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邵帥，曹有為，李欣，奚嘉強
（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150040）
摘要：開發利用現有的生物質資源，既是能源經濟發展的迫切需要，也是實施可持續發展的需要。介紹了生物質鍋爐的分類，生物質燃料同傳統化石燃料在熱值上的差別，通過對燃生物質鍋爐與燃傳統化石燃料（煤、重油、柴油、天然氣等）鍋爐的熱效率與經濟性對比分析，生物質鍋爐經濟性僅次于燃煤鍋爐，但節能減排效益巨大，并對燃生物質鍋爐在經濟性方面的優勢做出了總結。
鍋爐是一種重要的以燃料燃燒為核心的能源轉化裝置，以煤、油、氣為代表的傳統化石燃料一直是鍋爐燃燒的主要燃料[1]。據統計，燃煤鍋爐占工業鍋爐的65.7%，燃油（氣）鍋爐占工業鍋爐的26.7%，而其他燃料鍋爐則僅占7.6%。隨著我國目前對污染治理和環境保護工作的日益重視，以及城市環保政策的不斷實施，在城市中心區和一些對環境要求比較嚴格的地區燃煤、燃油、燃氣鍋爐的數量正在不斷減少，電加熱鍋爐的數量在不斷提升，且上述幾種鍋爐還伴隨有燃料運行成本高、設備投資較大等問題。于是在此背景下，既滿足環保排放，不對環境保護治理造成過大壓力，運行成本又相對較低的燃生物質油鍋爐，在鍋爐行業中所占的比重越來越大。本文主要對燃生物質鍋爐和生物質燃料的特性做了簡要介紹，并分析了燃生物質鍋爐對比燃傳統化石燃料鍋爐在經濟方面的優勢。
1生物質鍋爐及分類
生物質鍋爐是以生物質燃料為燃料的鍋爐。生物質鍋爐可以分為臥式生物質鍋爐、立式生物質鍋爐、生物質燃氣導熱油爐、生物質蒸汽鍋爐、生物質熱水鍋爐、生物質導熱油爐等幾種[2]。按照其用途，生物質鍋爐又可以分為生物質熱能鍋爐和生物質電能鍋爐兩大類，其中前者又可以分為小型、中型以及大型三種類型。生物質熱能鍋爐和生物質電能鍋爐的工作原理基本上相同，都是通過燃燒生物質燃料來獲取能量，不同的是生物質熱能鍋爐是直接獲取熱能，而生物質電能鍋爐則是將獲得的熱能進一步轉化成了電能。
2生物質燃料與傳統化石燃料的熱值
生物質燃料是以生物質材料作為燃燒燃料，主要包括秸稈、鋸末、樹皮、果殼等農林廢棄物，一般是顆粒狀、塊狀或者棒狀等類型[3]。
2.1生物質燃料的熱值
以秸稈、木材剩余物、果殼等幾種典型農林廢棄物為代表的生物質燃料的熱值見表1。
經計算，上表所列典型生物質燃料熱值的平均值為17.35MJ/kg。
知1卡（cal）約為4.2焦耳（J），故本文用于計算的生物質燃料熱值為：17.35×1000÷4.2=4131Kcal/kg
2.2煤、重油、天然氣等燃料的熱值
由國家標準總局公布的全國主要能源折算表可知原煤、重油、柴油、天然氣、等幾種傳統化石燃料以及電力的熱值，幾種主要能源的熱值見表2。
3燃生物質鍋爐與燃傳統化石燃料爐的經濟性對比
3.1不同鍋爐的熱效率
國家市場監督管理局、國家標準化管理委員會在2020年5月29發布，將在2021年6月1日實施的《工業鍋爐能效限定值及能效等級》（GB24500-2020）中有規定鍋爐的能效等級分為1、2、3級，其中1級能效最高，在滿足工業鍋爐初始排放濃度要求的前提下，各等級工業鍋爐在額定工況下的熱效率值均應不低于規定值[4]。
本文計算以能效等級為3級（工業鍋爐最低能效等級）、蒸發量在20t/h以下的鍋爐為例來進行不同燃料鍋爐的經濟性對比分析。不同燃料鍋爐熱效率見表3。
3.2經濟性對比
（1）以20t/h的熱水鍋爐為例，計算20t熱水從0℃加熱到60℃（升溫60℃）所需的燃料成本。1kg水升溫1℃所需熱量：
Q=cmΔt=4.2×103J/Kg·℃×1kg×1℃=4.2×103J
1卡（cal）約為4.2焦耳（J），故1kg水升溫1℃需要1000卡（cal）即1大卡（Kcal）熱量。20t水升溫60℃所需熱量：
20×1000×60×1=1200000Kcal
（2）生物質燃料的熱值為4131Kcal/kg，燃生物質鍋爐的熱效率是80%，所以1kg生物質燃料燃燒實際提供的熱量是4131×80%=3304.8Kcal。目前生物質固體成型燃料的平均價格是800元/噸，故用燃生物質鍋爐將20t水從0℃加熱到60℃需要：1200000÷3304.8×0.8=290元。
3.2.1與燃煤鍋爐相比
煤的熱值為5000Kcal/kg，燃煤鍋爐的熱效率為80%，所以1kg煤燃燒實際提供的熱量是5000×80%=4000Kcal。目前煤燃料的平均價格是650元/噸，故用燃煤鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷4000×0.8=195元
燃煤鍋爐較燃生物質鍋爐節省了95元。
3.2.2與燃重油鍋爐相比
重油的熱值是10000Kcal/kg，燃重油鍋爐的熱效率是90%，所以1kg重油實際燃燒提供的熱量是10000×90%=9000Kcal。目前重油燃料的平均價格是4000元/噸，故用燃重油鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷9000×4=533元
燃生物質鍋爐較燃重油鍋爐節省了243元。
3.2.3與燃柴油鍋爐相比
柴油的熱值為10100Kcal/kg，燃煤鍋爐的熱效率為90%，所以1kg柴油燃燒實際提供的熱量是10100×90%=9090Kcal。目前煤燃料的平均價格是6500元/噸，故用燃柴油鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷9090×6.5=858元
燃生物質鍋爐較燃柴油鍋爐節省了568元。
3.2.4與燃天然氣鍋爐相比
天然氣的熱值為8500Kcal/m³，燃天然氣鍋爐的熱效率為92%，所以1m³天然氣燃燒實際提供的熱量是8500×92%=7820Kcal。目前天然氣的平均價格是3.6元/平方米，故用燃天然氣鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷7820×3.6=552元
燃生物質鍋爐較燃天然氣鍋爐節省了262元。
3.2.5與燃液化石油氣鍋爐相比
液化石油氣的熱值為12000Kcal/kg，燃液化石油氣鍋爐的熱效率為92%，所以1kg液化石油氣燃燒實際提供的熱量是12000×92%=11040Kcal。
目前液化石油氣燃料的平均價格是4200元/噸，故用燃液化石油氣鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷11040×4.2=457元
燃生物質鍋爐較燃液化石油氣鍋爐節省了167元。
3.2.6與電加熱爐相比
電的熱值為860大卡/度，電加熱爐的熱效率為97%，所以消耗1度電實際提供的熱量是860×97%=834.2Kcal。目前電的平均價格是1元/度，故用電加熱鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷834.2×1=1439元
燃生物質鍋爐較電加熱鍋爐節省了1149元。
4結束語
從上述分析可以看出：在提供相同熱量的情況下，除了燃煤鍋爐耗費的燃料費比燃生物質鍋爐低，其余燃重油、燃柴油、燃天然氣、燃液化石油氣以及電加熱爐的燃料費用都比燃生物質鍋爐高，其中又以電加熱爐燃料費最高。
長期以來，由于電力、燃油燃料的成本過高、天然氣供應短缺以及管道建設不完全等原因，限制了燃油、燃氣以及電加熱爐的發展，使得燃煤鍋爐在工業鍋爐的使用中一直占有較大的比重，但隨著我國對環境保護、節能減排等方面的愈加重視，燃煤鍋爐越來越不能適應環保的要求。因此，綠色環保且具有顯著的節能減排效益和經濟效益的生物質鍋爐必然會有巨大的發展潛力。
參考文獻：
[1]趙欽新，王云剛，梁志遠，等．工業鍋爐行業應對變局的創新思維和實踐[J]．工業鍋爐，2021（1）：1－14．
[2]武文璇，李寒松，李青，等．生物質鍋爐的發展現狀及農業中的應用[J]．農業裝備與車輛工程，2018，56（3）：81－84．
[3]張百良，任天寶，徐桂轉，等．中國固體生物質成型燃料標準體系[J]．農業工程學報，2010，26（2）：257－262．
[4]GB24500-2020，工業鍋爐能效限定值及能效等級[S]． |
