燃生物质小型锅炉凸显节能减排优势

张爱祥 赵国凌 陕西省工业锅炉窑炉节能改造示范活动推广办公室

毛 军 杭州蓝禾新能源工程技术有限公司

卢 锋 西安特瑞斯热能技术有限公司

燃生物质小型锅炉凸显节能减排优势

张爱祥 赵国凌 陕西省工业锅炉窑炉节能改造示范活动推广办公室

毛 军 杭州蓝禾新能源工程技术有限公司

卢 锋 西安特瑞斯热能技术有限公司

我国燃煤小型锅炉，包括燃煤工业锅炉、生活锅炉，每年排放大量大气污染物，其排放总量仅次于电站锅炉。由于量大面广、低空排放，对城市空气质量的影响高于电站锅炉，尤其在冬季采暖期间对北方城镇的空气质量影响极大。

2013年6月14日，国务院常务会议确定了大气污染防治十条措施，这十条措施的头条是“减少污染物排放”，具体举措的首项则是“全面整治燃煤小锅炉”，其整治的核心是以清洁能源替代原煤作为小型锅炉燃料，实现从源头上减少锅炉污染物的排放。

近年来，燃生物质小型锅炉技术和装备有了较大发展，在生物质燃烧技术和装备以及生物质成型燃料制备技术和装备等方面取得了可喜的成果，多种规格燃用木片、木屑、竹丝、稻壳、甘蔗渣、菌渣等生物质燃料的小型锅炉产品及其系统配套设备已经开发成功，并在浙江、福建、江西、广东、湖北、山东、山西、黑龙江、天津等十多个省市成功使用，取得了显著的节能减排效果。燃生物质小型锅炉已凸显出节能减排优势，为全面整治燃煤小锅炉提供了一个技术可行、经济合理、效果可观的途径。

1 生物质能的来源及特征

1.1 生物质能概念与来源

生物质能从机理上讲是指太阳能通过光合作用以生物的形式储存的能量。光合作用是植物通过叶绿体利用太阳能把二氧化碳和水合成为有机物并释放出氧气的过程，其化学表达式为：

生物质能与风能、太阳能、水能、地热能、海洋能等统称为可再生能源。《中华人民共和国可再生能源法》中有关生物质能的定义为“指利用自然界的植物、粪便以及城乡有机废物转化成的能源”。

生物质是动植物和微生物以及这些生命体排泄和代谢的所有有机物质的总称，其种类繁多，分布广泛，包括陆生、水生生物及其代谢产物，能作为能源用途的生物质按原料来源主要有以下几种：

1）农业废弃物：指农业生产和加工过程中所产生的废弃物，如秸秆、谷壳、芯核、残渣等。

2）林木业废弃物：指森林生长和林木业生产过程中所产生的废弃物，如森林采伐剩物、森林伐区选材剩物、木材加工剩余物、油料、树种果壳、果核等。

3）水生植物：湖泊、江河、海洋、沼泽中的水生植物，如水葫芦、浮萍、海带等以及各种藻类。

4）人、畜、禽粪便：主要指集中养殖的猪、牛、羊、鸡的粪便，可作为沼气发酵原料，1t粪便可转化的能量相当于0.5t标准煤的能量。

5）城镇及工业有机废弃物：城镇有机废弃物主要指城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾；工业有机废弃物主要指粮油、造纸、酿造、食品、制药等工业生产过程中产生的固体废弃物。

6）能源作物：指为提供制取燃料或燃料油为目的而栽培植物的总称，包括薪柴林、油料作物、含糖或淀粉植物等。

1.2 生物质能的特征

1）可再生。生物质能通过植物的光合作用可以再生，而植物种类繁多、分布广泛。据估计，地球上每年植物光合作用产生的固定碳达2×1011t，资源当量达3×1012GJ，相当于1000亿t 标准煤的能量，我国生物质能资源当量为50亿t 标准煤左右。

2）碳平衡。生物质作为燃料燃烧时释放的CO2大体上相当于植物生长时通过光合作用所吸收的CO2，因此不会破坏地球上的碳平衡，被称为CO2中性燃料，与化石燃料的石油、煤炭、天然气相比，在生态环境保护方面，具有很大的优越性。

3）低硫灰。生物质成分中含有的硫分极低，灰分与氮分也少，因此在转化利用过程中所生成的SO2、NOx及烟尘等大气污染物的量也少，可大大减轻对环境空气质量的污染，有“绿色能源”之称。

4）可储运。作为可再生能源，生物质能是唯一可直接运输和储存的可再生能源，无论是原料本身或是其制品，均可储运，后续加工、转换、使用也比较便利，在热能动力工程系统中可替代石油、煤炭、电力使用。

2 生物质原料及其成型燃料的特性

2.1 生物质原料特性

表1、表2为常见的农业废弃物的元素组成、工业组成分析及发热值，林木业废弃物的元素组成、工业组成分析及发热值与农业废弃物基本相同。

表1 几种常见农业废弃物的元素组成和热值

表2 几种常见农业废弃物的工业组成和热值

由表1、表2不难看到，生物质原料的化学特性是：

1）挥发分高，固定碳低。生物质原料的空气干燥基挥发分高达60%～80%，而固定碳仅12%～20%，常见农业废弃物四秸二壳一芯平均空气干燥基挥发分为69.24%，固定碳为17.10%。

2）含氧量高。生物质原料的干燥无灰基氧含量普遍高达40%以上，大都在42%～45%之间，最高为玉米芯达到46.10%，唯有花生壳较低，也为36.90%。

3）少灰低硫。农业废弃物的四秸二壳一芯平均空气干燥基灰分为7.20%，林木业废弃物仅为1.25%，只有稻草和稻壳的空气干燥基灰份达到10%以上，分别为12.20%和17.82%，农业废弃物的干燥无灰基硫分大多数在0.1%以下，只有稻壳最高为0.40%，而林木业废弃物极低，均在0.04%以下。

4）发热值较低。农业废弃物四秸二壳一芯的平均空气干燥基低位发热值为15.5MJ/kg，而林木业废弃物的平均空气干燥基低位发热值为17.0MJ/kg，相当于工业锅炉燃煤分类中Ι类烟煤的热值（14.4MJ/kg～17.7 MJ/kg）水平。

生物质原料的物理特性是无定形、质地疏松、堆积密度小，林木业废弃物及农业废弃物中的玉米芯、棉秸等的堆积密度为200～360kg/m3，其它农作物秸秆的堆积密度低于200kg/m3，因此无论采集、储运和使用都不便，通常只作为低品位的能源使用。

2.2 生物质成型燃料及其特性

● 2.2.1 成型机理

植物细胞中除含有纤维素、半纤维素外，还含有木质素。木质素是一种具有芳香簇特性的三维空间聚合物，属非晶体，具有软化点，当温度为70℃～110℃时会软化具有黏性，当温度达到200℃～300℃时成熔融状态，黏性高，施加一定压力就可使其与纤维素紧密粘接，并与相邻颗粒间互相粘连，冷却后即可固化成型。利用这一原理，先将松散、无定形的生物质原料破碎成一定尺寸的物料，在一定温度、压力条件下用压缩成型机挤压成具有一定形状、尺寸的新型燃料，称为生物质成型燃料。

制备生物质成型燃料的压缩成型工艺大致分为常温压缩成型、热压成型和碳化成型。常用的压缩成型设备有螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和辊模挤压式成型机三种。

● 2.2.2 成型燃料特性

1）形状尺寸。生物质成型燃料形状规则、尺寸均匀，通常有棒状、块状和颗粒状，棒状还有空心与实心之分。棒状的尺寸最大，直径通常为数十毫米，粗的达一百多毫米，长度从10cm至40cm，最长达50cm；颗粒状的尺寸最小，直径仅4mm～10mm，长度20mm～50mm左右。

2）堆积密度。生物质成型燃料的堆积密度为原材料的3～6倍，甚至更大。颗粒状、棒状的密度可达1000kg/m3～1400kg/m3，块状的密度达800kg/m3～1100kg/m3。堆积密度增大给运输、储存和使用带来极大方便，降低运营成本，有利于产业化和规模化生产、使用。

3）耐久性。生物质成型燃料的耐久性是表示燃料品质的一个重要特性，体现在储存性能和使用性能方面，具体包含抗变形性、抗破碎性和抗吸潮性几项性能指标。抗变形性是指成型燃料要具有一定抵抗外力的强度，使其在运输、使用过程中能保持一定形状的性能；抗破碎性是指成型燃料在储运过程不至于破损而保持原有形态的性能；抗吸潮性是指成型燃料在环境湿度和温度条件下的含水率不至于过分上升的性能。

4）发热值。生物质成型燃料的低位发热值比原料有所提高，这是因为加工过程中原料被加热使水分降低；另外颗粒燃料加工中有时添加少量添加剂，如沥青等，也会使发热值提高。对于以一生物质原料加工制成的生物质成型燃料，其高位发热值与原料的发热值变化不大。

5）燃烧性能。生物质成型燃料的燃烧性能优于直接散烧的生物质原料，具有固体燃料典型的“颗粒燃烧模型”的燃烧模式，先是挥发分释出着火燃烧，然后焦碳着火燃烧直至燃尽。由于成型燃料密度较大，限制了挥发分的逸出速度，延长了燃烧时间，燃烧过程较稳定，温度也较恒定；另外焦碳结构较致密，炭粒燃烧充分，炉温较高，燃烧效率提高。

3 燃生物质锅炉的特色

尽管燃生物质锅炉在燃烧特性方面与燃煤相似，但鉴于生物质资源种类繁多，分布区域宽广，而且生物质原料与煤炭相比，具有“两低两高”的特性，即密度低、固定碳低；挥发分高、钾含量高。故此，燃生物质锅炉具有某些不同于传统层燃燃煤锅炉的特色。

3.1 炉膛高大，炉排面小

生物质燃料挥发分高达70%以上，固定碳则在20%以下。挥发分所释放的热量占总热量的70%左右，这就需要较大的燃烧空间，并设置二次风，二次风量约占总送风量的30%，在炉膛内组织良好的混合燃烧工况，同时在炉膛出口设置燃尽室，以维持足够的燃烧时间，从而达到完全燃烧，降低气体未完全燃烧热损失。另一方面，由于固定碳低、灰分少，炉排面上层燃部分所释放的热量只占总热量的30%左右，炉排所需面积要比燃煤锅炉小得多，而且炉排面上灰渣层薄，对炉排材质的耐热性能要求高。

3.2 低温燃烧，避免结渣

生物质挥发分在200℃以下就可释出，随着温度升高，释出速度增快，350℃时能释出80%左右，到500℃基本释放完毕。相应的着火燃烧温度较低，在350℃～400℃即着火燃烧，因固定碳低，焦炭燃烧燃尽也快。另一方面，由于生物质灰分中钾元素含量多，导致灰分软化温度低，通常为800℃～900℃，灰熔点则在900℃～1050℃之间。为避免生物质灰分熔融引起的炉内结渣及受热面外黏灰，锅炉设计采用低温燃烧技术。杭州蓝禾新能源科技工程有限公司将燃生物质锅炉的炉膛温度控制在700℃以下。低温燃烧带来的另一好处是燃烧时生成的NOX大大减少，尤其是动力型NOX几乎为零，这就使得燃生物质锅炉具有独特的炉内自身脱硝功能。

3.3 型式多样，适配选型

鉴于生物质原料的多样性，燃生物质锅炉应针对燃用不同品种的生物质的特点和属性进行设计，使得燃生物质锅炉的型式多种多样。燃生物质锅炉的选型不应过多追求对燃料的适应性，用户在订购燃生物质锅炉时，应根据当地的生物质资源适匹选型，或者提供当地的生物质资源特性由锅炉设计制造企业专门设计制造，这样订购的燃生物质锅炉方能取得良好的运行效果。

3.4 自身微排，系统简化

生物质燃料低硫、少灰、少氮，加上低温燃烧，所以锅炉燃烧所生成的大气污染物的初始排放浓度很低，SO2的排放浓度仅有燃煤锅炉的1/10，NOX的排放浓度仅有燃煤锅炉的1/5，烟尘排放量也很低。为此，烟气净化装置大大简化，一般只需装设简单的除尘装置，如水浴式、冲击式或水膜除尘器等，烟气无需脱硫、脱硝。

3.5 容量不大，用户分散

由于生物质燃料堆积密度低，资源能量密度小，考虑到燃料运输成本问题，供应半径不应过大，锅炉容量也不宜过大。现有燃生物质锅炉产品的容量一般在1t/h(7MW)～10t/h(0.7MW)之间，适用于独立分散的用户；如果建设分布式热源，邻近建有生物质成型燃料的生产厂，锅炉总容量也不宜超过20t/h(14MW)。

4 小型燃生物质锅炉的节能减排效果

4.1 能效测试结果

福建厦门建霖工业有限公司装有一台由某新能源工程技术有限公司设计的DZG3-1.0-M型锅炉，燃用生物质成型燃料。2012年11月16日厦门市特种设备检验检测院对其进行了定型产品能效测试。锅炉原设计数据和测试结果见表3。

表3 DZG3-1.0-M型锅炉原设计与测试数据汇总表

由表3可见，锅炉实测热效率高出设计效率1.81%，燃料燃烧效率高达99%以上；实测排烟温度高出设计值41℃，如果将排烟温度控制到设计值，还能使热效率提高2个百分点，节能效果将更好。另有一台DZS6-1.25-M-Ⅱ型锅炉，燃用木片、木屑，使用单位为福建尤溪县三林木业有限公司，2011年9月29日由福建省锅炉压力容器检验研究院对其进行定型产品能效测试，锅炉热效率达到87.20%。

4.2 环保测试结果

表4所示某新能源公司设计的两台燃生物质小型锅炉在用户现场实测的锅炉大气污染物排放结果。由表4可见，燃生物质锅炉的SO2、NOX排放浓度是相当低的。DZG2-1.0-M型锅炉虽然配备布袋除尘器，但TSP（烟尘排放浓度）仍较高，经查明是由于排烟温度高达160℃左右引起布袋破损所致。

表4 两台燃生物质小型锅炉大气污染物排放检测结果汇总表

5 推广应用燃生物质小型锅炉势在必行

5.1 实施能源可持续发展的战略需要

我国小型燃煤锅炉每年消耗的煤炭总量高达数亿吨，推广应用燃生物质小型锅炉，可大大减少燃煤小锅炉的煤炭耗量，符合能源可持续发展的战略需要。

5.2 发展低碳经济应对全球气候变化的迫切需要

温室气体减排是全球环境保护和可持续发展的一大难题。利用生物质能可实现碳平衡，是国际公认的绿色能源，生物质能是减排温室气体成本效益最好的一种可再生能源。我国推广应用燃生物质小型锅炉替代小型燃煤锅炉，每年可使地球上减少数亿吨的二氧化碳气体的排放，为应对全球气候变化作出重大贡献。

5.3 防治环境空气污染保卫蓝天的迫切需要

燃煤工业锅炉、生活锅炉的大气污染物已对我国环境空气质量造成严重危害，是导致雾霾天气的主要污染源之一。生物质燃料中，硫分极低，灰、氮很少，而且可实现低温燃烧。所以，燃生物质锅炉排烟中的烟尘、SO2、NOX的初始排放浓度很低，烟气净化只需要简单的除尘装置，无需脱硫、脱硝，锅炉大气污染物排放指标可与天然气锅炉相媲美。因此大力推广应用燃生物质锅炉替代小型燃煤锅炉对防治环境空气污染保卫蓝天将起到积极作用。

5.4 推进循环经济提高资源综合利用的社会需求

将林业、工业企业生产过程中所生成的林业废弃物和工业有机废弃物就地收集、就地加工、就地利用，供给企业自有的工业锅炉或生活锅炉燃用，锅炉所产生的蒸汽或热水则供作企业生产用汽或生活用热，形成了循环经济，提高了企业的资源利用效率，降低了企业运营成本，提高了企业经济效益。

5.5 有利于促进“三农”问题，推动社会主义新农村建设

对农业废弃物，就近采集、就近加工、就近利用，建设沼气池和生物质成型燃料加工厂，解决了农民自身的生活用气，增加了农民家门口就业岗位，为周边企业的小型工业锅炉、生活锅炉提供生物质成型燃料，促进农业增效、农民增收、农村脱贫致富，也根治了农作物秸秆焚烧造成的环境污染，对建设资源节约型和环境友好型的社会主义新农村起到了大力推动作用。

5.6 替代小型燃煤锅炉的首选方案

燃生物质小型锅炉型式多样，能适用各种农林业废弃物、工业有机废弃物的燃用，生物质成型燃料的燃烧特性与燃煤相似，节能减排效果显著，燃料可就近采集、加工、供应，运输半径小，比天然气锅炉需要铺设专用燃气管道投资少，使用方便，而且锅炉大气污染物中的NOX排放指标甚至优于天然气锅炉。所以，在当前开展大气污染防治全面整治燃煤小锅炉的行动中乃是替代燃煤小锅炉的首选方案。

6 结束语

生物质能是唯一可储存和运输的可再生能源，开发利用生物质能是实施能源可持续发展的战略需要。作为直接应用生物质小型锅炉所显现出的节能减排优势，对实现低碳经济和循环经济方面的独特作用，造就了它将为防治大气污染保卫蓝天行动提供一条切实可行且行之有效的途径。

2013－09－04）