測(cè)試，其熱效率達(dá)到82.75%；對(duì)DHSI,0 -0.7 -SW生物質(zhì)氣化燃燒換熱一體化蒸汽鍋爐進(jìn)行了測(cè)試，其熱效率達(dá)到80.8%，高于型煤鍋爐15%～ 20%。
吉林省環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)站進(jìn)行了環(huán)境監(jiān)測(cè)．其檢測(cè)結(jié)果為：WSS2.8 - 80/60 - SW生物質(zhì)氣化燃燒換熱一體化熱水鍋爐的煙氣林格曼黑度接近O級(jí)，原始出口煙塵濃度為61.8 mg/Nm3．二氧化硫濃度接近Omg/Nm3，氮氧化物331mg/Nm3；DHS1.0 -0.7- SW生物質(zhì)氣化燃燒換熱一體化蒸汽鍋爐的煙氣林格曼黑度接近0級(jí)，原始出口煙塵濃度65,4 mg/Nm3，二氧化硫濃度6mg/Nm3，氮氧化物97mg／Nm3，環(huán)境指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家鍋爐大氣排放污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。
吉林省僅玉米秸稈每年產(chǎn)量就為3000萬(wàn)t，其熱值比型煤熱值高，大約在16 500kj/kg。玉米秸稈收購(gòu)價(jià)約為70元／t，成型燃料價(jià)格在350元／t，而型煤的價(jià)格已經(jīng)上漲到420元／t。長(zhǎng)春市內(nèi)每年用型煤量為70萬(wàn)t，如改用玉米秸稈成型燃料可節(jié)省燃料費(fèi)約4 900萬(wàn)元。吉林省是農(nóng)業(yè)大省，生物質(zhì)能過(guò)剩，而煤炭短缺。本文的生物質(zhì)復(fù)合燃燒氣化換熱一體化鍋爐制造成本低于型煤鍋爐，節(jié)能15%～20%以上，壽命長(zhǎng)5倍，而且沒(méi)有型煤鍋爐的煤渣污染，其灰渣能夠還田改良土壤，保持生態(tài)平衡。
農(nóng)作物秸稈其實(shí)也是一種很好的資源，如果可以其中回收經(jīng)秸稈粉碎機(jī)粉碎然后再經(jīng)過(guò)秸稈壓塊機(jī)、秸稈顆粒機(jī)、飼料顆粒機(jī)壓制成生物質(zhì)燃料飼料供燃燒和牲畜食用不是也是一個(gè)兩全其美的方法么，而且，如果拿到外面銷(xiāo)售老百姓也可以增加收入。
5、結(jié)論
1)本文對(duì)氣化燃燒換熱一體化生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，研究成果具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性。建立了該形式生物質(zhì)鍋爐的數(shù)學(xué)模型，編制了優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。
2)利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，研制出數(shù)種規(guī)格的樣機(jī)。其機(jī)型具有結(jié)構(gòu)新穎、高效節(jié)能、大氣排放指標(biāo)低和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。
3)經(jīng)吉林省科學(xué)技術(shù)信息研究所查新表明，其結(jié)構(gòu)屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，現(xiàn)已獲得兩項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利。
4)經(jīng)吉林省能源利用檢測(cè)中心熱工檢測(cè)和吉林省環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)站環(huán)保測(cè)試的結(jié)果表明，樣機(jī)各。項(xiàng)指標(biāo)已超過(guò)國(guó)內(nèi)其它類(lèi)型生物質(zhì)鍋爐的指標(biāo)，特別是與當(dāng)前市場(chǎng)上環(huán)保型煤鍋爐相比，其優(yōu)點(diǎn)：一是更加優(yōu)異的環(huán)保指標(biāo)，優(yōu)于型煤鍋爐；二是突出的節(jié)能效果，節(jié)能可達(dá)20%；三是更加低廉的燃料價(jià)格；四是上溫（氣）快、出力大；五是無(wú)低溫腐蝕，壽命大大延長(zhǎng)；六是爐灰變寶。
綜上所述，本文論述的生物質(zhì)鍋爐符合國(guó)家的能源政策和環(huán)保政策，推廣應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。
三門(mén)峽富通新能源銷(xiāo)售生產(chǎn)生物質(zhì)鍋爐以及銷(xiāo)售生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的
木屑顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)等機(jī)械設(shè)備。
