0、引盲
    目前，能源和環(huán)境問題已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，雖然石油、煤和天然氣這些常規(guī)能源至今仍是燃料的主要來(lái)源，但是隨著化石能源的日益桔竭和環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，開發(fā)利用潔凈可再生能源已經(jīng)成了緊迫的課題。在此背景下，生物質(zhì)能作為唯一可儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)目稍偕�綠色能源，其高效轉(zhuǎn)換和潔凈利用日益受到重視。
    生物質(zhì)能源是利用綠色植物將太陽(yáng)能通過(guò)光合作用儲(chǔ)存在植物體內(nèi)的自然資源，它是太陽(yáng)能的一種廉價(jià)儲(chǔ)存方式。利用生物質(zhì)能的排放量不會(huì)超過(guò)其生長(zhǎng)期間所吸收的碳量，能實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放。從全國(guó)持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略上看，發(fā)揮生物質(zhì)能的能源潛力和環(huán)境潛力是極其重要的。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)能源十分豐富，是農(nóng)村的主要能源，然而存在利用率低、污染大等問題。我國(guó)農(nóng)村的秸稈是重要的生物質(zhì)資源，秸稈燃燒值約為標(biāo)準(zhǔn)煤的55%。我國(guó)每年可生產(chǎn)農(nóng)作物秸稈7億多噸，如全部用來(lái)燃燒，可折合約4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值。生物質(zhì)燃料的優(yōu)勢(shì)為：生物質(zhì)的熱值與我國(guó)一些地區(qū)的層燃爐用煤相當(dāng)(約16500kJ／kg)。生物質(zhì)的揮發(fā)分含量高達(dá)70% -85%。這些特性決定了它不僅有良好的代煤效果，也決定了生物質(zhì)優(yōu)良的著火燃燒性能。生物質(zhì)燃料減排C02和硫的效果十分明顯，且具有飛灰少、排渣少、NOx捧放低、降低重金屬污染物捧放和灰渣可還田等優(yōu)良的環(huán)保特性，可稱之為綠色能源。由于生物質(zhì)原料價(jià)格低廉，制造出的生物質(zhì)成型燃料也比現(xiàn)在高漲的原煤及型煤具有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，利于推廣使用。生物質(zhì)能是可再生能源，在能源日益短缺的今天，開發(fā)利用生物質(zhì)能也具有重大的能源戰(zhàn)略意義。
    目前，我國(guó)擁有的燃煤工業(yè)鍋爐大都分布在城區(qū)內(nèi)及城市周邊，由于燒的都是含硫量高的劣質(zhì)煤，因鍋爐無(wú)脫硫裝置，加上操作等因素，冒黑煙、硫污染等直接影響了城市及周邊的空氣質(zhì)量，為此，取消城市煤鍋爐及煤改氣、電的呼聲很高。但由于氣源緊張、電價(jià)昂貴，而城市熱力又達(dá)不到的區(qū)域，收效甚微。用清潔的生物質(zhì)燃料替代煤，在城區(qū)內(nèi)及城市周邊鍋爐內(nèi)使用就成為首選。但目前大多數(shù)鍋爐的結(jié)構(gòu)均不適合使用生物質(zhì)燃料（仍有冒黑煙、粉塵污染等現(xiàn)象），現(xiàn)有鍋爐均在原有層燃燃煤鏈條爐基礎(chǔ)上改用生物質(zhì)燃料，使用中過(guò)�？諝庀禂�(shù)超標(biāo)，正壓燃燒明顯，燃燒不徹底且運(yùn)行中由于爐膛溫度太高，積灰導(dǎo)致受熱面磨損造成事故，對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全帶來(lái)隱患。通過(guò)生物質(zhì)成型燃料鍋爐的研發(fā)，解決了生物質(zhì)燃料在鍋爐中的燃燒問題，使生物質(zhì)燃料燃燒完全，并解決冒黑煙的本質(zhì)問題，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)我們還大量銷售楊木木屑顆粒燃料。
1、技術(shù)分析
    國(guó)際上對(duì)生物質(zhì)能利用的基本內(nèi)容是以生物質(zhì)代替礦物燃料，如壓縮固化、液化或氣化為高品位燃料供發(fā)電和動(dòng)力使用。目前世界各國(guó)在中小型工業(yè)鍋爐上都有生物質(zhì)燃料的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)尚在起步階段，新的爐型較少，大部分都是燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)燃料，但是由于生物質(zhì)燃料與煤的燃燒特性不同，所以原有鍋爐結(jié)構(gòu)與操作工藝必須加以改造和改進(jìn)，否則將出現(xiàn)鍋爐出力、鍋爐熱效率大幅下降，甚至出現(xiàn)鍋爐設(shè)備事故造成損失。目前，制約我國(guó)生物質(zhì)燃料成型燃料推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題是還沒有與之相適應(yīng)的燃燒設(shè)備．我國(guó)在生物質(zhì)成型燃料燃燒方面的研究較少，關(guān)于生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備的研究、設(shè)計(jì)及制造遠(yuǎn)不能滿足日益增長(zhǎng)的需求。生物質(zhì)成型燃料具有它本身的燃燒及熱工特性，這與化石燃料又有很大的區(qū)別。近幾年，隨著煤炭?jī)r(jià)格的不斷上漲，為了降低生產(chǎn)成本，許多企業(yè)直接利用原有的層燃燃煤鍋爐改燒木屑、木柴、秸桿、稻殼等生物質(zhì)廢棄物，不僅減少了燃料費(fèi)用，而且減少了S02的排放，同時(shí)解決了這些廢棄物的處理難題，具有很好的節(jié)能環(huán)保效益。一些單位盲目地將燃煤設(shè)備改造成生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備，但改造后的設(shè)備不符合生物質(zhì)成型燃料的特性要求，致使燃燒惡化、熱效率低下、傳熱差、換熱面結(jié)渣、換熱面經(jīng)常堵塞以及污染大。根據(jù)生物質(zhì)成型燃料的燃燒理論，實(shí)驗(yàn)研究來(lái)開發(fā)設(shè)計(jì)合理的燃燒設(shè)備及換熱設(shè)備是非常重要和迫切的課題，這對(duì)于推廣生物質(zhì)能的利用工作意義重大。
    本文的目的是開發(fā)出高效節(jié)能、低排放、出力大、運(yùn)行費(fèi)用低、安全經(jīng)濟(jì)的生物質(zhì)成型燃料工業(yè)鍋爐。
    2基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與研究
    2.1燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究
    生物質(zhì)成型燃料發(fā)熱量、元素分析、工業(yè)分析和灰溶性研究等燃料特性，諸如著火過(guò)程、熱解氣化過(guò)程、燃燒速率等燃燒特性。
    2.2鍋爐改造實(shí)驗(yàn)研究
    此研究在原有層燃燃煤鏈條爐基礎(chǔ)上改造，鍋爐改用生物質(zhì)燃料進(jìn)行燃燒、傳熱及排放性能的實(shí)驗(yàn)，最后得到具有實(shí)際價(jià)值的結(jié)果，作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。
    2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和計(jì)算機(jī)優(yōu)化程序
    建立合理的數(shù)學(xué)模型，編寫完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?yōu)化算法，并將優(yōu)化思想靈活地應(yīng)用在程序設(shè)計(jì)之中。開發(fā)的軟件界面可視化效果好，人機(jī)對(duì)話窗口操作簡(jiǎn)單，使得設(shè)計(jì)人員在幾分鐘內(nèi)就可以完成在以前幾個(gè)星期都難以完成的計(jì)算，而且得到是經(jīng)過(guò)比較的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。這就大大縮短了鍋爐新型開發(fā)的周期，提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量。通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析，得出優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果，力實(shí)際設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。
3、關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)
    力求研制出高效節(jié)能生物質(zhì)成型燃料工業(yè)鍋爐。通過(guò)詳盡地調(diào)研國(guó)內(nèi)外同類的裝置，找出其不足，確定目標(biāo)。
    項(xiàng)目目標(biāo)：一是高熱效率：二是低大氣排放指標(biāo)：三是創(chuàng)新燃燒方式及結(jié)構(gòu)：四是改進(jìn)換熱結(jié)構(gòu)：五是鍋爐出力達(dá)到或超過(guò)燃煤狀態(tài)時(shí)的水平：六是創(chuàng)新設(shè)計(jì)連續(xù)均勻的送料機(jī)構(gòu)：七是優(yōu)化鍋爐（自動(dòng)）示控操作系統(tǒng)。
    3.1技術(shù)難點(diǎn)
    由于生物質(zhì)燃料燃燒過(guò)程與煤存在差異，所以生物質(zhì)燃料鍋爐的設(shè)計(jì)要結(jié)合生物質(zhì)燃燒的特點(diǎn)，如爐膛容積要大，燃燒擾動(dòng)要充分，爐膛內(nèi)受熱面布置要充分。為了保證鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，鍋爐本體各部分形狀、尺寸、相對(duì)位置都有一定要求，并且在受熱面的某些部位還應(yīng)保證一定的煙氣和工質(zhì)參數(shù)，如溫度、壓力、流速等，其中，爐膛形狀和容積大小對(duì)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有很大影響。目前，許多企業(yè)都直接利用DZL型層燃燃煤鍋爐燃燒生物質(zhì)燃料，由于其原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不適應(yīng)生物質(zhì)燃料，會(huì)產(chǎn)生許多問題，如：爐膛容積過(guò)小，容積熱負(fù)荷過(guò)大；爐膛出口溫度過(guò)高：煙氣量增加、流速過(guò)快，熱交換過(guò)強(qiáng)等。
    在工業(yè)鍋爐中，爐膛容積熟負(fù)荷是燃燒設(shè)備的主要特性參數(shù)之一，所謂爐膛容積熱負(fù)荷qv是指單位容積爐膛所能發(fā)出的功率，或單位爐膛容積在單位時(shí)間內(nèi)燃料燃燒放出的熱量·對(duì)于層燃爐來(lái)說(shuō)，由于燃料的熱量主要在爐捧面上放出，所以從燃燒的角度看，爐膛容積熱負(fù)荷只是一個(gè)控制性的指標(biāo)，爐膛容積大小并不是影響燃燒效率的主要因素。但是對(duì)于室燃爐來(lái)說(shuō)，爐膛容積熱負(fù)荷就十分重要，它影響著燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間和爐膛的出口溫度·爐膛容積熱負(fù)荷取得過(guò)高即爐膛容積設(shè)計(jì)得過(guò)小，燃料就會(huì)來(lái)不及燃盡就捧出爐膛，過(guò)小的爐膛容積還會(huì)使受熱面的布置產(chǎn)生困難，減小爐內(nèi)的輻射換熱量，導(dǎo)致爐膛出口溫度過(guò)高。為了實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料持續(xù)穩(wěn)定、高效潔凈燃燒的目標(biāo)，針對(duì)此類燃料特點(diǎn)，解決配風(fēng)、爐內(nèi)消煙除塵結(jié)構(gòu)、對(duì)流換熱面的結(jié)渣以及高效傳熱等問題。
    3.2技術(shù)關(guān)鍵
    (1)通過(guò)理論研究和試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證燃料輸送的穩(wěn)定性和可靠性。
    (2)通過(guò)理論分析和試驗(yàn)來(lái)確定一、二次風(fēng)的輸送量，以及送風(fēng)位置，優(yōu)化配風(fēng)系統(tǒng)。
    (3)通過(guò)熱力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理布置爐膛內(nèi)部受熱面，實(shí)現(xiàn)爐膛和生物質(zhì)燃料燃燒的良好配合。使得整套機(jī)組既取得很高的燃燒效率，又在爐內(nèi)不發(fā)生結(jié)渣：
    (4)設(shè)計(jì)一套邏輯保護(hù)系統(tǒng)，使得機(jī)組在啟�；蛘咦冐�(fù)荷工況下，能安全穩(wěn)定運(yùn)行。
    (5)由于生物質(zhì)燃料品種的多樣性，且產(chǎn)地及氣候等因素影響也較大，其特性有較大差異。生物質(zhì)燃料的灰熔點(diǎn)相對(duì)較低，其變形溫度一般為850—900℃，因此灰渣容易在爐攤、爐墻及爐拱上結(jié)渣，使鍋爐不能正常運(yùn)行。綜合考慮上述因素，克服結(jié)渣問題，提高鍋爐效率，選取較低的鍋爐爐膛容積熱負(fù)荷。
    (6)生物質(zhì)鍋爐采用國(guó)內(nèi)較成熟的水火管結(jié)構(gòu)，但進(jìn)行了改進(jìn)以適應(yīng)生物質(zhì)燃燒特點(diǎn)。鍋爐本體由縱置鍋筒、爐膛水冷壁膜式壁管、二回程煙管、三回程煙管、后水冷壁管、左右下集箱等部件組成。爐膛下部采用鏈條爐排，生物質(zhì)燃料在爐排上燃燒。
    3.3系統(tǒng)組成及整機(jī)特性
    圖3-1為燃用生物質(zhì)高效環(huán)保工業(yè)鍋爐系統(tǒng)．整套系統(tǒng)由鍋爐本體、燃料送料機(jī)構(gòu)、送引風(fēng)系統(tǒng)，給水及水處理系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成．
    實(shí)踐表明，新穎的生物質(zhì)成型燃料工業(yè)鍋爐具有以下特性：
    (1)熱效率高，捧放指標(biāo)達(dá)到環(huán)保要求，能在I類地區(qū)使用，具有良好的節(jié)能和環(huán)保效果，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外屬于首創(chuàng)：
    (2)送料機(jī)構(gòu)連續(xù)均勻，爐膛結(jié)構(gòu)和受熱面優(yōu)化，與生物質(zhì)燃料燃燒特性高度適配：
    (3)增加二次配風(fēng)，優(yōu)化系統(tǒng)配風(fēng)，確保燃燒充分穩(wěn)定；
    (4)鍋爐送料機(jī)構(gòu)、給水泵、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、爐排均采用變頻電機(jī)，運(yùn)行中根據(jù)負(fù)荷及燃料品質(zhì)變化及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少排煙熱損失，燃料燃燒徹底充分，大大降低不完全燃燒損失，提高鍋爐能效，杜絕冒黑煙。
4、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用推廣
  以DZL4 -1. 25-M生物質(zhì)鍋爐為例，設(shè)計(jì)計(jì)算的原始參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如下：
  額定蒸發(fā)量：4t/h
  額定蒸汽壓力：1. 25MPa
  額定蒸汽溫度：194℃
  燃料：生物質(zhì)成型燃料
  節(jié)能器出水溫度：80℃
  一次風(fēng)溫度：20℃
  二次風(fēng)溫度：115℃：
  燃料低位發(fā)熱量：3940Kcal/kg（以秸稈為例）
  燃料消耗量：760 kg/h
  設(shè)計(jì)熱效率：81/96
  爐捧有效面積：5. 4m2
  爐膛容積：7.5曩3
  捧煙溫度：135℃
  有效輻射受熱面積：10. 8H12
  水管管束受熱面積：16. 6W2
  煙管管束受熱面積：10l. 5ni2
  煙氣總流量：8600 m3
  2010年10月，對(duì)二臺(tái)DZL4-10-AII的層燃燃煤鏈條爐改造，鍋爐改用生物質(zhì)燃料進(jìn)行燃燒，用于西江服裝后整理（嘉興）有限公司和伊諾華橡膠（平湖）有限公司的工業(yè)用汽，替代了原來(lái)的4-10t/h燃煤蒸汽鍋爐。201 1年1月，研究開發(fā)DZL4 -1. 25-M生物質(zhì)燃料鍋爐，用于浙江文娜針織有限公司提供工業(yè)熱源。實(shí)際應(yīng)用表明，生物質(zhì)燃料工業(yè)鍋爐具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且新穎，容易制造，性能可靠，熱效率高，環(huán)保指標(biāo)優(yōu)良。浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院對(duì)DZL4-1, 25-M生物質(zhì)燃料鍋爐進(jìn)行了熱工性能測(cè)試，其熱效率達(dá)到88. 3%，高于TSG G0002-2010《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》型煤鍋爐熱效率限定值10. 3%。嘉興市環(huán)保測(cè)試站對(duì)DZL4-1. 25-M生物質(zhì)燃料鍋爐大氣排放污染物進(jìn)行了環(huán)境監(jiān)測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果為：DZL4 -1. 25-M生物質(zhì)鍋爐的煙氣林格曼黑度達(dá)到I級(jí)，原始出口煙塵濃度為1. 3mg  /m3，二氧化硫濃度24mg／m3，氮氧化物91. 2mg /m3：環(huán)境指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家鍋爐大氣排放污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。秸稈熱值比型煤熱值高，大約在16500kJ，kg。秸稈收購(gòu)價(jià)約為130元／噸，成型燃料價(jià)格在350 -450元／噸，而型煤的價(jià)格已經(jīng)上漲到1000元／噸。浙江省每年可能源化利用的秸稈資源量約1000多萬(wàn)噸，生物質(zhì)能源過(guò)剩，麗煤炭短缺，若完全能源化利用，節(jié)能潛力相當(dāng)巨大。本文的生物質(zhì)燃料鍋爐運(yùn)行費(fèi)用與燃煤比較，可節(jié)省20%-40%：而且沒有型煤鍋爐的煤渣污染，其灰渣能夠還田改良土壤，保持生態(tài)平衡．
5、結(jié)論
    1)本文對(duì)生物質(zhì)燃料鍋爐進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，研究成果具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性。建立了該形式生物質(zhì)鍋爐的數(shù)學(xué)模型，編制了優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。
    2)利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，研制出系列規(guī)格的鍋爐樣機(jī)。具有結(jié)構(gòu)新穎、高效節(jié)能、大氣捧放指標(biāo)低和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。
    3)經(jīng)浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院熱工檢測(cè)和嘉興市環(huán)保測(cè)試站測(cè)試的結(jié)果表明，鍋爐各項(xiàng)指標(biāo)已超過(guò)國(guó)內(nèi)其它類型鍋爐的指標(biāo)，特別是與當(dāng)前市場(chǎng)上燃煤鍋爐相比，其優(yōu)點(diǎn)：一是更加優(yōu)異的環(huán)保指標(biāo)，優(yōu)于型煤鍋爐，達(dá)到國(guó)家l類地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)，可在I類地區(qū)使用：=是突出的節(jié)能效果，運(yùn)行費(fèi)用與燃煤比較，可節(jié)省20%-405;三是更加低廉的燃料價(jià)格：四是鍋爐出力可達(dá)到或超過(guò)燃煤狀態(tài)時(shí)的水平：五是爐灰變寶，還田改良土壤，保持生態(tài)平衡。綜上所述，本文論述的生物質(zhì)鍋爐符合國(guó)家的能源政策和環(huán)保政策，推廣應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。