柯海，袁凱恒

 （廣東省公路管理局茂名瀝青儲運中心，廣東茂名525000）

　　摘要：在我們日常的生活生產中，生物燃料技術應用廣泛，技術發(fā)展越來越成熟，生物燃料技術有生物質直接燃燒技術、生物質與煤混燒技術以及生物質成型技術。生物能源的充分利用能夠很好的替代傳統(tǒng)的不可再生能源，用生物能源替代不可再生能源能夠緩解日益緊缺的能源問題的同時還能夠起到改善環(huán)境，減少大氣污染物的排放，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，其中生物質常溫成型技術是未來固體生物質燃料發(fā)展的趨勢，是生物能源的未來開發(fā)應用方向。當前在我國能源消耗快速增加的情況下，我國突現(xiàn)節(jié)能減排目標面臨的形勢十分嚴峻，新能源開發(fā)與節(jié)能減排行動正轟轟烈烈地進行，本項目研制的生物質粉體燃燒機和生物質粉體燃料也以嶄新面孔加入到這一行列，并發(fā)揮著一定的作用。

　　1生物質粉體燃料

　　生物質是指植物利用太陽、大氣、水、土地等通過光合作用產生的各種有機體，而生物質能源是根據(jù)生物質的特點，運用一定的技術方法將生物質轉化為可利用的能源，生物能源技術有固體燃料生產技術、液體燃料生產技術及氣體燃料生產技術等。其中固體燃料生產技術主要是發(fā)展最傳統(tǒng)成熟的生物能源技術，從生物質的直接燃燒到生物質煤混燃燒技術，發(fā)展到現(xiàn)在生物質成型燃燒技術，目前生物質常溫成型技術是固體燃料生產的發(fā)展方向。生物質能源相比傳統(tǒng)能源更加環(huán)保高效，在對環(huán)境保護，生產成本等方面具有顯著的優(yōu)勢，更加符合現(xiàn)代社會的發(fā)展要求。

　　1.1生產生物質粉體燃料原料來源

　　生物質粉體燃料原料來源大多是農林廢棄物，如稻殼、木屑、樹枝和樹皮等，加入一定比例添加劑，經過破碎、磨粉、烘干等工藝加工成塊狀的固體能源，塊狀固體直徑一般6~8cm，長24~40cm，破碎率在1.5%~2.0%左右或者以下，干基含水量在10%~15%以下，灰分含量不能超過1.5%，硫含量和氯含量均在0.07%以下，氮含量小于0.5%，同時需要標明所加入添加劑的種類及數(shù)量。目前國際上，歐盟標準沒有對生物質燃料的熱值規(guī)范尺度提出要求，但銷售商要在產品上表明相關熱值，而瑞典標準對生物質燃料的熱值標準一般要求不能小于16.9兆焦。

　　1.2生物質粉體燃料特性

　?、俣趸寂欧牛簱?jù)有關文獻介紹，生物質燃料的主要成分是碳水化合物，在燃燒過程中放出的二氧化碳相當于在光合作用中吸收的二氧化碳，形成一個自然界的碳平衡，科學上這種碳平衡稱為零排放；②二氧化硫低排放：據(jù)有關文獻介紹，生物質燃料含硫量低，二氧化硫排放小于1mg/m³，遠遠低于燒燃煤，燃油二氧化碳排放量，不需要安裝脫離裝置裝量就可以實現(xiàn)二氧化硫減排；③資源豐富，可再生循環(huán)生長，取之不盡。

　　1.3生物質粉體燃料生產規(guī)模

　　目前，我國生產生物質粉體燃料大多數(shù)還停留在傳統(tǒng)的制粒方法上，傳統(tǒng)的制粒方法為：

　　①將原料從環(huán)模內部加入，經由壓輥碾壓擠出環(huán)模而成粒狀，與現(xiàn)有的飼料制粒方式相同；

　?、谏a過程中需要進行原料烘干、壓制、冷卻、包裝等工序。首先需要將生物質原料進行烘干，保持合適的相對濕度，通常保持12%左右的濕度，才能更好的成型，然后進行顆粒的壓制，壓強需要控制在50MPa到100MPa之間，高壓的狀態(tài)下壓制會讓原料產生變形和升溫，可達到120℃高溫，壓制出來的顆粒大概在100℃左右，最后需要將顆粒燃料冷卻后進行包裝。整個生產過程需要消耗大量的能量，加上壓制過程對機器的損耗，造成生產成本偏高。

　　常溫成型技術的發(fā)展出現(xiàn)讓生物質生產過程更加高效和降低生產成本，生產出來的成品具有更高能量效能，熱值更高，體積更輕便，便于運輸儲存的特點，還可以作為生產液體燃料和生物化工產品的原料。以往傳統(tǒng)的生物質直接燃燒方式能效一般比較低，而且容易發(fā)生不完全燃燒，產生大氣污染物，造成環(huán)境的污染，用顆粒燃料的替代可以很好的改善這些問題。常溫成型技術還在不斷的改進發(fā)展，在原料預脫水和如何提高單機生產能力上還需要更多的工作開發(fā)。

　　本項目在廣西浦北利用當?shù)刎S富的樹皮、樹枝、木糠建立了一條，月生產生物質粉體料500噸左右的生產線；在洞庭湖產糧區(qū)，與當?shù)丶Z食部門加工廠合作，利用當?shù)刎S富的谷殼，建立了一條月生產生物質粉體燃料1500噸的生產線。

　　當前在我國能源消耗快速增加的情況下，我國突現(xiàn)節(jié)能減排目標面臨的形勢十分嚴峻。新能源開發(fā)與節(jié)能減排行動正轟轟烈烈地進行。本項目研制的生物質粉體燃燒機和生物質粉體燃料也以嶄新面孔加入到這一行列。并發(fā)揮著一定的作用。

　　2燃燒原理和燃燒過程

　　2.1生物質鍋爐

　　燃燒生物質成型燃料需要用到專門的生物質鍋爐，生物質鍋爐的專門設計能夠更好燃燒生物質成型燃料，令污染物產出盡可能的少，隨著追求綠色環(huán)保的觀念興起，生物質鍋爐高效環(huán)保的優(yōu)點使得在日常生活中普及使用，根據(jù)不同的用途和使用的生物質燃料不同，生物質鍋爐的種類多種多樣，常見的有生物質炊事采暖兩用爐、生物質熱水鍋爐、生物質蒸汽鍋爐、生物質采暖爐、生物質數(shù)控鍋爐等等。

　　生物質鍋爐的燃燒系統(tǒng)分為四個部分：

　　2.1.1給料系統(tǒng)

　　給料系統(tǒng)主要負責燃料的運輸工作，由料倉、振動給料器、螺旋給料機、螺旋給料管等部件組成。

　　首先需要在料倉中儲存燃料，通過皮帶運輸機將成型的生物質燃料運輸?shù)搅蟼}中，振動給料器連接在料倉與螺旋給料機之間，主要是為了保證下料的持續(xù)和運輸?shù)姆€(wěn)定，螺旋給料機負責將生物質成型燃料通過給料管輸送到燃燒器。

　　2.1.2燃燒系統(tǒng)

　　燃燒系統(tǒng)主要負責燃料的燃燒，由燃燒器、風機、點火器等部件組成。生物燃料需要先在燃燒器里進行預熱再輸送到爐膛燃燒，燃料的運輸主要通過風機進行，生物質成型燃料具有很高的揮發(fā)分，在給風的條件下，當爐膛內溫度達到其揮發(fā)分的析出溫度時，啟動點火器就可以迅速讓燃料著火燃燒。燃燒過程中需要控制溫度及空氣供給量，溫度與空氣供給量相關，溫度以爐膛內的溫度為準，燃燒過程需要注意鍋爐的負荷，控制給料量，燃燒后產生的煙氣進入對流煙道進行換熱，換熱后進入除塵器進行凈化處理，最后排出。

　　2.1.3吹灰系統(tǒng)

　　由于燃燒容易讓煙管爐膛產生積灰，在鍋爐中加入自動吹灰系統(tǒng)，可以定期維護清掃煙管和爐膛，避免積灰，確保鍋爐運行的穩(wěn)定安全。

　　2.1.4煙風系統(tǒng)

　　煙風系統(tǒng)由送風系統(tǒng)和引風除塵系統(tǒng)組成。送風系統(tǒng)是利用鼓風機將空氣通過燃燒器送至爐膛，能夠達到輸送燃料及助燃的作用；引風除塵系統(tǒng)主要是通過引風機，將燃燒完成后產生的高溫煙氣經過在煙管中的對流換熱后，進入除塵凈化器凈化然后排出。

　　2.1.5自控系統(tǒng)

　　智能化控制鍋爐的運行過程，利用自動化中央控制處理系統(tǒng)，通過中文簡易的交互界面與用戶交換信息，讓鍋爐的運行更加高效快捷自動化。

　　2.2燃燒機的原理

　　生物質成型燃料燃燒機是在傳統(tǒng)的燃煤設備的基礎上進行改進，使之適合用于燃燒固化的生物質成型燃料，將低品位的生物質轉化為高品位的生物質顆粒燃料或者塊狀燃料，縮小了體積，增加了燃料的密度，更加容易儲存與運輸，同時顯著提高了燃料的燃燒效率，能效可達45%（如瑞典的Kcraft熱電工廠），超過一般煤的能效。

　　傳統(tǒng)的能量轉化形式是直接燃燒，不需要太多的加工，優(yōu)點是低成本、低風險等，但缺點也很明顯，存在燃燒效率偏低，容易產生燃燒不完全，對環(huán)境污染比較大等問題。

　　隨著技術進步，現(xiàn)代化的鍋爐技術能夠很好的解決傳統(tǒng)直接燃燒的缺點，適應時代的要求。同時隨著生物質能源技術的不斷提高改進，生物質燃料的直接燃燒也得到了提升，生物質燃料即使直接燃燒，能效也可達到30%（如丹麥的Energy2秸桿發(fā)電廠，瑞典的Umea Energy垃圾熱電廠）。

　　本課題的生物質燃料技術包括燃燒機和生物質粉體燃料，與用戶鍋爐、加溫爐、導熱油爐配套使用。燃燒機利用亞基米德漸開線原理，將輸料管和燃燒機爐膛形成一個切入角，以旋轉的狀態(tài)使其瞬間爆燃，產生高溫火焰，再被用戶爐尾部引風機抽進用戶爐內使用。鍋爐額定蒸汽排放量不超過3噸/小時，額定蒸汽壓力不超過0.1兆帕，額定功率2300kW，額定爐溫1100℃。

　　鍋爐一般通過熱平衡實驗來檢測鍋爐的性能以及改進存在的設計問題，可以通過正反兩種方法來實驗，從有效利用能量計算鍋爐性能是正平衡法，從根據(jù)損失能量來計算鍋爐性能是反平衡法，運用正反平衡法計算鍋爐性能的同時需要從實際出發(fā)，考慮到鍋爐輔機的能量損耗。

　　理論空氣量是根據(jù)化學反應計算出的，單位質量或單位容積的燃料完全燃燒時的空氣需求量。燃料的充分燃燒需要足夠多的空氣，足夠多的空氣接觸面，考慮到損耗實際情況，進入鍋爐內的空氣量往往需要大于理論空氣量，越多的空氣雖然可以防止燃料不完全燃燒造成的損耗，但排煙的熱損失會增大，而且硫氧化物和氮氧化物量會增多，需要供給最合適的空氣量去保證燃料完全燃燒，這需要在燃燒技術上的不斷改進開發(fā)。

　　生物質粉體燃料燃燒機是本課題合作單位專利產品（專利文件復印件見附件一）。生物質粉體燃料添加劑是該公司經多年研究成功。該設備已經在廣東省茂名市南粵科技學校，清遠市雅豪洗涂部、高州市譚頭灰渣磚廠等企事業(yè)單位使用，達到用戶達到用戶加溫爐爐溫要求或達到用戶鍋爐額蒸汽定壓力和額定蒸汽蒸發(fā)量。經廣東省特種設備檢測院檢測，檢測結論：該禍爐燃燒設備運行正常，配套輔機（指燃燒機）運行可靠，造型基本合理。

　　3煙氣污染處理

　　3.1煙氣污染問題

　　生物質燃料屬于新型清潔燃料，是省市重點推廣項目。因為生物質燃料含硫量低，經有關單位檢測，SO₂排放量小于1mg/m³，遠低于煤和燃料油燃燒產生的SO₂排放量，因此可實現(xiàn)SO₂的低排放。但是生物質燃料在燃燒過程中產生的煙氣中可能含有粉塵、黑煙及白煙，粉塵是燃燒后的殘余無機灰分形成的，黑煙是燃燒不完全的有機物形成的，白煙（水霧）是燃燒產物和原料中的水分在高溫下形成的水蒸氣在煙囪口-因周圍大氣溫度低而冷凝-形成的液態(tài)水微小顆粒。對于所排煙氣中的粉塵和黑煙這些污染物質必須加以凈化，防止其污染大氣環(huán)境；對于白煙，本身只是水蒸氣，無毒無害，但其產生原因是高溫，可通過降溫消除。

　　3.2煙氣污染處理工藝

　　3.2.1工藝流程

　　根據(jù)黑煙、粉塵、白煙的形成原因及各自特點，可采用如下工藝對其處理凈化。

　　3.2.2工藝分析

　　3.2.2.1消除黑煙工藝分析

　　燃料在鍋爐中燃燒后產生的煙氣含有大量的硫和氮的氧化物以及粉塵等污染物，對環(huán)境有巨大的污染，如果不進行進化處理就直接排放到大氣中去，會對周邊地區(qū)造成嚴重污染，可超過環(huán)境保護標準數(shù)倍到數(shù)十倍不等。因此，在燃燒前需要對燃料進行預處理，同時改進燃燒技術，加強燃燒后煙氣的除塵、脫硫、脫硝等凈化處理，樹立科學的生產發(fā)展觀，構建環(huán)境友好型燃燒技術。

　　在用戶提供準確的導熱油爐額定功率參數(shù)的基礎上，本項目可根據(jù)用戶的實際參數(shù)設計燃燒爐，使制造的燃燒機風量、長度、直徑滿足生物質燃料充分燃燒，達到導熱油爐額定功率。燃料充分燃燒，可以基本消除黑煙的產生和排放。另外，考慮到燃料因素，在設計燃燒機時實行多級進料；在調試時，若因燃料未充分燃燒，可以延長燃料燃距，使燃料充分燃燒，達到消除黑煙的目的。

　　3.2.2.2除塵工藝分析

　　煙氣除塵一般利用力的作用將粉塵分離，運用到的有重力、慣性力附著力、離心力以及聲波、靜電等。一般采用重力沉降和慣性力對粗顆粒進行分離，離心力常被利用在較高容量下分離除塵，具有較高的除塵效率的是布袋過濾器和靜電除塵器。濕式和文氏—水膜除塵器利用水滴水膜能粘附飛灰的原理，具有很高的除塵效率并且能夠吸收氣態(tài)污染物。

　　因為燃燒產生的煙氣溫度高（近200℃），除塵的首選裝置應采用濕式除塵器，該類除塵器在除塵的同時還起降溫的作用。濕式除塵器常用的有水膜除塵器、填料洗滌器和文丘里洗滌器三種。填料洗滌器因填料成本較高，文丘里洗滌器壓力損失非常大，水膜除塵器雖然除塵效率低于填料洗滌器和文丘里洗滌器，但因其結構簡單、易于操作，且壓力損失最小，所以茂名瀝青儲運中心現(xiàn)有燃煤煙氣的除塵采用的是水膜除塵器。

　　3.2.2.3除霧工藝分析

　　生物質燃料本身屬于清潔燃料，燃燒后產生的煙氣中污染物少，利于保護大氣環(huán)境。但是燃料中少量的水分在燃燒后變成水蒸氣；同時，生物燃料中的有機碳燃燒后生成的產物之一就是水，在高溫下也以水蒸氣形態(tài)釋放，這些水蒸氣隨著煙氣從煙囪口排入大氣中。但是由于煙囪口周圍大氣溫度較低，煙氣中的大量水蒸氣遇冷而冷凝形成液態(tài)水微小顆粒，即“白煙”（或“水霧”）。因為所用燃料是生物質，本身屬于清潔燃料，燃燒后除了可能產生的黑煙和粉塵外，沒有白色的化學物質產生。

　　對于“白煙”（“水霧”），本身只是水蒸氣，無毒無害，但其產生原因是高溫（形成了水蒸氣），要消除白煙，一要降低煙氣溫度，二要減小煙氣速度讓微細的水粒聚集。燃燒爐出來的煙氣經水膜除塵后溫度一般仍達到90℃以上，而且經過水膜除塵器后又有大量的水變成微細的水顆粒（白煙）。工業(yè)上要使煙氣降溫需要消耗大量的冷卻水，熱水再利用又需要冷卻系統(tǒng)，所以是投資很大、運行不經濟的。所以本項目根據(jù)現(xiàn)場實際，利用廠區(qū)的沉淀池來降溫和除水霧，這是技術可行且最經濟的方法。

　　3.3實施方案

　　3.3.1除塵的實施方案

　　燃油技術改為生物質燃燒技術后，在實施運行的頭一個季度內，視粉塵排放情況對現(xiàn)有除塵器進行改造，直到設備達到除塵要求。

　　3.3.2除水霧的實施方案

　　只要將高溫煙氣引入沉淀池，通過加裝空氣分布器使煙氣均勻分攤到沉淀池底部，較高溫度的水霧被冷凝而消除。

　　去除白煙（水霧）在設計時采用下圖的管線布置。首先，除塵后溫度下降的煙氣經總管通過風機引過來，在水平總管的最低處需要預留排水口定期排出管道中的冷凝水；然后，從總管分出若干支管在沉淀冷卻池底部均勻分布，支管上再均勻安裝多個煙氣（空氣）分布器，這樣的布置可確保較高溫度的煙氣被冷卻而使水蒸氣冷凝。

　　4經濟效益和社會效益

　　在全球應對氣候變化，發(fā)展低碳經濟的浪潮中，為中國減少溫室氣體排放，提升產業(yè)結構做出了貢獻。生物質能源是太陽輻射經植物光合轉化后生成的化學態(tài)能源，可以轉化為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)等多種多樣的能源產品。目前中國生產和使用比較廣泛的生物質燃料有沼氣，秸稈熱裂解制氣，秸稈固化成型燃料，燃料酒精和生物柴油。中國發(fā)展生物燃料產業(yè)不僅減少進口石油和減排溫室氣體，更重要的是可以解決三農問題，尤其是農村就業(yè)問題。

　　由于人類過度消費化石燃料，造成臭氧層破壞，全球氣候變暖，酸雨等災難性后果和嚴重的環(huán)境污染。生物質能源，與傳統(tǒng)能源相比，具有可再生，清潔，環(huán)境污染小等無法比擬的優(yōu)勢。居住和生活環(huán)境改善，將有利于婦女、兒童的身心健康，利于社會的可持續(xù)發(fā)展。

　　檢測尾氣采用便攜式氣味檢測儀，型號是OMX-SRM，檢測鍋爐廢氣，精度可以在0.1ppm。檢測儀先把氣體通過泵吸進儀器內，再通過檢測裝置進行精密的檢測，測量值可靠，響應迅速，廣泛應用在大氣環(huán)境檢測，新建房屋甲醛等氣體檢測，有毒工業(yè)廢氣檢測，對環(huán)境監(jiān)測，保護公民生理健康方面有重要的意義。

　　從現(xiàn)場的檢測數(shù)據(jù)可以看出，生物質燃料排放的溫室氣體遠遠達不到煤排放值的一半，生物質燃料有毒煙霧的排放值遠遠不到煤的十分之一。符合國家提出的可持續(xù)發(fā)展的指導思想，低碳環(huán)保，各類排放指標均低于《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271-2001）中一類地區(qū)‖類時段標準值要求，其中二氧化硫、氮氧化物近乎零排放，遠低于煤鍋爐。表2顯示的是生物質燃料的減排數(shù)據(jù)。

　　生物質能源，在廣大農村地區(qū)，具有可再生，資源豐富的優(yōu)點。石油短缺，能源結構不合理是我國的基本國情。充分利用生物質能源如秸稈等替代煤炭，石油和天然氣等燃料可以減少對礦物能源的依賴，保護國家能源資源。

　　瀝青的比熱為：液態(tài)1.34kJ/(kg·℃)，根據(jù)熱值計算公式：Q=cm△t，Q表示熱量，c表示比熱容，m表示質量，△t表示變化的溫度。W=Q=qm，Q某種燃料完全燃燒后放出的熱量，m表示某種燃料的質量，q表示某種燃料的熱值?？梢杂嬎愠黾訜崦繃崬r青每升高1℃，需要消耗煤大約0.3626噸，消耗生物質粉體燃料大約0.3039噸。從加熱的數(shù)據(jù)來看，每個儲罐儲存瀝青2000噸，同時加溫2個儲罐4000噸，一個臺班可升溫11.4℃，平均每小時能升溫大約1.42℃度，除以鍋爐的熱效率92%，能夠達到額定功率2300kW。

　　加熱每噸瀝青每升高1℃消耗煤改性生物質粉體燃料和煤的加熱速率相當，每小時產生176萬大卡熱量。和煤相比，改性生物質粉體燃料可節(jié)約10%費用。每產生176萬大卡熱量（1噸蒸汽）消耗生物質粉體燃料量0.4T，約折合人民幣360元，而煤鍋爐需要消耗0.5T煤，約折合人民幣400元。

　　能創(chuàng)造更多的“綠色工作崗位”。國際金融危機不僅給世界經濟發(fā)展帶來了新挑戰(zhàn)，同時也帶來發(fā)展的新機遇，給發(fā)展包括第二代生物燃料產業(yè)在內的綠色經濟帶來了機遇。創(chuàng)造更多相關職位，同時能夠增加農民收入。

　　生物質燃料更加清潔衛(wèi)生，投料簡便，能夠降低工人的勞動強度，很大程度的改善相關產業(yè)的勞動環(huán)境，同時企業(yè)能夠降低勞動力方面的成本，改善企業(yè)的經濟效益。

　　5總結

　　總的來說，“改性生物質粉體燃料在鍋爐或加溫爐上使用技術的研制”項目自通過省局立項后，茂名瀝青儲運中心與茂名鴻宇節(jié)能技術開發(fā)有限公司根據(jù)項目任務書的要求內容，結合實際情況，積極開展科研工作，已較好完成了項目要求的研究內容，將該技術應用到茂名瀝青儲運中心的有機熱載體爐上，能夠達到額定功率2300kW，并節(jié)約10%燃料費，煙塵排放達到國家允許的排放要求，并擬向相關行業(yè)推廣。

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