武文璇，李寒松，李青，孔凡祝

（250131，山東省，濟南市，山東省農業機械科學研究院）

　　[摘要]介紹了生物質鍋爐的發展現狀，包括生物質鍋爐常見的燃燒方式及特點、各種燃燒技術的國內外應用現狀以及生物質鍋爐存在的問題。對生物質鍋爐的應用特別是在農業中的應用做了介紹。

　　0引言

　　我國作為一個農業大國，每年都會產生十幾億噸的農作物秸稈以及可再開發利用的薪柴和林業廢棄物，其中無法處理的剩余農作物秸稈在田間焚燒的要超過幾億噸，造成了嚴重的空氣污染和資源浪費，若能合理轉化利用這些生物質能源，將有效緩解能源緊張的問題。目前應用最普遍也最簡便的轉化技術就是將生物質直接燃燒轉化為熱能，因此不斷研究開發高效的生物質燃燒技術以及相適應的生物質鍋爐具有重要意義。通過生物質鍋爐合理利用農業中產生的大量生物質能源，將會取得巨大的社會經濟效益。本文主要介紹生物質鍋爐的發展現狀，同時對生物質鍋爐的應用特別是在農業方面的應用做了簡要介紹。

　　1生物質鍋爐及生物質鍋爐的分類

　　生物質鍋爐是以生物質能源做為燃料的鍋爐，分為生物質蒸汽鍋爐、生物質熱水鍋爐、生物質熱風爐、生物質導熱油爐等。

　　按照用途，生物質鍋爐可分為兩類：生物質熱能鍋爐和生物質電能鍋爐，二者都是通過生物質燃料燃燒獲取能量。生物質熱能鍋爐直接獲取熱能，而生物質電能鍋爐又將熱能轉化成了電能。在這兩種鍋爐中，生物質熱能鍋爐應用最廣泛且技術比較成熟。

　　2生物質鍋爐的發展現狀

　　生物質種類復雜，有林業廢棄物還有農作物廢棄物，不同種類生物質之間形態、組分、物性和燃燒性能各不相同，很難找到一種燃燒方式可以滿足各種生物質燃燒需要滿足的條件^[1]。因此需要根據不同種類生物質燃料的燃燒特性選擇不同的燃燒技術，并研制相應的燃燒設備。

　　2.1生物質鍋爐常見燃燒方式及特點

　　生物質鍋爐常見的燃燒方式有：層狀燃燒、浮懸燃燒、流化床燃燒。

　　2.1.1層狀燃燒

　　層狀燃燒是目前生物質鍋爐應用最為廣泛的一種燃燒方式，是指生物質燃料鋪在爐排上形成層狀進行燃燒，常采用鏈條爐或往復推飼爐排爐，小型鍋爐常采用固定爐排^[2]。層狀燃燒適合大顆粒及塊狀生物質燃燒，對于細小的生物質燃料，容易從爐排間隙中漏下或被爐排下的一次風吹起，不適合在爐排上單獨燃燒，一般將其壓制成成型生物質燃料，然后再進行燃燒。

　　2.1.2浮懸燃燒

　　浮懸燃燒適合細小而又干燥的生物質燃料。利用高壓風機將細小的生物質燃料通過管道噴入爐膛進行浮懸燃燒，燃燒效率可達98%以上，包括揮發分和固定碳都可以充分燃燒，徹底解決燃燒生物質燃料冒黑煙的問題，但排放的煙氣中飛灰濃度大于層燃爐，需要對煙氣進行除塵處理。生物質在浮懸燃燒時，爐子一旦熄火，容易發生爆燃，需要安裝火焰探測或爐溫探測裝置，在爐子熄火時立即中斷供料或立即點火，同時還需要增加防爆裝置。

　　2.1.3流化床燃燒

　　流化床燃燒是介于層燃和浮懸燃燒之間的一種燃燒方式，指燃料在流化床內處于流化狀態進行燃燒反應和熱交換。對于水分含量比較高的生物質燃料，適合采用流化床技術，利用砂子、高鋁磚屑等作為流化介質，形成蓄熱量大、溫度高的床層，為高水分的生物質燃料提供適宜的著火條件。床層劇烈的傳熱過程以及燃料可以在床內長時間停留，有利于生物質的完全燃燒，提高燃燒效率。但是，流化床對燃料的顆粒度有嚴格要求，因此需要對生物質進行干燥、粉碎等一系列預處理，使得顆粒均勻，以保證生物質燃料的正常流化。

　　2.2生物質鍋爐燃燒技術的現狀

　　2.2.1層燃燃燒技術現狀

　　生物質層燃技術被廣泛應用于農林廢棄物的開發利用。由于層燃技術適合塊狀、大顆粒燃料，為了提高該技術的適應性，各國開始研制生物質燃料成型設備。美國在20世紀30年代就開始研究生物質燃料成型技術及燃燒技術^[3]，并研制出了螺旋壓縮機及相應的燃燒設備。同一時期，日本開始研究機械活塞式成型技術，并于1954年研制出棒狀燃料成型機及相關的燃燒設備。20世紀70年代后期，西歐的一些國家如芬蘭、德國、法國、意大利等國家也開始研究壓縮成型技術和燃燒技術，并先后有了各類成型機及配套的燃燒設備。我國生物質成型燃料技術始于20世紀80年代中期，到目前已達到了一定的工業化生產規模。

　　丹麥早在20世紀70年代就將生物質作為本國的主要能源，且在生物質燃燒方面做了很多工作。丹麥研制出了一種專門燃燒秸稈捆的生物質層燃鍋爐，因為秸稈本身的燃燒特性決定不適合層燃，因此需要先打捆后再進行燃燒。該鍋爐燃燒時首先將秸稈捆傳送至料箱中，待預熱室的爐門打開后，秸稈捆進入預熱室并被已燃燒的燃料點燃，空氣量的大小根據煙氣溫度和濃度進行調節，然后傳輸裝置將正在燃燒的秸稈捆向前運送直至送出灰室。針對秸稈的燃燒特性，我國技術人員設計了一種生物質鍋爐具有兩個燃燒室，一個為主，一個為輔。主燃燒室放置于爐膛前部，輔燃燒室設置于爐膛后部，中間由擋火拱分開。

　　這樣可以使秸稈與高溫煙氣相互混合，延長了燃料的燃燒時間，使秸稈得到充分燃燒，提高熱效率。利用甘蔗渣作為生物質燃料的試驗在我國廣西取得成功，但燃燒純甘蔗渣會降低鍋爐的熱效率。針對甘蔗渣的燃燒特性，翟學民^[4]研制出一種閉式爐膛結構的甘蔗渣鍋爐，使得甘蔗渣在爐內進行半層燃半浮懸燃燒。在爐膛內設置人字形前后拱，通過前后拱的相互配合加強高溫煙氣對甘蔗渣的熱輻射，從而有助于甘蔗渣的穩定燃燒。

　　類似于甘蔗渣的稻殼、樹皮等生物質燃料也可用該鍋爐進行燃燒。何育恒^[5]開發了一種層燃鍋爐，主要燃燒木屑、木粉、樹皮等廢料。該鍋爐前墻和爐壁有少量水冷壁管來保證爐膛的溫度，有利于燃燒充分；為防止木粉爆燃，增加了防爆門。鍋爐內為負壓燃燒，防止燃燒時向爐外噴火，該鍋爐已經試驗成功并取得了良好的效果。

　　2.2.2浮懸燃燒技術現狀

　　浮懸燃燒方式主要適用于細小生物質燃料的燃燒。

　　南京林業大學研發了一種旋風燃燒爐，主要適用于燃燒散碎木廢料。該燃燒爐由一次燃燒室和二次燃燒室組成，鼓風機將散碎木粉料經由壓氣管向下噴入主燃燒室，3對噴氣管沿爐體圓周切向分布向爐膛內噴射空氣，使得木粉燃料呈螺旋式旋轉，以得到充分燃燒。二次燃燒室圓周切向也設有噴氣管，以推動氣流繼續旋轉。在出口處設有扼流圈，阻擋未燒完的火星。

　　華中科技大學也研制出一種立式雙回旋燃燒爐，主要用來燃燒生物質粉體，燃燒時，需先用粉碎機將農業廢棄物粉碎成粉體。由進料裝置將粉碎后的粉體噴入爐中進行燃燒。一次風為輸料進風，與粉體均勻混合形成風粉氣流；二次風沿爐壁切向進入，形成回旋氣流。該裝置極大地提高了爐內燃燒溫度和燃燒效率，同時也減輕了結渣腐蝕等對燃燒產生的不利影響。

　　2.2.3流化床燃燒技術現狀

　　含高水分生物質燃料適合流化床燃燒技術進行燃燒。與其他燃燒技術比起來，流化床燃燒技術在替代燃料、處理各種廢棄物和保護環境等方面具有無可比擬的獨特優勢，因此這種燃燒技術漸漸受到關注。

　　從20世紀80年代開始，用流化床燃燒技術處理生物質開始流行起來，到80年代末，美國率先開發出燃燒廢木料的大型流化床鍋爐，隨后，瑞典、丹麥等國也都開發出燃燒林業廢棄物的大型鍋爐。盡管林業廢棄物含水率高達50%~60%，但是鍋爐的熱效率可達到80%，燃燒效率可以超過99%。這些流化床鍋爐都是以燃燒林業廢棄物為主的流化床鍋爐。在此基礎上，各國也對各種農業廢棄物生物質燃料用流化床燃燒技術燃燒做了大量研究，包括秸稈、稻殼、果核、橄欖餅、甘蔗渣、向日葵莖稈^[6]等。

　　在20世紀80年代末，我國哈爾濱工業大學與鍋爐制造企業合作，研制出了多種流化床鍋爐，可以分別燃燒甘蔗渣、稻殼、碎木屑等多種生物質燃料，鍋爐出力充分，低負荷運行穩定，熱效率高達80％以上。劉皓、黃琳^[7]等設計出以流化床燃燒方式為主，以懸浮燃燒和固定床燃燒為輔的組合燃燒式流化床鍋爐來燃燒稻殼，采用三段組合燃燒以及四段送風方式有利于燃料流化性能好，燃燒穩定充分，不易結焦。

　　3生物質鍋爐存在的問題

　　生物質鍋爐具有燃燒效率高、污染排放少、燃燒剩余物可用于改善土壤，生物質資源可再生，保護生態環境等優點，但在實際使用中也存在不少問題。

　　3.1沾污與腐蝕

　　目前市面上的生物質鍋爐都存在受熱面積灰、過熱器結渣和沾污的問題。積灰主要是由于生物質中含有較多的堿性物質，在高溫燃燒環境下，堿性物質極易與相關無機元素在爐膛內形成熔渣或以蒸汽和飛灰顆粒的形式附著于受熱面，影響鍋爐的熱效率，甚至局部傳熱面會被沾污覆蓋而失去傳熱性能。

　　跟燃煤鍋爐一樣，生物質鍋爐也存在腐蝕的問題^[8]，與燃煤鍋爐有所區別的是生物質鍋爐的腐蝕主要以氯腐蝕為主，且腐蝕率隨蒸汽溫度的升高而不斷升高。腐蝕發生的位置一般在過熱器的受熱面上。

　　3.2生物質鍋爐結渣

　　在燃燒生物質的鍋爐中還有一個比較嚴重的問題便是結渣的問題，一旦出現結渣便會影響燃料燃燒的充分性，降低熱效率。特別是在流化床燃燒方式中^[9]，生物質中的堿性元素（主要是鈉和鉀）與床料中的石英砂發生反應，形成低溫共熔混合物粘附在沙子表面，形成結渣，因此需要在床料中增加惰性添加劑來減少結渣的形成。

　　3.3有害氣體的排放

　　雖然生物質燃料相對于化石燃料是比較清潔的，但在燃燒后排放的廢氣中仍可以監測到SO₂氣體和HCL氣體，而且HCL氣體的排放量遠高于煤的燃燒，這主要因為生物質中的高氯含量。這些排放物容易與生物質中的鉀元素反應形成氣溶膠，對空氣造成污染，可以在排煙口增加煙氣凈化器來減少污染。

　　3.4熱能損失

　　生物質鍋爐燃燒中的熱損失主要為煙氣熱損失，大量煙氣熱量經煙囪排出，容積熱煙氣的損失極大地降低了生物質鍋爐的效率。造成煙氣熱損失的原因為生物質燃料含有較多水分，水分含量高的生物質燃料進入爐子后需要用更高的干燥溫度和更長的干燥時間來降低含水量，水分含量越大，生物質低位發熱量就越低。所以，燃燒含水量較高的生物質燃料時，爐內溫度場較低，燃燒比較困難，較多的水分也增加了煙氣體積，使得排煙熱損失增加。

　　為了減少生物質鍋爐燃燒中的熱損失，可以合理選擇相應的燃燒方式，使得燃燒充分，在鍋爐的尾氣出口增加余熱回收裝置，提高生物質鍋爐的熱效率。

　　4生物質鍋爐的應用及在農業中的應用探討

　　4.1生物質鍋爐的應用

　　生物質鍋爐主要分為熱能鍋爐和電能鍋爐，目前生物質熱能鍋爐應用較為廣泛，且技術和產品也比較成熟。生物質電能鍋爐的發展也取得了不小的進步，而且國家也頒布了鼓勵生物質發電的各項政策。根據國家相關發展規劃，到2020年我國生物質發電裝機總容量將達到3000萬kW。

　　市面上常見的生物質熱能鍋爐多是中小型生物質熱能鍋爐。小型生物質鍋爐使用固化或氣化的生物質燃料，提供熱水形式的熱能，適用于家庭做飯取暖和生活熱水的供給。中型生物質熱能鍋爐主要使用固化生物質燃料，提供熱水或蒸汽以及暖風，廣泛適用于酒店、賓館、洗浴中心、公寓、辦公樓、學校及企事業單位的供暖和熱水提供，還可用于涂料、木材、砂石、皮革、陶瓷、紙品、食品、糧食等烘干以及服裝廠熨燙、洗滌廠烘干等等。大型生物質熱能鍋爐由于對燃料、燃燒技術、配套技術、相關政策要求很高，因此并沒有實際產品，僅作為熱能工程的一個設備來保證整個生物質熱能工程的正常運行，需要國家出臺相關的政策進行集中管理、集中控制。

　　4.2生物質鍋爐在農業生產中的應用探究

　　生物質鍋爐的燃料主要來源是農業廢棄物，若將這些廢棄物再加以利用直接用于農業生產，將會節約一部分額外成本，提高農業生產效率，減少一大筆運輸費用，減少采購化學燃料的費用，減少了環境污染，節約空間，燃燒剩余物可直接當做肥料。

　　生物質鍋爐在農業生產中的應用舉例：

　　（1）可用于糧食、飼料、谷物、煙葉、茶葉等農作物烘干，提供暖風熱源。

　　（2）可用作溫室大棚以及供暖工程，比如大棚葡萄，利用葡萄枝作為生物質燃料保持棚內溫度。

　　（3）可用于食用菌生產用鍋爐，用于食用菌的滅菌、栽培和養殖。

　　（4）可用于畜禽養殖雞舍、豬舍、水產養殖等加溫工作。

　　（5）利用生物質鍋爐發電，解決偏遠地區在農業生產中用電困難的問題。

　　總之，隨著生物質燃燒技術的不斷發展及相適應的鍋爐不斷被研發，生物質鍋爐在農業生產中一定會有更廣泛的用途。

　　5結論

　　我國生物質燃燒技術已經取得較大突破，并且不斷有新爐問世，然而生物質燃料及生物質鍋爐還存在一些問題需要解決。比如生物質種類復雜，不同種類生物質之間形態、組分、物性和燃燒性能各不相同，無法找到一種統一的燃燒方式，需要根據不同種類生物質燃料的燃燒特性，開發不同類型的燃燒技術，并研制相應的燃燒設備。由于生物質的燃燒特性，對生物質燃燒鍋爐實際使用中也產生一定的影響，包括沾污、腐蝕、結渣以及有害氣體的排放等，還需要進一步想辦法解決。另外，生物質鍋爐的應用前景還有非常廣闊的空間等著我們去探索。總之，在生物質鍋爐研發應用方面，我們還有很多工作需要去做。

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