目前，能源和環(huán)境問題已成為全球關注的焦點，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源，但是隨著化石能源的日益枯竭和環(huán)境問題的日趨嚴重，開發(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．可儲存和運輸?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能通過光合作用儲存在植物體內(nèi)的自然資源，它是太陽能的一種廉價儲存方式。利用生物質(zhì)能的排放量不會超過其生長期間所吸收的碳量，能實現(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。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，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、污染大等問題。我國農(nóng)村的秸稈是重要的生物質(zhì)資源，秸稈燃燒值約為標準煤的55%。我國每年可生產(chǎn)農(nóng)作物秸稈7億t多，如全部用來燃燒，可折合約4億t標準煤的熱值。生物質(zhì)燃料的優(yōu)勢為：生物質(zhì)的熱值與我國一些地區(qū)的層燃爐用煤相當（約16500kj/kg）。生物質(zhì)主含揮發(fā)分，對秸稈和稻殼的熱重分析結(jié)果表明：揮發(fā)分含量高達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，可稱之為綠色能源。由于生物質(zhì)原料價格低廉，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格優(yōu)勢，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、技術分析
國際上對生物質(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)電和動力使用。而在目前的各種代替方式中，液化成本還過高，技術也不成熟；菌解氣化的沼氣在我國農(nóng)村（如四川、江蘇等地）已較為廣泛地應用，其研究開發(fā)利用水平居世界前列，但沼氣的大規(guī)模開發(fā)應用還存在解決不了的技術經(jīng)濟問題；熱解氣化技術在我國一些地方（如山東、河南等地）也開展了很多年，并取得可喜的成績。以熱解氣化方式實現(xiàn)低質(zhì)生物質(zhì)原料的高檔次利用，其社會效益主要是使農(nóng)民用上方便清潔的氣體燃料，生活方式發(fā)生較大進步，從而提高生活舒適文明程度，節(jié)省用于炊事的勞動量和時間，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、技術不過關等問題，只用于小規(guī)模炊事用氣，還不能工業(yè)化。目前，在技術經(jīng)濟上最為可行的生物質(zhì)能利用技術為生物質(zhì)能成型燃料技術，加之氣化燃燒。
20世紀30年代開始，許多發(fā)達國家（如美國、日本、芬蘭）都投入了大量人力和物力來研究生物質(zhì)成型技術及木質(zhì)成型燃料；80年代后，技術日趨成熟，形成了一定規(guī)模；90年代，日本、美國及歐洲一些國家生物質(zhì)木質(zhì)顆粒燃料燃燒設備已經(jīng)定型，并形成了產(chǎn)業(yè)化，在加熱、供暖、干燥等領域已推廣應用。我國的生物質(zhì)燃料以農(nóng)作物秸稈為主，因此國外的經(jīng)驗不適合我國國情。
目前，制約我國生物質(zhì)燃料成型燃料推廣應用的關鍵問題是還沒有與之相適應的燃燒設備。我國在生物質(zhì)成型燃料燃燒方面的研究較少，關于生物質(zhì)成型燃料燃燒設備的研究、設計及制造遠不能滿足日益增長的需求。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備改造成生物質(zhì)成型燃料燃燒設備，但改造后的設備不符合生物質(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，實驗研究來開發(fā)設計合理的燃燒設備及換熱設備是非常重要和迫切的課題，這對于推廣生物質(zhì)能的利用工作意義重大。
本文的目的是開發(fā)出結(jié)構(gòu)全新、環(huán)保指標與燃油鍋爐接近、高效節(jié)能、運行費用低、出力大和容量大的新一代生物質(zhì)鍋爐。
2、基礎實驗與研究
2.1 燃燒特性實驗研究
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，諸如著火過程、熱解氣化過程、燃燒速率等燃燒特性。
2.2鍋爐模擬實驗研究
此研究模擬實際的鍋爐，在模擬實驗臺上進行燃燒、傳熱及排放性能的實驗，最后得到具有實際價值的結(jié)果，作為優(yōu)化設計的依據(jù)。
2.3優(yōu)化設計模型和計算機優(yōu)化程序
建立合理的數(shù)學模型，編寫完整嚴謹?shù)膬?yōu)化算法，并將優(yōu)化思想靈活地應用在程序設計之中。開發(fā)的軟件界面可視化效果好，人機對話窗口操作簡單，使得設計人員在幾分鐘內(nèi)就可以完成在以前幾個星期都難以完成的計算，而且得到是經(jīng)過比較的最優(yōu)設計結(jié)果。這就大大縮短了鍋爐新型開發(fā)的周期，提高了設計的質(zhì)量。
通過設計參數(shù)和實驗結(jié)果的比較分析，得出優(yōu)化設計軟件的設計結(jié)果，為實際設計提供參考和依據(jù)。
3、結(jié)構(gòu)及設計特點
力求研制出新一代的高效節(jié)能潔凈燃燒生物質(zhì)鍋爐。通過詳盡地調(diào)研國外類似的裝置，找出其不足，確定目標。項目目標：一是高熱效率；二是低大氣排放指標；三是創(chuàng)新的燃燒方式及結(jié)構(gòu)；四是改進的換熱結(jié)構(gòu)；五是低制造成本。
3.1技術難點
為了實現(xiàn)生物質(zhì)燃料持續(xù)穩(wěn)定、高效潔凈燃燒的目標，針對此類燃料特點，解決配風、爐內(nèi)消煙除塵結(jié)構(gòu)、對流換熱面的結(jié)渣以及高效傳熱等問題。
3.2技術關鍵
設計獨特的雙燃燒室結(jié)構(gòu)，采用氣化燃燒復合形式；采用燃燼、降塵、凝渣及輻射傳熱的組合結(jié)構(gòu)；以優(yōu)化配風控制不同工況的燃燒供氧需求；設計高強化對流換熱面。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，主要應用在供熱場合。
經(jīng)過4輪試制與改進，確定基本結(jié)構(gòu)為三室結(jié)構(gòu)，研制出氣化復合燃燒、強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)燃氣。在底部下吸式結(jié)構(gòu)里，生物質(zhì)燃氣被濾清凈化，然后進入氣相燃燒室，實現(xiàn)均相動力燃燒。氣相燃燒室尾部采用了旋流結(jié)構(gòu)，使燃氣火焰得到充分擾流，從而促進燃燒完全。
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)，達到潔凈燃燒及輻射換熱的雙重效果。，
經(jīng)過計算機優(yōu)化設計，得到高強化傳熱、低流動阻力的優(yōu)化對流換熱面。實踐表明，新型復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。
4、樣機實驗及應用推廣
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，介紹其性能指標及設計計算。
為了便于計算機編程，筆者將物性參數(shù)、燃燒計算圖表和傳熱計算圖表等都在計算機上整理成解析式。設計計算的原始參數(shù)及計算結(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
設計熱效率/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級水管管束受熱面移/m2：47.9
第2級水管管束受熱面積/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院城建學院的生活用汽，替代了原來的2Uh型煤蒸汽鍋爐；同年IO月，兩臺2.8MW氣化燃燒換熱一體化生物質(zhì)熱水鍋爐投產(chǎn)；11月，在長春國際家具博覽中心（吉盛偉邦）投入運行，其采暖面積為44 000cri2。
2007年11月，一臺0.06MW生物質(zhì)熱水鍋爐用于陽光華爾茲營銷中心采暖。同月，一臺1. 4MW生物質(zhì)熱水鍋爐用于名陽物業(yè)11 000m2小區(qū)采暖。
2007年12月，一臺0.5MW生物質(zhì)熱水鍋爐和一臺0. 05t/h生物質(zhì)蒸汽鍋爐共同為二道大眾洗浴提供熱源。
實際應用表明，氣化燃燒換熱一體化生物質(zhì)鍋爐具有一系列獨特的優(yōu)點，環(huán)保指標優(yōu)良，結(jié)構(gòu)新穎。另外，此裝置結(jié)構(gòu)簡單，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)測中心對WSS2.8 - 80/60 -SW生物質(zhì)氣化燃燒換熱一體化熱水鍋爐進行了熱工性能測試，其熱效率達到82.75%；對DHSI,0 -0.7 -SW生物質(zhì)氣化燃燒換熱一體化蒸汽鍋爐進行了測試，其熱效率達到80.8%，高于型煤鍋爐15%～ 20%。
吉林省環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量檢驗站進行了環(huán)境監(jiān)測．其檢測結(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，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，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)境指標遠優(yōu)于國家鍋爐大氣排放污染物排放標準。
吉林省僅玉米秸稈每年產(chǎn)量就為3000萬t，其熱值比型煤熱值高，大約在16 500kj/kg。玉米秸稈收購價約為70元／t，成型燃料價格在350元／t，而型煤的價格已經(jīng)上漲到420元／t。長春市內(nèi)每年用型煤量為70萬t，如改用玉米秸稈成型燃料可節(jié)省燃料費約4 900萬元。吉林省是農(nóng)業(yè)大省，生物質(zhì)能過剩，而煤炭短缺。本文的生物質(zhì)復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5倍，而且沒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)作物秸稈其實也是一種很好的資源，如果可以其中回收經(jīng)秸稈粉碎機粉碎然后再經(jīng)過秸稈壓塊機、秸稈顆粒機、飼料顆粒機壓制成生物質(zhì)燃料飼料供燃燒和牲畜食用不是也是一個兩全其美的方法么，而且，如果拿到外面銷售老百姓也可以增加收入。
5、結(jié)論
1)本文對氣化燃燒換熱一體化生物質(zhì)鍋爐進行了基礎性研究，研究成果具有一定的創(chuàng)新性和實用性。建立了該形式生物質(zhì)鍋爐的數(shù)學模型，編制了優(yōu)化設計程序。
2)利用計算機優(yōu)化設計設計軟件進行了設計計算，研制出數(shù)種規(guī)格的樣機。其機型具有結(jié)構(gòu)新穎、高效節(jié)能、大氣排放指標低和價格低廉等特點。
3)經(jīng)吉林省科學技術信息研究所查新表明，其結(jié)構(gòu)屬于國內(nèi)首創(chuàng)，現(xiàn)已獲得兩項國家專利。
4)經(jīng)吉林省能源利用檢測中心熱工檢測和吉林省環(huán)保產(chǎn)品質(zhì)量檢驗站環(huán)保測試的結(jié)果表明，樣機各。項指標已超過國內(nèi)其它類型生物質(zhì)鍋爐的指標，特別是與當前市場上環(huán)保型煤鍋爐相比，其優(yōu)點：一是更加優(yōu)異的環(huán)保指標，優(yōu)于型煤鍋爐；二是突出的節(jié)能效果，節(jié)能可達20%；三是更加低廉的燃料價格；四是上溫（氣）快、出力大；五是無低溫腐蝕，壽命大大延長；六是爐灰變寶。
綜上所述，本文論述的生物質(zhì)鍋爐符合國家的能源政策和環(huán)保政策，推廣應用前景廣闊，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。
三門峽富通新能源銷售生產(chǎn)生物質(zhì)鍋爐以及銷售生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的木屑顆粒機、秸稈壓塊機等機械設備。
