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生物质户用供热技术发展现状及展望 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 14-02-28

0、前言
    冬季采暖是中国北方地区城镇居民的基本生活要求。我国城镇集中供热已有几十年的历史,但在广大农村地区,受居住条件和经济发展关系的制约,农民的冬季取暖基本由各农户自行解决,供热燃料一般都是以薪柴、煤炭为主,造成了供热效率低、资源浪费和环境污染等问题。农民户用供热所消耗的能源占到我国农村能源消费总量的一大部分,富通新能源生产销售秸秆颗粒机木屑颗粒机等农作物秸秆成型机械设备。
    由于化石能源的短缺以及化石燃料燃烧所造成的环境污染、温室效应等不良后果,促使各国都在积极寻找新的替代能源和研发新的供热技术。生物质固体成型燃料作为生物质能主要利用形式之一,具有燃烧效率高、便于运输、使用方便等优点,可用于农村居民户用采暖,为农村居民提供清洁能源。
    本文综述了国内外生物质固体成型燃料供热技术产业发展现状,分析了目前存在的主要问题和发展方向,以期为我国生物质固体成型燃料供热技术产业的发展提供参考。
1、国内外产业发展现状
    目前,我国农村地区供热燃料以薪柴、煤炭为主,用生物质固体成型燃料进行供热并不多见。在燃烧设备方面,开发了生物质燃烧器、生物质炊事采暖炉、生物质常压热水锅炉等。
    生物质固体成型燃料供热技术在欧洲各国发展的比较成熟,以瑞典、奥地利、德国为代表。在瑞典户用供热的主要方式是单户自给供热和区域集中供热。其中,单户自给供热主要有电加热供热、燃油供热、混合燃料供热、生物质燃料供热。20世纪70-80年代,石油危机的出现以及瑞典对化石燃料税的征收,促进了电加热供热技术和区域供热技术的发展。在此过程中,有些区域供热厂利用未加工的木质燃料代替燃油。到1980年,生物固体成型燃料开始用于供热。随着生物质颗粒燃烧技术的逐渐成熟,户用生物质颗粒加热设备(生物质颗粒燃烧器、生物质颗粒炉)逐渐开始取代原先使用的燃油加热设备和电加热设备。
    此外,欧洲各国开发出了生物质能和太阳能联合供热系统,并且使这项技术得到快速发展。在2004年,瑞典安装了大约2万套太阳能供热装置,其中70%~80%的太阳能供热装置是用于生物质能和太阳能联合供热系统。
2、国内外技术发展现状
2.1国内现状
    王立璞把太阳能集热技术、生物质厌氧发酵技术和地板采暖技术3者结合起来,设计了太阳能和生物质能互补的地板采暖系统,分析了系统的热力性能。毕慧杰通过分析区域供热锅炉房燃煤与燃烧生物质颗粒燃料工艺的不同,提出了同时适用2种燃料的工艺系统以及工艺改造措施,并对其进行了经济性的分析。
2.2国外现状
    目前,欧洲市场上比较多见的生物质加热技术分为集中供热锅炉(central heating boilers)和生物质燃烧炉(pellet stoves)两种类型。
2.2.1集中供热锅炉技术类型
    集中供热锅炉是指可向多个独立的空间供热的加热设备,主要用于单户或者多户家庭供热。其工作原理是通过生物质燃烧器加热锅炉中的水,然后被加热的水通过室内的散热片向室内释放热量。目前,集中加热锅炉的最大功率从10 kW到40 kW不等,自动化程度比较高,可以实现燃烧功率的连续调节,调节范围是30%—100%。根据结构的不同,集中供热锅炉可分为组合式锅炉和整体式锅炉。
    组合式锅炉在瑞典比较多见,是在燃油锅炉的基础上改造的。它由生物质颗粒燃烧器和锅炉组成,二者可分离。一般带有外置的料仓,通过螺旋机构向燃烧器自动供料。具有成本低,消费者易于接受等优点,有利于广泛推广。
    然而,采用同一种结构的锅炉燃烧两种性质完全不同的燃料(燃料油和生物质颗粒燃料)存在一定的问题:①燃油锅炉不产生灰渣,但是燃烧生物质颗粒却会产生大量灰渣,原有锅炉结构无法满足自动排灰渣的要求,缩短了人工清灰的周期。②仅能输出固定的功率或只有2到3个功率档位可调,不能实现输出功率的连续调节,导致锅炉的效率不高,一般在85qo以下。③一般没有安装精确的测控装置,不能及时监测排放物中CO,02的浓度以及烟气的温度,因此,无法根据燃烧状况及时调节进料量和空气供给量,导致燃烧性能差,污染物排放量大等问题。
    整体式锅炉在奥地利和德国比较多见,瑞典目前主要是从国外进口。整体式锅炉与组合式锅炉类似,由生物质颗粒燃烧器和锅炉两部分组成,但这两部分是不可分离的,并带有内置料仓。该类型的锅炉是根据生物质颗粒的燃烧特性专门进行设计的,因此,性能上优于组合式锅炉。其主要优点:①自动化程度比较高。生物质燃烧器和烟道中带有可以自动清灰的螺旋机构,不仅可以自动清灰还具有紊流作用,有利于热量的交换。有的生产商还安装了内置式灰渣压缩机,使得人工清理的周期有效延长。②可实现输出功率的连续调节,提高了锅炉的燃烧效率和供热性能。③安装了02传感器、空气供给装置。可及时根据烟气中的氧含量判断燃烧状况并及时调整进料量和空气供给量以达到最佳比例,使燃料充分燃烧,燃烧效率高达94%,降低了污染物排放。但整体式锅炉价格高,在推广过程中难度较大。
    组合式锅炉和整体式锅炉的比较见表l。
2.2.2生物质燃烧炉
    生物质燃烧炉主要适用于室内单个的房间、公寓(compact apartrnent)等小空间供热。它通过对流和辐射作用直接与室内空气进行热交换,从而达到供暖的目的某些生物质燃烧炉还附有水套,与室内的散热片连接,通过散热片进行热量交换。户用生物质燃烧炉的功率在10 kW左右,有的可以根据室内温度自动或人工调节。
    目前应用的有两类生物质炉具:独立颗粒炉具(图3所示)和烟囱一体式炉具。烟囱一体式炉具适于安装在壁炉中,而独立式颗粒炉应用较为普遍。在生物质炉具中,颗粒燃料在一个内置的燃烧器中点火、燃烧,这与颗粒锅炉类似。大多数的生物质锅炉采用斜置螺旋将颗粒燃料从内置或外部料仓运送到燃烧盘,燃烧盘底部开有小孔,能够保证一次空气和自动点火所需的热空气进入,在燃烧盘壁上同样开有小孔,能够对二次进风预先加热。燃烧器底部的吸气管将提供燃烧空气,通常采用鼓风机提供助燃空气,并促进炉具与周围空气的热交换.
213生物质能和太阳能联合供热系统
    生物质能和太阳能联合供热系统是在生物质能供热系统和太阳能供热系统的基础上发展起来的,弥补了生物质能和太阳能各自单独供热的缺点,完全利用可再生能源,且可以满足在不同季节的供热需求。
2.3.1工作原理
    在冬天供热时,生物质供热系统将起主导作用,而太阳能供热作为辅助能源,在满足供热的条件下充分利用太阳能供热,这样可以在一定程度上减少生物质的使用,节约能源。在夏天时,对供热需求少,太阳能供热起主导作用,而生物质供热系统起辅助作用,在日照不充足的天气或者是在夜间,太阳能供热不能满足要求时,生物质供热系统启动,提供热量。从而减少在非供热季节生物质供热系统的低负荷运行或者是循环启动的次数,从而降低污染物的排放。
2.3.2结构组成
    太阳能和生物质能联合加热系统大致有6部分组成:生物质加热设备、太阳能集热器、储热设备、测控装置、传输管路、供热终端。
    (1)生物质加热设备。生物质加热设备通过燃烧生物质为供热系统提供热量,不同类型的系统使用的生物质加热设备不同,主要有生物质锅炉、生物质燃烧炉、生物质颗粒燃烧器等。
    (2)太阳能集热器。太阳能集热器将太阳能转换成热能,为供热系统提供热量,可以根据热量负载的大小来决定太阳能集热器的安装面积。
    (3)储热设备。储热设备是热量交换的中间站,带有换热器,吸取由生物质加热设备和太阳能集热器所提供的热量,并通过换热器将热量传递给供热终端;另一个作用是储备家用热水。不同类型系统的储热设备结构差异较大。
    (4)测控装置。测控装置是整个供热系统的中枢,起到协调各部分有序运行的作用,决定着供热系统的供热性能和使用的方便性。基本工作过程是通过检测太阳能集热器的出水温度、储热设备的温度、供热终端的进出水温度来控制系统各部分的运行。
    (5)传输管路。传输管路包括管道和连接管道的阀门以及调整水循环速率的水泵。
    (6)供热终端。供热终端包括两部分:供热水终端和供暖终端。供暖终端通过辐射和对流作用与室内的空气进行热量交换,最终达到供暖的目的。供暖终端主要有暖气片、风机盘管、地板供热等。
2.3.3生物质和太阳能联合供热系统的类型
    目前,在欧洲各国,生物质和太阳能联合供热系统虽然设计思想以及结构类似,但因供热系统中各部分连接关系不同,使得市场上的生物质和太阳能混合供热系统的种类很多。以下两个类型的系统具有代表性。
    (1)生物质和太阳能联合供热系统一(图4所示)。该系统主要特点:①储热罐是连接供热设备和供热终端的唯一媒介。供热设备先通过换热器和储热罐中的水进行热量交换,然后再通过换热装置将热量传递给用户;②生物质加热设备和储热罐为一体,可以将燃烧生物质的能量直接传递给储热设备,减少了热量的损失;③家庭用水的加热是通过储热设备中的热量交换装置来完成的,而不是直接使用储热罐中的热水,保证了用水的清洁性。
    (2)生物质能和太阳能联合供热系统二,如图5所示。该系统连接关系与前一个系统不同,主要特点:①太阳能集热器和生物质加热设备可以直接进行供暖,而不需要经过储热罐。在该系统中,储热罐仅仅起到储存热水的作用;②家用热水直接来自储热设备。在该系统中,储热设备中的水不参与生物质加热设备和集热器的水循环,因此依然可以保持清洁。
    此外,还有其他类型的生物质和太阳能联合加热系统,但都是从以上两种类型的基础上进行改进优化而得到的。
3、存在的主要问题及对我国的启示
    目前,生物质供热存在的主要问题:①生物质供热设备的占地面积较大,没有燃油供热设备结构紧凑;②生物质供热设备自动化程度较低,灰渣清理周期比燃油供热系统短,使用不方便;③在生物质能和太阳能联合供热系统中,没有很好的控制策略,系统协调运行的能力较差,使得整个系统的效率较低。
    在我国,农村居民供热用能主要是以薪柴、煤炭为主,消耗了大量的资源,特别是在北方地区。供暖的能源问题引发的环境问题、社会问题日趋明显。因此,我国有必要借鉴欧洲的生物质供热技术以及生物质和太阳能联合供热系统,为农村居民提供清洁能源,从而减少在供热过程中对煤炭等化石能源的使用。目前,我国在生物质固体燃料的燃烧技术以及与之相关的供热技术方面发展的不是很成熟,有必要研究适合我国国情的生物质供热系统,为今后的发展提供理论基础。
    此外,生物质供热系统的发展趋势是在不断优化过程中完善性能,更好地满足使用者的使用要求,包括减少污染物排放量(如CO、碳氢化合物、氮氧化物等),延长供热系统的维护周期,实现远程控制,减少热量损失,提高热效率;可以根据使用者的需求及时输出,满足使用者要求的热量等。上述目标的实现应基于对生物质燃烧设备结构的合理设计、控制策略的合理选择。
4、结语
    目前在欧洲,基于生物质的户用供热系统,特别是生物质和太阳能联合供热系统得到广泛推广,这主要是由于这些国家起步早、技术发展得比较成熟。随着我国农村经济的发展,农民对供热质量的要求越来越高,传统的薪柴、煤炭供热设施已不能满足农民的供热需求,所以基于生物质的供热系统的发展在我国具有先天的有利条件和广阔
的需求空间。建议借鉴国外的发展经验,开发适合中国国情的生物质供热系统,这将有效地缓解由农村地区传统供热方式带来的资源和环境问题。


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