0、引言
目前，能源和環境問題已成為全球關注的焦點，雖然石油、煤和天然氣這些常規能源至今仍是燃料的主要來源，但是隨著化石能源的日益枯竭和環境問題的日趨嚴重，開發利用潔凈可再生能源已經成了緊迫的課題。在此背景下，生物質能作為唯．可儲存和運輸的可再生綠色能源，其高效轉換和潔凈利用日益受到世界的重視。
生物質能源是利用綠色植物將太陽能通過光合作用儲存在植物體內的自然資源，它是太陽能的一種廉價儲存方式。利用生物質能的排放量不會超過其生長期間所吸收的碳量，能實現二氧化碳的零排放。從全球持續發展的戰略上看，發揮生物質能的能源潛力和環境潛力是極其重要的。我國是一個農業大國，生物質能源十分豐富，是農村的主要能源，然而存在利用情況落后、污染大等問題。我國農村的秸稈是重要的生物質資源，秸稈燃燒值約為標準煤的55%。我國每年可生產農作物秸稈7億t多，如全部用來燃燒，可折合約4億t標準煤的熱值。生物質燃料的優勢為：生物質的熱值與我國一些地區的層燃爐用煤相當（約16500kj/kg）。生物質主含揮發分，對秸稈和稻殼的熱重分析結果表明：揮發分含量高達70%～85%。這些特性決定了它不僅有良好的代煤效果，也決定了生物質優良的著火燃燒性能。生物質燃料減排CO2和硫的效果十分顯，且具有飛灰少、排渣少、NO，排放低、降低重金屬污染物排放和灰渣可還田等優良的環保特性，可稱之為綠色能源。由于生物質原料價格低廉，制造出的生物質成型燃料也比現在高漲的原煤及型煤具有較大的價格優勢，利于推廣使用。生物質能是可再生能源，在能源日益短缺的今天，開發利用生物質能也具有重大的能源戰略意義。
1、技術分析
國際上對生物質能利用的基本內容是以生物質代替礦物燃料，如壓縮固化、液化或氣化為高品位燃料供發電和動力使用。而在目前的各種代替方式中，液化成本還過高，技術也不成熟；菌解氣化的沼氣在我國農村（如四川、江蘇等地）已較為廣泛地應用，其研究開發利用水平居世界前列，但沼氣的大規模開發應用還存在解決不了的技術經濟問題；熱解氣化技術在我國一些地方（如山東、河南等地）也開展了很多年，并取得可喜的成績。以熱解氣化方式實現低質生物質原料的高檔次利用，其社會效益主要是使農民用上方便清潔的氣體燃料，生活方式發生較大進步，從而提高生活舒適文明程度，節省用于炊事的勞動量和時間，并使環境和庭院衛生有一定改善。生物質氣化目前還存在投資大、技術不過關等問題，只用于小規模炊事用氣，還不能工業化。目前，在技術經濟上最為可行的生物質能利用技術為生物質能成型燃料技術，加之氣化燃燒。
20世紀30年代開始，許多發達國家（如美國、日本、芬蘭）都投入了大量人力和物力來研究生物質成型技術及木質成型燃料；80年代后，技術日趨成熟，形成了一定規模；90年代，日本、美國及歐洲一些國家生物質木質
顆粒燃料燃燒設備已經定型，并形成了產業化，在加熱、供暖、干燥等領域已推廣應用。我國的生物質燃料以農作物秸稈為主，因此國外的經驗不適合我國國情。
目前，制約我國生物質燃料成型燃料推廣應用的關鍵問題是還沒有與之相適應的燃燒設備。我國在生物質成型燃料燃燒方面的研究較少，關于生物質成型燃料燃燒設備的研究、設計及制造遠不能滿足日益增長的需求。生物質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別。一些單位盲目地將燃煤設備改造成生物質成型燃料燃燒設備，但改造后的設備不符合生物質成型燃料的特性要求，致使燃燒惡化、熱效率低下、傳熱差、換熱面結渣、換熱面經常堵塞以及污染大。根據生物質成型燃料的燃燒理論，實驗研究來開發設計合理的燃燒設備及換熱設備是非常重要和迫切的課題，這對于推廣生物質能的利用工作意義重大。
本文的目的是開發出結構全新、環保指標與燃油鍋爐接近、高效節能、運行費用低、出力大和容量大的新一代生物質鍋爐。
2、基礎實驗與研究
2.1 燃燒特性實驗研究
生物質成型燃料發熱量、元素分析、工業分析和灰溶性研究等燃料特性，諸如著火過程、熱解氣化過程、燃燒速率等燃燒特性。
2.2鍋爐模擬實驗研究
此研究模擬實際的鍋爐，在模擬實驗臺上進行燃燒、傳熱及排放性能的實驗，最后得到具有實際價值的結果，作為優化設計的依據。
2.3優化設計模型和計算機優化程序
建立合理的數學模型，編寫完整嚴謹的優化算法，并將優化思想靈活地應用在程序設計之中。開發的軟件界面可視化效果好，人機對話窗口操作簡單，使得設計人員在幾分鐘內就可以完成在以前幾個星期都難以完成的計算，而且得到是經過比較的最優設計結果。這就大大縮短了鍋爐新型開發的周期，提高了設計的質量。
通過設計參數和實驗結果的比較分析，得出優化設計軟件的設計結果，為實際設計提供參考和依據。
3、結構及設計特點
力求研制出新一代的高效節能潔凈燃燒生物質鍋爐。通過詳盡地調研國外類似的裝置，找出其不足，確定目標。項目目標：一是高熱效率；二是低大氣排放指標；三是創新的燃燒方式及結構；四是改進的換熱結構；五是低制造成本。
3.1技術難點
為了實現生物質燃料持續穩定、高效潔凈燃燒的目標，針對此類燃料特點，解決配風、爐內消煙除塵結構、對流換熱面的結渣以及高效傳熱等問題。
3.2技術關鍵
設計獨特的雙燃燒室結構，采用氣化燃燒復合形式；采用燃燼、降塵、凝渣及輻射傳熱的組合結構；以優化配風控制不同工況的燃燒供氧需求；設計高強化對流換熱面。研制出適用于生物質燃料的綠色環保、高效節能的燃燒氣化換熱一體化爐，主要應用在供熱場合。
經過4輪試制與改進，確定基本結構為三室結構，研制出氣化復合燃燒、強化傳熱和一體化形式的高效節能潔凈燃燒生物質鍋爐。
新型生物質鍋爐結構原理如圖l所示，其結構特點為燃燒部分采用三室結構，即固相燃燒室、氣相燃燒室及燃燼除塵室。
在固相燃燒室內，為生物質成型燃料提供熱解氣化熱量，并產生生物質燃氣。在底部下吸式結構里，生物質燃氣被濾清凈化，然后進入氣相燃燒室，實現均相動力燃燒。氣相燃燒室尾部采用了旋流結構，使燃氣火焰得到充分擾流，從而促進燃燒完全。
燃燒除塵室采用了燃燼、降塵、凝渣及輻射傳熱的組合結構，達到潔凈燃燒及輻射換熱的雙重效果。，
經過計算機優化設計，得到高強化傳熱、低流動阻力的優化對流換熱面。實踐表明，新型復合燃燒氣化傳熱一體化鍋爐具有高效節能、潔凈燃燒、結構新穎、出力大和使用方便等特點。
4、樣機實驗及應用推廣
以WSS2.8 - 80/60 - SW生物質氣化燃燒換熱一體化熱水鍋爐為例，介紹其性能指標及設計計算。
為了便于計算機編程，筆者將物性參數、燃燒計算圖表和傳熱計算圖表等都在計算機上整理成解析式。設計計算的原始參數及計算結果如下：
額定功率/MW: 2.8
出水溫度℃／：80
回水溫度／℃：60
循環水流量/kg．h-1：120 000
冷空氣溫度／℃：20
燃料：玉米秸稈成型燃料
燃料低位發熱量/kJ·kg一：16 284
燃料消耗量/kg．h-1: 764
設計熱效率/o_/o：81
爐柵面積/m2：4
氣相燃燒室容積／m3：18
排煙溫度／℃：185
有效輻射受熱面積/m2：26.6
第1級水管管束受熱面移/m2：47.9
第2級水管管束受熱面積/m2：38.3
爐內總壓降/Pa：1193
煙氣總流量／m3：8 974
2007年8月，試制出熱功率為l t/h的氣化燃燒換熱一體化生物質蒸汽鍋爐，用于吉林建筑工程學院城建學院的生活用汽，替代了原來的2Uh型煤蒸汽鍋爐；同年IO月，兩臺2.8MW氣化燃燒換熱一體化生物質熱水鍋爐投產；11月，在長春國際家具博覽中心（吉盛偉邦）投入運行，其采暖面積為44 000cri2。
2007年11月，一臺0.06MW生物質熱水鍋爐用于陽光華爾茲營銷中心采暖。同月，一臺1. 4MW生物質熱水鍋爐用于名陽物業11 000m2小區采暖。
2007年12月，一臺0.5MW生物質熱水鍋爐和一臺0. 05t/h生物質蒸汽鍋爐共同為二道大眾洗浴提供熱源。
實際應用表明，氣化燃燒換熱一體化生物質鍋爐具有一系列獨特的優點，環保指標優良，結構新穎。另外，此裝置結構簡單，容易制造，體積和質量大大降低，成本低廉，性能可靠。
吉林省能源利用監測中心對WSS2.8 - 80/60 -SW生物質氣化燃燒換熱一體化熱水鍋爐進行了熱工性能測試，其熱效率達到82.75%；對DHSI,0 -0.7 -SW生物質氣化燃燒換熱一體化蒸汽鍋爐進行了測試，其熱效率達到80.8%，高于型煤鍋爐15%～ 20%。
吉林省環保產品質量檢驗站進行了環境監測．其檢測結果為：WSS2.8 - 80/60 - SW生物質氣化燃燒換熱一體化熱水鍋爐的煙氣林格曼黑度接近O級，原始出口煙塵濃度為61.8 mg/Nm3．二氧化硫濃度接近Omg/Nm3，氮氧化物331mg/Nm3；DHS1.0 -0.7- SW生物質氣化燃燒換熱一體化蒸汽鍋爐的煙氣林格曼黑度接近0級，原始出口煙塵濃度65,4 mg/Nm3，二氧化硫濃度6mg/Nm3，氮氧化物97mg／Nm3，環境指標遠優于國家鍋爐大氣排放污染物排放標準。
吉林省僅玉米秸稈每年產量就為3000萬t，其熱值比型煤熱值高，大約在16 500kj/kg。玉米秸稈收購價約為70元／t，成型燃料價格在350元／t，而型煤的價格已經上漲到420元／t。長春市內每年用型煤量為70萬t，如改用玉米秸稈成型燃料可節省燃料費約4 900萬元。吉林省是農業大省，生物質能過剩，而煤炭短缺。本文的生物質復合燃燒氣化換熱一體化鍋爐制造成本低于型煤鍋爐，節能15%～20%以上，壽命長5倍，而且沒有型煤鍋爐的煤渣污染，其灰渣能夠還田改良土壤，保持生態平衡。
農作物秸稈其實也是一種很好的資源，如果可以其中回收經秸稈粉碎機粉碎然后再經過秸稈壓塊機、秸稈顆粒機、飼料顆粒機壓制成生物質燃料飼料供燃燒和牲畜食用不是也是一個兩全其美的方法么，而且，如果拿到外面銷售老百姓也可以增加收入。
5、結論
1)本文對氣化燃燒換熱一體化生物質鍋爐進行了基礎性研究，研究成果具有一定的創新性和實用性。建立了該形式生物質鍋爐的數學模型，編制了優化設計程序。
2)利用計算機優化設計設計軟件進行了設計計算，研制出數種規格的樣機。其機型具有結構新穎、高效節能、大氣排放指標低和價格低廉等特點。
3)經吉林省科學技術信息研究所查新表明，其結構屬于國內首創，現已獲得兩項國家專利。
4)經吉林省能源利用檢測中心熱工檢測和吉林省環保產品質量檢驗站環保測試的結果表明，樣機各。項指標已超過國內其它類型生物質鍋爐的指標，特別是與當前市場上環保型煤鍋爐相比，其優點：一是更加優異的環保指標，優于型煤鍋爐；二是突出的節能效果，節能可達20%；三是更加低廉的燃料價格；四是上溫（氣）快、出力大；五是無低溫腐蝕，壽命大大延長；六是爐灰變寶。
綜上所述，本文論述的生物質鍋爐符合國家的能源政策和環保政策，推廣應用前景廣闊，經濟效益和社會效益顯著。
三門峽富通新能源銷售生產生物質鍋爐以及銷售生產生物質顆粒燃料的
木屑顆粒機、
秸稈壓塊機等機械設備。
