|
方增溪
(金華市特種設(shè)備檢測中心，浙江金華 321015)
摘要：近年來，由于煤炭、石油等傳統(tǒng)燃料燃燒，造成的能源安全和環(huán)境問題日益嚴(yán)重。隨著國家重視程度的提高和相關(guān)企業(yè)轉(zhuǎn)型的需要，生物質(zhì)能源已成為解決能源上述問題的關(guān)鍵。生物質(zhì)能源是通過植物通過光合作用存儲與本體內(nèi)部的太陽能，與化石燃料相比，具有產(chǎn)量大、分布范圍廣、利用方式多、氮和硫含量低、灰份含量小、熱值較低等特點。生物質(zhì)顆粒高效燃燒的鍋爐已是鍋爐行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。該文的目的，在于綜述國內(nèi)外生物質(zhì)顆粒鍋爐研究現(xiàn)狀，探究生物質(zhì)顆粒鍋爐的深化方向和研究前景，提煉存在的學(xué)術(shù)和工程問題，理清下一步研發(fā)思路。論文提出了生物質(zhì)顆粒鍋爐領(lǐng)域亟待解決的問題和可進一步研究的重點內(nèi)容，供讀者參考。
《2006年中國能源發(fā)展報告》指出，全球能源消耗約90％來自于化石能源，10％核電、水電。而中國消耗的主要能源是煤和石油。由于包括煤炭金和石油在內(nèi)的化石能源的大量使用，加劇了全球變暖等環(huán)境問題。如果能源安全和環(huán)境問題不妥善解決，到2050年，中國標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量會將會是2005年的三倍，由其產(chǎn)生的CO2排放量也將增加2.5倍。因此，尋找一種安全可靠的新能源是現(xiàn)階段亟待解決的問題。
生物質(zhì)能源是植物通過光合作用，吸收太陽能、水和CO2，生成O2和碳水化合物，并將儲存在植物體內(nèi)的一種能源。與化石燃料相比生物質(zhì)具有以下幾個特點：儲存量大，原料分布范圍廣，利用方式多；生物質(zhì)中N和S含量較低，灰份含量小，燃燒過程中NOx，SOx與灰塵的排放量較低；生物質(zhì)燃料在形成過程中吸收的CO2近似于燃燒過程中排放的CO2，CO2凈排放量近似于零；由于生物質(zhì)燃料的高含水量，其熱解性和燃燒特性相對較差；生物質(zhì)能源屬于可再生能源。因此，在鍋爐行業(yè)生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒高效燃燒的鍋爐已是鍋爐行業(yè)發(fā)展的一大趨勢。
1國內(nèi)外現(xiàn)狀和存在的問題
20世紀(jì)50年代，針對生物質(zhì)燃料的特性和燃燒方式，日本率先研制出棒狀燃料成型機及相關(guān)的燃燒設(shè)備。20世紀(jì)70年代后期，針對木質(zhì)顆粒燃料的特性，美國研制了專用的木制顆粒燃料燃燒設(shè)備。在美國和日本的研究基礎(chǔ)上，瑞典、芬蘭、丹麥等國家針對生物質(zhì)顆粒燃料，研制出顆粒成型機及其燃燒設(shè)備。目前，發(fā)達國家的生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備的研究較為成熟，并根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求進一步升級，在供熱供暖和發(fā)電等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
現(xiàn)階段，在生物質(zhì)顆粒燃料燃燒領(lǐng)域，我國將研究重點放在燃料的燃燒特性方面，但仍未建立將為系統(tǒng)的理論和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備的研究還處于起步階段。
劉圣勇在熱性能試驗、空氣流動場試驗、溫度場試驗、爐膛內(nèi)氣體濃度場試驗等試驗的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計了單、雙層爐排生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備及其性能指標(biāo)。針對上述燃燒設(shè)備，劉圣勇研究了空氣流動場、濃度場、溫度場等參數(shù)，為我國生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備的進一步發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
田宜水等針對秸稈自身的生物特性，在爐膛前后部雙燃燒室的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計了秸稈直燃熱水鍋爐燃燒室。雙燃燒室通過擋火拱分隔開，這種結(jié)構(gòu)加強秸稈和空氣、高溫?zé)煔忾g的相互混合，并延長秸稈在燃燒室內(nèi)的燃燒時間，提高燃料的燃燒度。
翟學(xué)民深入研究了甘蔗渣燃燒機理，采用分開布置燃燒室和輻射受熱面的閉式爐膛結(jié)構(gòu)，設(shè)計了適用于甘蔗渣、稻殼、樹枝、樹皮等生物質(zhì)燃料的燃燒鍋爐。這種閉式爐膛結(jié)構(gòu)不僅有利于燃料的燃燒過程，而且擁有足夠的受熱面，滿足燃燒和傳熱的雙重要求。同時，爐膛內(nèi)設(shè)置有人字型前后拱，提高了高溫?zé)煔獾妮椛洌龠M甘蔗渣燃料的燃燒速度和燃燒穩(wěn)定度。
針對木屑、樹枝、樹皮、木粉等廢料的燃燒特性，何育恒在負(fù)壓燃燒的理論基礎(chǔ)上，設(shè)計了爐膛內(nèi)含有水冷壁管的層燃鍋爐，提升了爐膛的內(nèi)部溫度，促進木屑等燃料的充分燃燒。同時，爐膛內(nèi)設(shè)有防爆門，避免木屑等燃料燃燒過程中的爆燃現(xiàn)象。
雖然我國生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展速度較快，相關(guān)燃燒技術(shù)已相對成熟。不過，針對生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒設(shè)備的發(fā)展仍無法跟上產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐，存在許多亟待解決的問題：
1)現(xiàn)有燃燒設(shè)備的自動化程度低。現(xiàn)階段國內(nèi)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備的進料系統(tǒng)大多采用人工或半自動進料，生產(chǎn)和維護成本較高，極大阻礙了生物質(zhì)顆粒燃料的推廣和應(yīng)用。同時，小型的燃燒設(shè)備的通風(fēng)方式仍以自然通風(fēng)為主，降低了燃料的燃燒程度，提高了污染物排放量。
2)燃煤鍋爐的結(jié)構(gòu)特性不適用于生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性。由于生物質(zhì)顆粒燃料是由植物轉(zhuǎn)化而來，其含水量較高、熱值低，在燃煤鍋爐中燃燒，產(chǎn)生的煙氣體積較大，排煙熱損失較高。較高的熱損失會導(dǎo)致爐膛溫度大幅度降低，直接影響燃料的燃燒效率。同時，生物質(zhì)顆粒揮發(fā)份含量高，析出速度快，加快了燃料的燃燒速度和空氣消耗，燃煤鍋爐的結(jié)構(gòu)特性會直接影響爐內(nèi)的空氣供給量，降低生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒程度，降低燃燒效率。
3)灰分沉積率高，結(jié)渣現(xiàn)象嚴(yán)重秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料中Si含量較高，變形溫度約為750—1000℃。同時，秸稈類顆粒燃料的灰分沉積速度高于木質(zhì)顆粒燃料，導(dǎo)致了前者的燃燒積灰等沉淀物較多。積灰中通常存在大量堿性成分和氯化物，會產(chǎn)生結(jié)垢、結(jié)渣等危害，影響燃燒設(shè)備的熱性能和安全。因此，設(shè)計生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備的設(shè)計過程中要充分考慮積灰等沉淀物的清理問題。
4)氯腐蝕導(dǎo)致燃燒設(shè)備的壽命降低。秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料中堿金屬、氯的含量較高。在燃料燃燒過程中，隨著煙氣溫度的降低，堿和堿金屬氯化物在飛灰顆粒或換熱器表面上冷凝并釋放出氯化物。氯化物的氧化能力較強，在高溫的租用下，腐蝕速率進一步加強，導(dǎo)致金屬損耗速率加快，傳熱效率降低。在部分腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域，甚至?xí)咕植拷饘俦砻鎲适鳠嵝阅堋Ｒ虼耍斩掝愵w粒燃料比木質(zhì)顆粒燃料更易損壞設(shè)備，對設(shè)備的材質(zhì)要求更嚴(yán)格。
2生物質(zhì)顆粒蒸汽鍋爐的發(fā)展趨勢
國外生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒設(shè)備具有排放量低、燃燒效率高、自動化程度高等優(yōu)點，并已在供暖、發(fā)電等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。相比之下，我國生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備仍處于研究開發(fā)階段，存在積灰結(jié)渣嚴(yán)重、燃料適應(yīng)性差、污染物排放高、自動化程度低等亟待解決的問題。
隨著我國對能源安全和環(huán)境問題重視程度的提高，生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)的深人發(fā)展，生物質(zhì)顆粒燃料的應(yīng)用將越來越廣泛。因此，與生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒技術(shù)相配套的、適應(yīng)我國國情的燃燒設(shè)備是現(xiàn)階段我國生物質(zhì)顆粒領(lǐng)域大的研究重點，主要有以下幾個研究方向：
1)針對現(xiàn)有設(shè)備存在容易燒料斗的問題，通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，來避免燒料斗現(xiàn)象的發(fā)生。
2)針對現(xiàn)有設(shè)備存在生物質(zhì)顆粒燃料在燃燒過程中排煙熱損失較高，以及生物質(zhì)顆粒燃料燃燒不充分的問題，優(yōu)化進氣方式，提高進氣溫度。
3)針對現(xiàn)有燃燒設(shè)備積灰結(jié)渣嚴(yán)重等問題，優(yōu)化燃燒設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，降低積灰結(jié)渣程度，提高燃料適應(yīng)性。
4)針對現(xiàn)有燃燒設(shè)備自動化程度較低的問題，設(shè)計自動進料系統(tǒng)和實時監(jiān)控系統(tǒng)，并引入污染物控制技術(shù)，監(jiān)控燃燒設(shè)備內(nèi)部溫度、氣體濃度等變化，適時調(diào)整燃燒參數(shù)，降低污染物排放，提高燃燒效率。
參考文獻
[1]耿春梅，陳建華，王歆華.生物質(zhì)鍋爐與燃煤鍋爐顆粒物排放特征比較[J].環(huán)境科學(xué)研究，2013.6，26(2).
[2]劉圣勇，劉小二，王森，等.II型生物質(zhì)成型燃料鍋爐的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，(12)：100-104.
[3]羅娟，侯書林，趙立欣，等.生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備的研究進展[J].可再生能源，2009，27(6)：90-95.
[4]任敏娜.典型生物質(zhì)顆粒燃料點火和燃燒特性的實驗研究[D].山東建筑大學(xué)，2012.
[5]黃波.生物質(zhì)成型燃料應(yīng)用于取暖爐的燃燒特性實驗研究[D].中南大學(xué)，2011.
[6]孫康，陳超，許玉，等.秸稈成型燃料鍋爐燃燒機設(shè)計及試驗研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2014，(6)：93-99.
[7]鄭凱軒.4t／h生物質(zhì)成型燃料機燒爐爐膛及爐排的設(shè)計與研究[D].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013. |
