小型生物质直燃供热技术研究进展

罗冰，何芳，张永健，李永军

(山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049)

目前全球能源紧缺和环境污染等问题日益加重，开发利用新能源已经成了紧迫课题［1］。生物质燃料具有可再生、来源广泛、成本低廉、燃烧有害气体少等优点，在新能源燃料中占据了重要的地位［2-3］。由于我国目前尚缺乏经济方便的生物质应用技术，生物质能源浪费较大，且秸秆等农业废弃物的就地焚烧对居民生活、交通安全和自然环境造成了严重危害［4］，因此生物质能源的合理利用受到了越来越多的关注。小型生物质直燃供热技术是指以生物质为燃料，通过直接燃烧进行供热，且供热量一般小于2.8 MW的供热技术，主要用于家庭、单位、浴池等场合的供暖或供水。适合农业废弃物等分散分布的生物质能的应用，可减少物料收集、运输、储存费用，并对改善农村的燃料结构有重要意义。本文结合国内外小型生物质直燃供热技术的发展现状，就该技术在我国的应用和发展进行分析。

1 小型生物质直燃供热技术发展现状

近年来，在一些发达国家生物质能在总能源消耗中所占比例增加相当迅速，欧洲2009年由生物质直接燃烧获得的初级能源达7 280万吨油当量，比2008年增长3.6%，加拿大生物质能占整个能源消费的6%，主要由林业、造纸废弃物燃烧提供。日本、美国和欧洲的一些国家小型生物质燃烧设备已经定型，并形成产业化，在供暖、发电等领域已普遍推广应用，由于这些国家技术水平和能源结构等因素与我国存在较大差异，其产品不适合引进我国［5-7］。国内的生物质能利用主要集中在生物质发电和生物质制取气体和液体燃料［8］，对生物质的小型燃烧设备也陆续开始研究。

目前国内外市场上常见的生物质燃料有:锯木段、压缩成型的生物质颗粒、木片和生物质秸秆等。因为各类燃料的物理和化学特性存在差异，所以其对应的燃烧系统差别较大。下面分类介绍不同生物质燃料对应的燃烧系统在国内外的发展现状。

1.1 以锯木段(wood logs)为燃料

锯木段燃料长度一般为40 cm左右，其早期对应的燃烧设备是欧美国家的壁炉(图1)和我国早期的炉灶。由于锯木段的尺寸过大，故这类燃烧设备多为手动喂料、固定炉排、人工点火。图2为欧美国家市场上近期出现的以锯木段为燃料的生物质热水锅炉，其特点是顶部喂料、下吸式燃烧，工作时空气在炉排下方进入，经燃烧区加热后折入锅炉底部，流经右侧烟道将热量传送给烟道外侧的水，最后通过上方烟囱排出。进风口的设计能起到预热一次风的作用，其燃烧效率可达到75% ～85%，这种燃烧设备还可延长喂料周期。

1.2 以生物质成型颗粒(wood pellets)为燃料

生物质成型颗粒燃料是指将秸秆、稻壳、锯末、木屑等各种生物质废弃物，用机械加压的方法，使原来分散的，没有一定形状的燃料压缩成具有一定形状密度较大的燃料［9］。其对应的燃烧设备也多采用固定式炉排，有少数设备可用移动式炉排。经压缩后，生物质的物理特性和燃烧特性都得到较大的改善，燃料可实现自动喂料。喂料方式一般是通过螺旋喂料器将燃料颗粒喂入燃烧区底部或上部，点火方式多采用电控点火［5］。

生物质成型颗粒是发展比较成熟的生物质燃料，在20世纪50～80年代，日本、美国和欧洲一些国家就相继研制出了生物质燃料成型机及成型燃烧设备，目前这些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型并投入生产［7］。图3所示为英国Treco’s Green Heat公司开发的小型生物质锅炉，这套设备采用螺旋喂料、电动点火和环状燃烧器(图4)，其喂料速度、点火温度和通风量实现了自动电动控制，极大的提高了设备的热效率。

图1 壁炉示意图Fig.1 Sketch of fireplace

图2 木材燃料热水锅炉原理图Fig.2 Diagram of wood log stove

图3 颗粒燃料热水锅炉Fig.3 Pellets fuel boiler

我国小型生物质锅炉的技术相对起步比较晚，典型的有SWNSN-20-1型生物质能水暖锅炉，该产品最大热功率20 kW，燃料消耗量3.3 kg/h，供暖面积100～200 m2［10］。该锅炉的原理如图5所示，该设备与同类设备相比，增加了一个燃烧室，改善了生物质燃烧时的结渣问题，热效率达到80%，但对生物质压缩燃料的要求比较高。国内一些高校也对生物质燃烧进行了研究，如苏俊林等［11］建立了燃烧模拟试验台(如图6所示)，进行了一次风量和二次风量不同配比、不同位置及不同料层厚度等参数对燃烧和排放性能影响的实验，为生物质颗粒燃料锅炉的设计提供了依据。目前，我国的小型生物质直燃技术正处在研究探索阶段，没有形成产业化，与欧美国家还有一定的差距。

图4 环状燃烧器Fig.4 Cyclic annular burner

图5 生态炉原理图Fig.5 Diagram of pellets boiler

图6 锅炉燃烧模拟试验台Fig.6 Test-platform of combustion simulation of boiler

1.3 以木片(wood chips)为燃料

木片主要来源于林业废弃物和木材加工边角料，其尺寸一般在2～5 cm，所用燃烧设备与压缩成型颗粒的相似，多用固定炉排和螺旋式喂料器，所不同的是木片燃料一般采用高温空气法点火。木片还经常与其他生物质燃料混合使用，燃烧设备都大致相似。在欧洲和美国等地区以木片为燃料的燃烧设备在生物质燃烧设备市场上都占据了一定的比例［5］，图7所示为英国Greenspec公司设计的以木片为燃料的小型热水锅炉，内部结构与颗粒燃料的燃烧设备基本相同，供热量为15 kW，燃烧效率可达到94%。在国内市场上这类设备并不多见。

1.4 以生物质秸秆(straw)为燃料

除应用于农村炉灶的应用外，生物质秸秆燃料常用于大型的燃烧设备，用来集中供暖、发电或热电联产，或与其他种类燃料混合使用，小型应用在市场上占很少的比例。图8是俄罗斯一家公司设计的生物质热水锅炉，直接以秸秆捆作为燃料，采用下吸式燃烧，减缓了燃烧速度，供热量为40～100 kW。图9是由我国农业部规划设计院设计的秸秆直燃热水锅炉的原理图，供热量为0.35 MW，采用下饲式进料、双燃烧室和挡火拱结构和烟、火管形式，结构相对比较复杂［5，12］。国内高校对此类设备的研究有:刘庆玉等［13］设计了户用生物质燃烧炉，并进行了一二次风的配比试验，综合热效率达到45% 以上;刘圣勇等［14］设计的生物质捆烧锅炉，锅炉热效率达到73.13%，热负荷达35 kW。

图7 木片燃料热水锅炉原理图Fig.7 Diagram of wood chips boiler

图8 生物质热水锅炉Fig.8 Straw fule boiler

图9 秸秆直燃热水锅炉结构图Fig.9 Structure of straw boiler

2 小型生物质直燃供热技术在我国的应用分析

根据我国的国情，大部分的生物质资源(如生物质秸秆、林业废弃物等)都集中在农村和山区［15］，而且分布分散，特别适合于农村和城乡结合部地区居民的小型应用，可减少生物质运输和收集的成本，提高城乡地区的供热水平。

1)我国有丰富的木材资源，但人均占有量(0.12 m3)不到世界人均水平(0.65 m3)的五分之一，随着交通和建筑等行业对木材需求量的加大，木材的需求量已超出年产量，而且木材燃料的成本相对较高［16］，所以在我国以锯木段作为燃料的小型燃烧设备很难实现大规模的应用。

2)以生物质压缩颗粒和木片为燃料的燃烧技术是我国现在相对比较成熟的生物质燃烧技术，生物质成型燃料的能耗大(每吨消耗电能90～120 kW·h)、成本高、燃烧设备对物料的要求高、原料收集和运输困难［14，17］成为阻碍这一技术在我国广泛应用的主要原因。但成型燃料具有比重大、便于储存和运输、燃烧性能好等优点，是一种较为理想的的燃料［11］。随着压缩成型技术的成熟和燃烧设备的完善，这项技术在我国的应用前景十分广阔。

3)以农作物秸秆直接作为燃料，与生物质成型燃料相比，大幅度减少了物料处理的能耗(生物质打捆每吨消耗电能30 kW·h)，其成本低、操作方便的特点比较适合农村取暖模式，由于生物质秸秆能量密度太低，而且不经处理的生物质秸秆氯含量和碱金属含量高，容易对设备造成损害［4］等问题没有得到解决，还需进一步的研究和发展。

3 结语

3.1 小型生物质直燃供热技术的合理应用是解决能源浪费和环境污染问题的有效途径，在我国有广阔的应用前景。

3.2 该技术在国外已趋于成熟并形成产业化，国内也陆续开始研究。常见的生物质燃料有:锯木段、生物质压缩颗粒、木片和生物质秸秆。

3.3 木材燃料由于人均占有量少、生长周期长不适合在我国广泛应用;生物质压缩颗粒燃料燃烧技术在我国已经起步，但燃烧成本高，技术和设备还有不完善的地方，亟需解决;以生物质秸秆直接作为燃料，适合我国农村取暖方式，有待进一步研究和发展。

［1］苏俊林，王震坤，矫振伟.高效洁净生物质锅炉的开发及应用［J］.农机化研究，2009(8):202-204，208.

［2］蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景［J］.林产化学与工业，2002，22(2):75-80.

［3］马文超，陈冠益，颜陪陪，等.生物质燃烧技术综述［J］.生物质化学工程，2007，41(1):43-48.

［4］白兆兴.生物质锅炉技术现状与存在问题［J］.工业锅炉，2008(2):29-32.

［5］MíGUEZ J L，MORÁN J C，GRANADA E，et al.Review of technology in small-scale biomass combustion systems in the European market［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012(16):3867-3875.

［6］ROY M M，CORSCADDEN K W.An experimental study of combustion and emissions of biomass briquettes in a domestic wood stove［J］.Appl Energy，2012，99(0):206-212.

［7］刘圣勇，陈开碇，张百良.国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状［J］.可再生能源，2002，20(4):14-15.

［8］林宗虎.生物质能的利用现况及展望［J］.自然杂志，2010，32(4):196-201.

［9］何元斌.生物质压缩成型燃料及成型技术(一)［J］.农村能源，1995，63(5):12-14.

［10］王金英.Swnsn-20-1型生物质能水暖锅炉［J］.农业知识，2002(13):47.

［11］苏俊林，罗小金，矫振伟，等.燃用生物质颗粒燃料锅炉的燃烧及排放特性［J］.吉林大学学报:工学版，2010，40(4):954-958.

［12］田宜水，张鉴铭，陈姚崔，等.秸秆直燃热水锅炉供热系统的研究设计［J］.农业工程学报，2002，18(2):87-90.

［13］刘庆玉，李明鹤，朱应禹，等.一种户用生物质燃烧炉［J］.可再生能源，2012，30(5):116-118.

［14］刘圣勇，白冰，刘小二，等.生物质捆烧锅炉的设计与研究［J］.太阳能学报，2010，31(12):1527-1531.

［15］骆仲泱，周劲松，王树荣，等.中国生物质能利用技术评价［J］.中国能源，2004，26(9):39-42.

［16］江泽慧，陈绪和，叶克林，等.世界木材发展态势［J］.木材工业，2010，24(1):1-4.

［17］郑戈，杨孔张.生物质压缩成型技术的发展与分析［J］.河南农业大学学报，1998，32(4):349-354.