方增溪
摘要: 近年來, 由於煤炭, 石油等傳統燃料燃燒, 造成的能源安全和環境問題日益嚴重. 隨著國家重視程度的提高和相關企業轉型的需要, 生物質能源已成為解決能源上述問題的關鍵. 生物質能源是通過植物通過光合作用存儲與本體內部的太陽能, 與化石燃料相比, 具有產量大, 分布範圍廣, 利用方式多, 氮和硫含量低, 灰份含量小, 熱值較低等特點. 生物質顆粒高效燃燒的鍋爐已是鍋爐行業發展的必然趨勢. 該文的目的, 在於綜述國內外生物質顆粒鍋爐研究現狀, 探究生物質顆粒鍋爐的深化方向和研究前景, 提煉存在的學術和工程問題, 理清下一步研發思路. 論文提出了生物質顆粒鍋爐領域亟待解決的問題和可進一步研究的重點內容, 供讀者參考.
《2006年中國能源發展報告》指出, 全球能源消耗約90% 來自於化石能源, 10% 核電, 水電. 而中國消耗的主要能源是煤和石油. 由於包括煤炭金和石油在內的化石能源的大量使用, 加劇了全球變暖等環境問題. 如果能源安全和環境問題不妥善解決, 到2050年, 中國標準煤的消耗量會將會是2005年的三倍, 由其產生的CO 2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階段亟待解決的問題.
生物質能源是植物通過光合作用, 吸收太陽能, 水和CO 2, 生成O 2和碳水化合物, 並將儲存在植物體內的一種能源. 與化石燃料相比生物質具有以下幾個特點: 儲存量大, 原料分布範圍廣, 利用方式多; 生物質中N和S含量較低, 灰份含量小, 燃燒過程中NO x, SO x與灰塵的排放量較低; 生物質燃料在形成過程中吸收的CO 2近似於燃燒過程中排放的CO 2, CO 2淨排放量近似於零; 由於生物質燃料的高含水量, 其熱解性和燃燒特性相對較差; 生物質能源屬於可再生能源. 因此, 在鍋爐行業生產生物質顆粒高效燃燒的鍋爐已是鍋爐行業發展的一大趨勢.
1國內外現狀和存在的問題
20世紀50年代, 針對生物質燃料的特性和燃燒方式, 日本率先研製出棒狀燃料成型機及相關的燃燒設備. 20世紀70年代後期, 針對木質顆粒燃料的特性, 美國研製了專用的木製顆粒燃料燃燒設備. 在美國和日本的研究基礎上, 瑞典, 芬蘭, 丹麥等國家針對生物質顆粒燃料, 研製出顆粒成型機及其燃燒設備. 目前, 發達國家的生物質燃料燃燒設備的研究較為成熟, 並根據產業需求進一步升級, 在供熱供暖和發電等領域實現產業化.
現階段, 在生物質顆粒燃料燃燒領域, 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的理論和相關標準. 而生物質燃料燃燒設備的研究還處於起步階段.
劉聖勇在熱性能試驗, 空氣流動場試驗, 溫度場試驗, 爐膛內氣體濃度場試驗等試驗的基礎上, 自主設計了單, 雙層爐排生物質成型燃料燃燒設備及其性能指標. 針對上述燃燒設備, 劉聖勇研究了空氣流動場, 濃度場, 溫度場等參數, 為我國生物質顆粒燃料燃燒設備的進一步發展奠定了理論基礎.
田宜水等針對秸稈自身的生物特性, 在爐膛前後部雙燃燒室的結構基礎上, 設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, 這種結構加強秸稈和空氣, 高溫煙氣間的相互混合, 並延長秸稈在燃燒室內的燃燒時間, 提高燃料的燃燒度.
翟學民深入研究了甘蔗渣燃燒機理, 採用分開布置燃燒室和輻射受熱面的閉式爐膛結構, 設計了適用於甘蔗渣, 稻殼, 樹枝, 樹皮等生物質燃料的燃燒鍋爐. 這種閉式爐膛結構不僅有利於燃料的燃燒過程, 而且擁有足夠的受熱面, 滿足燃燒和傳熱的雙重要求. 同時, 爐膛內設置有人字型前後拱, 提高了高溫煙氣的輻射, 促進甘蔗渣燃料的燃燒速度和燃燒穩定度.
針對木屑, 樹枝, 樹皮, 木粉等廢料的燃燒特性, 何育恒在負壓燃燒的理論基礎上, 設計了爐膛內含有水冷壁管的層燃鍋爐, 提升了爐膛的內部溫度, 促進木屑等燃料的充分燃燒. 同時, 爐膛內設有防爆門, 避免木屑等燃料燃燒過程中的爆燃現象.
雖然我國生物質顆粒燃料產業起步較晚, 但發展速度較快, 相關燃燒技術已相對成熟. 不過, 針對生物質顆粒燃料的燃燒設備的發展仍無法跟上產業發展的步伐, 存在許多亟待解決的問題:
1)現有燃燒設備的自動化程度低. 現階段國內生物質顆粒燃料燃燒設備的進料系統大多採用人工或半自動進料, 生產和維護成本較高, 極大阻礙了生物質顆粒燃料的推廣和應用. 同時, 小型的燃燒設備的通風方式仍以自然通風為主, 降低了燃料的燃燒程度, 提高了汙染物排放量.
2)燃煤鍋爐的結構特性不適用於生物質顆粒燃料的燃燒特性. 由於生物質顆粒燃料是由植物轉化而來, 其含水量較高, 熱值低, 在燃煤鍋爐中燃燒, 產生的煙氣體積較大, 排煙熱損失較高. 較高的熱損失會導致爐膛溫度大幅度降低, 直接影響燃料的燃燒效率. 同時, 生物質顆粒揮發份含量高, 析出速度快, 加快了燃料的燃燒速度和空氣消耗, 燃煤鍋爐的結構特性會直接影響爐內的空氣供給量, 降低生物質顆粒燃料的燃燒程度, 降低燃燒效率.
3)灰分沉積率高, 結渣現象嚴重秸稈類生物質顆粒燃料中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於木質顆粒燃料, 導致了前者的燃燒積灰等沉澱物較多. 積灰中通常存在大量堿性成分和氯化物, 會產生結垢, 結渣等危害, 影響燃燒設備的熱性能和安全. 因此, 設計生物質顆粒燃料燃燒設備的設計過程中要充分考慮積灰等沉澱物的清理問題.
4)氯腐蝕導致燃燒設備的壽命降低. 秸稈類生物質顆粒燃料中堿金屬, 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並釋放出氯化物. 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, 導致金屬損耗速率加快, 傳熱效率降低. 在部分腐蝕嚴重的區域, 甚至會使局部金屬表面喪失傳熱性能. 因此, 秸稈類顆粒燃料比木質顆粒燃料更易損壞設備, 對設備的材質要求更嚴格.
2生物質顆粒蒸汽鍋爐的發展趨勢
國外生物質顆粒燃料的燃燒設備具有排放量低, 燃燒效率高, 自動化程度高等優點, 並已在供暖, 發電等多個領域實現產業化應用. 相比之下, 我國生物質顆粒燃料燃燒設備仍處於研究開發階段, 存在積灰結渣嚴重, 燃料適應性差, 汙染物排放高, 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境問題重視程度的提高, 生物質顆粒燃料產業的深人發展, 生物質顆粒燃料的應用將越來越廣泛. 因此, 與生物質顆粒燃料的燃燒技術相配套的, 適應我國國情的燃燒設備是現階段我國生物質顆粒領域大的研究重點, 主要有以下幾個研究方向:
1)針對現有設備存在容易燒料鬥的問題, 通過對產品結構上的優化, 來避免燒料鬥現象的發生.
2)針對現有設備存在生物質顆粒燃料在燃燒過程中排煙熱損失較高, 以及生物質顆粒燃料燃燒不充分的問題, 優化進氣方式, 提高進氣溫度.
3)針對現有燃燒設備積灰結渣嚴重等問題, 優化燃燒設備的關鍵結構, 降低積灰結渣程度, 提高燃料適應性.
4)針對現有燃燒設備自動化程度較低的問題, 設計自動進料系統和即時監控系統, 並引入汙染物控制技術, 監控燃燒設備內部溫度, 氣體濃度等變化, 適時調整燃燒參數, 降低汙染物排放, 提高燃燒效率.
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