方增溪
摘要: 近年来, 由于煤炭, 石油等传统燃料燃烧, 造成的能源安全和环境问题日益严重. 随着国家重视程度的提高和相关企业转型的需要, 生物质能源已成为解决能源上述问题的关键. 生物质能源是通过植物通过光合作用存储与本体内部的太阳能, 与化石燃料相比, 具有产量大, 分布范围广, 利用方式多, 氮和硫含量低, 灰份含量小, 热值较低等特点. 生物质颗粒高效燃烧的锅炉已是锅炉行业发展的必然趋势. 该文的目的, 在于综述国内外生物质颗粒锅炉研究现状, 探究生物质颗粒锅炉的深化方向和研究前景, 提炼存在的学术和工程问题, 理清下一步研发思路. 论文提出了生物质颗粒锅炉领域亟待解决的问题和可进一步研究的重点内容, 供读者参考.
《2006年中国能源发展报告》指出, 全球能源消耗约90% 来自于化石能源, 10% 核电, 水电. 而中国消耗的主要能源是煤和石油. 由于包括煤炭金和石油在内的化石能源的大量使用, 加剧了全球变暖等环境问题. 如果能源安全和环境问题不妥善解决, 到2050年, 中国标准煤的消耗量会将会是2005年的三倍, 由其产生的CO 2排放量也将增加2.5倍. 因此, 寻找一种安全可靠的新能源是现阶段亟待解决的问题.
生物质能源是植物通过光合作用, 吸收太阳能, 水和CO 2, 生成O 2和碳水化合物, 并将储存在植物体内的一种能源. 与化石燃料相比生物质具有以下几个特点: 储存量大, 原料分布范围广, 利用方式多; 生物质中N和S含量较低, 灰份含量小, 燃烧过程中NO x, SO x与灰尘的排放量较低; 生物质燃料在形成过程中吸收的CO 2近似于燃烧过程中排放的CO 2, CO 2净排放量近似于零; 由于生物质燃料的高含水量, 其热解性和燃烧特性相对较差; 生物质能源属于可再生能源. 因此, 在锅炉行业生产生物质颗粒高效燃烧的锅炉已是锅炉行业发展的一大趋势.
1国内外现状和存在的问题
20世纪50年代, 针对生物质燃料的特性和燃烧方式, 日本率先研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备. 20世纪70年代后期, 针对木质颗粒燃料的特性, 美国研制了专用的木制颗粒燃料燃烧设备. 在美国和日本的研究基础上, 瑞典, 芬兰, 丹麦等国家针对生物质颗粒燃料, 研制出颗粒成型机及其燃烧设备. 目前, 发达国家的生物质燃料燃烧设备的研究较为成熟, 并根据产业需求进一步升级, 在供热供暖和发电等领域实现产业化.
现阶段, 在生物质颗粒燃料燃烧领域, 我国将研究重点放在燃料的燃烧特性方面, 但仍未建立将为系统的理论和相关标准. 而生物质燃料燃烧设备的研究还处于起步阶段.
刘圣勇在热性能试验, 空气流动场试验, 温度场试验, 炉膛内气体浓度场试验等试验的基础上, 自主设计了单, 双层炉排生物质成型燃料燃烧设备及其性能指标. 针对上述燃烧设备, 刘圣勇研究了空气流动场, 浓度场, 温度场等参数, 为我国生物质颗粒燃料燃烧设备的进一步发展奠定了理论基础.
田宜水等针对秸秆自身的生物特性, 在炉膛前后部双燃烧室的结构基础上, 设计了秸秆直燃热水锅炉燃烧室. 双燃烧室通过挡火拱分隔开, 这种结构加强秸秆和空气, 高温烟气间的相互混合, 并延长秸秆在燃烧室内的燃烧时间, 提高燃料的燃烧度.
翟学民深入研究了甘蔗渣燃烧机理, 采用分开布置燃烧室和辐射受热面的闭式炉膛结构, 设计了适用于甘蔗渣, 稻壳, 树枝, 树皮等生物质燃料的燃烧锅炉. 这种闭式炉膛结构不仅有利于燃料的燃烧过程, 而且拥有足够的受热面, 满足燃烧和传热的双重要求. 同时, 炉膛内设置有人字型前后拱, 提高了高温烟气的辐射, 促进甘蔗渣燃料的燃烧速度和燃烧稳定度.
针对木屑, 树枝, 树皮, 木粉等废料的燃烧特性, 何育恒在负压燃烧的理论基础上, 设计了炉膛内含有水冷壁管的层燃锅炉, 提升了炉膛的内部温度, 促进木屑等燃料的充分燃烧. 同时, 炉膛内设有防爆门, 避免木屑等燃料燃烧过程中的爆燃现象.
虽然我国生物质颗粒燃料产业起步较晚, 但发展速度较快, 相关燃烧技术已相对成熟. 不过, 针对生物质颗粒燃料的燃烧设备的发展仍无法跟上产业发展的步伐, 存在许多亟待解决的问题:
1)现有燃烧设备的自动化程度低. 现阶段国内生物质颗粒燃料燃烧设备的进料系统大多采用人工或半自动进料, 生产和维护成本较高, 极大阻碍了生物质颗粒燃料的推广和应用. 同时, 小型的燃烧设备的通风方式仍以自然通风为主, 降低了燃料的燃烧程度, 提高了污染物排放量.
2)燃煤锅炉的结构特性不适用于生物质颗粒燃料的燃烧特性. 由于生物质颗粒燃料是由植物转化而来, 其含水量较高, 热值低, 在燃煤锅炉中燃烧, 产生的烟气体积较大, 排烟热损失较高. 较高的热损失会导致炉膛温度大幅度降低, 直接影响燃料的燃烧效率. 同时, 生物质颗粒挥发份含量高, 析出速度快, 加快了燃料的燃烧速度和空气消耗, 燃煤锅炉的结构特性会直接影响炉内的空气供给量, 降低生物质颗粒燃料的燃烧程度, 降低燃烧效率.
3)灰分沉积率高, 结渣现象严重秸秆类生物质颗粒燃料中Si含量较高, 变形温度约为750—1000℃. 同时, 秸秆类颗粒燃料的灰分沉积速度高于木质颗粒燃料, 导致了前者的燃烧积灰等沉淀物较多. 积灰中通常存在大量碱性成分和氯化物, 会产生结垢, 结渣等危害, 影响燃烧设备的热性能和安全. 因此, 设计生物质颗粒燃料燃烧设备的设计过程中要充分考虑积灰等沉淀物的清理问题.
4)氯腐蚀导致燃烧设备的寿命降低. 秸秆类生物质颗粒燃料中碱金属, 氯的含量较高. 在燃料燃烧过程中, 随着烟气温度的降低, 碱和碱金属氯化物在飞灰颗粒或换热器表面上冷凝并释放出氯化物. 氯化物的氧化能力较强, 在高温的租用下, 腐蚀速率进一步加强, 导致金属损耗速率加快, 传热效率降低. 在部分腐蚀严重的区域, 甚至会使局部金属表面丧失传热性能. 因此, 秸秆类颗粒燃料比木质颗粒燃料更易损坏设备, 对设备的材质要求更严格.
2生物质颗粒蒸汽锅炉的发展趋势
国外生物质颗粒燃料的燃烧设备具有排放量低, 燃烧效率高, 自动化程度高等优点, 并已在供暖, 发电等多个领域实现产业化应用. 相比之下, 我国生物质颗粒燃料燃烧设备仍处于研究开发阶段, 存在积灰结渣严重, 燃料适应性差, 污染物排放高, 自动化程度低等亟待解决的问题.
随着我国对能源安全和环境问题重视程度的提高, 生物质颗粒燃料产业的深人发展, 生物质颗粒燃料的应用将越来越广泛. 因此, 与生物质颗粒燃料的燃烧技术相配套的, 适应我国国情的燃烧设备是现阶段我国生物质颗粒领域大的研究重点, 主要有以下几个研究方向:
1)针对现有设备存在容易烧料斗的问题, 通过对产品结构上的优化, 来避免烧料斗现象的发生.
2)针对现有设备存在生物质颗粒燃料在燃烧过程中排烟热损失较高, 以及生物质颗粒燃料燃烧不充分的问题, 优化进气方式, 提高进气温度.
3)针对现有燃烧设备积灰结渣严重等问题, 优化燃烧设备的关键结构, 降低积灰结渣程度, 提高燃料适应性.
4)针对现有燃烧设备自动化程度较低的问题, 设计自动进料系统和实时监控系统, 并引入污染物控制技术, 监控燃烧设备内部温度, 气体浓度等变化, 适时调整燃烧参数, 降低污染物排放, 提高燃烧效率.
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