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邵帥，曹有為，李欣，奚嘉強(qiáng)
（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）
摘要：開發(fā)利用現(xiàn)有的生物質(zhì)資源，既是能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要，也是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的需要。介紹了生物質(zhì)鍋爐的分類，生物質(zhì)燃料同傳統(tǒng)化石燃料在熱值上的差別，通過對(duì)燃生物質(zhì)鍋爐與燃傳統(tǒng)化石燃料（煤、重油、柴油、天然氣等）鍋爐的熱效率與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，生物質(zhì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性僅次于燃煤鍋爐，但節(jié)能減排效益巨大，并對(duì)燃生物質(zhì)鍋爐在經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)做出了總結(jié)。
鍋爐是一種重要的以燃料燃燒為核心的能源轉(zhuǎn)化裝置，以煤、油、氣為代表的傳統(tǒng)化石燃料一直是鍋爐燃燒的主要燃料[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃煤鍋爐占工業(yè)鍋爐的65.7%，燃油（氣）鍋爐占工業(yè)鍋爐的26.7%，而其他燃料鍋爐則僅占7.6%。隨著我國(guó)目前對(duì)污染治理和環(huán)境保護(hù)工作的日益重視，以及城市環(huán)保政策的不斷實(shí)施，在城市中心區(qū)和一些對(duì)環(huán)境要求比較嚴(yán)格的地區(qū)燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t的數(shù)量正在不斷減少，電加熱鍋爐的數(shù)量在不斷提升，且上述幾種鍋爐還伴隨有燃料運(yùn)行成本高、設(shè)備投資較大等問題。于是在此背景下，既滿足環(huán)保排放，不對(duì)環(huán)境保護(hù)治理造成過大壓力，運(yùn)行成本又相對(duì)較低的燃生物質(zhì)油鍋爐，在鍋爐行業(yè)中所占的比重越來(lái)越大。本文主要對(duì)燃生物質(zhì)鍋爐和生物質(zhì)燃料的特性做了簡(jiǎn)要介紹，并分析了燃生物質(zhì)鍋爐對(duì)比燃傳統(tǒng)化石燃料鍋爐在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)。
1生物質(zhì)鍋爐及分類
生物質(zhì)鍋爐是以生物質(zhì)燃料為燃料的鍋爐。生物質(zhì)鍋爐可以分為臥式生物質(zhì)鍋爐、立式生物質(zhì)鍋爐、生物質(zhì)燃?xì)鈱?dǎo)熱油爐、生物質(zhì)蒸汽鍋爐、生物質(zhì)熱水鍋爐、生物質(zhì)導(dǎo)熱油爐等幾種[2]。按照其用途，生物質(zhì)鍋爐又可以分為生物質(zhì)熱能鍋爐和生物質(zhì)電能鍋爐兩大類，其中前者又可以分為小型、中型以及大型三種類型。生物質(zhì)熱能鍋爐和生物質(zhì)電能鍋爐的工作原理基本上相同，都是通過燃燒生物質(zhì)燃料來(lái)獲取能量，不同的是生物質(zhì)熱能鍋爐是直接獲取熱能，而生物質(zhì)電能鍋爐則是將獲得的熱能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成了電能。
2生物質(zhì)燃料與傳統(tǒng)化石燃料的熱值
生物質(zhì)燃料是以生物質(zhì)材料作為燃燒燃料，主要包括秸稈、鋸末、樹皮、果殼等農(nóng)林廢棄物，一般是顆粒狀、塊狀或者棒狀等類型[3]。
2.1生物質(zhì)燃料的熱值
以秸稈、木材剩余物、果殼等幾種典型農(nóng)林廢棄物為代表的生物質(zhì)燃料的熱值見表1。
經(jīng)計(jì)算，上表所列典型生物質(zhì)燃料熱值的平均值為17.35MJ/kg。
知1卡（cal）約為4.2焦耳（J），故本文用于計(jì)算的生物質(zhì)燃料熱值為：17.35×1000÷4.2=4131Kcal/kg
2.2煤、重油、天然氣等燃料的熱值
由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局公布的全國(guó)主要能源折算表可知原煤、重油、柴油、天然氣、等幾種傳統(tǒng)化石燃料以及電力的熱值，幾種主要能源的熱值見表2。
3燃生物質(zhì)鍋爐與燃傳統(tǒng)化石燃料爐的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
3.1不同鍋爐的熱效率
國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)在2020年5月29發(fā)布，將在2021年6月1日實(shí)施的《工業(yè)鍋爐能效限定值及能效等級(jí)》（GB24500-2020）中有規(guī)定鍋爐的能效等級(jí)分為1、2、3級(jí)，其中1級(jí)能效最高，在滿足工業(yè)鍋爐初始排放濃度要求的前提下，各等級(jí)工業(yè)鍋爐在額定工況下的熱效率值均應(yīng)不低于規(guī)定值[4]。
本文計(jì)算以能效等級(jí)為3級(jí)（工業(yè)鍋爐最低能效等級(jí)）、蒸發(fā)量在20t/h以下的鍋爐為例來(lái)進(jìn)行不同燃料鍋爐的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。不同燃料鍋爐熱效率見表3。
3.2經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
（1）以20t/h的熱水鍋爐為例，計(jì)算20t熱水從0℃加熱到60℃（升溫60℃）所需的燃料成本。1kg水升溫1℃所需熱量：
Q=cmΔt=4.2×103J/Kg·℃×1kg×1℃=4.2×103J
1卡（cal）約為4.2焦耳（J），故1kg水升溫1℃需要1000卡（cal）即1大卡（Kcal）熱量。20t水升溫60℃所需熱量：
20×1000×60×1=1200000Kcal
（2）生物質(zhì)燃料的熱值為4131Kcal/kg，燃生物質(zhì)鍋爐的熱效率是80%，所以1kg生物質(zhì)燃料燃燒實(shí)際提供的熱量是4131×80%=3304.8Kcal。目前生物質(zhì)固體成型燃料的平均價(jià)格是800元/噸，故用燃生物質(zhì)鍋爐將20t水從0℃加熱到60℃需要：1200000÷3304.8×0.8=290元。
3.2.1與燃煤鍋爐相比
煤的熱值為5000Kcal/kg，燃煤鍋爐的熱效率為80%，所以1kg煤燃燒實(shí)際提供的熱量是5000×80%=4000Kcal。目前煤燃料的平均價(jià)格是650元/噸，故用燃煤鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷4000×0.8=195元
燃煤鍋爐較燃生物質(zhì)鍋爐節(jié)省了95元。
3.2.2與燃重油鍋爐相比
重油的熱值是10000Kcal/kg，燃重油鍋爐的熱效率是90%，所以1kg重油實(shí)際燃燒提供的熱量是10000×90%=9000Kcal。目前重油燃料的平均價(jià)格是4000元/噸，故用燃重油鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷9000×4=533元
燃生物質(zhì)鍋爐較燃重油鍋爐節(jié)省了243元。
3.2.3與燃柴油鍋爐相比
柴油的熱值為10100Kcal/kg，燃煤鍋爐的熱效率為90%，所以1kg柴油燃燒實(shí)際提供的熱量是10100×90%=9090Kcal。目前煤燃料的平均價(jià)格是6500元/噸，故用燃柴油鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷9090×6.5=858元
燃生物質(zhì)鍋爐較燃柴油鍋爐節(jié)省了568元。
3.2.4與燃天然氣鍋爐相比
天然氣的熱值為8500Kcal/m³，燃天然氣鍋爐的熱效率為92%，所以1m³天然氣燃燒實(shí)際提供的熱量是8500×92%=7820Kcal。目前天然氣的平均價(jià)格是3.6元/平方米，故用燃天然氣鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷7820×3.6=552元
燃生物質(zhì)鍋爐較燃天然氣鍋爐節(jié)省了262元。
3.2.5與燃液化石油氣鍋爐相比
液化石油氣的熱值為12000Kcal/kg，燃液化石油氣鍋爐的熱效率為92%，所以1kg液化石油氣燃燒實(shí)際提供的熱量是12000×92%=11040Kcal。
目前液化石油氣燃料的平均價(jià)格是4200元/噸，故用燃液化石油氣鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷11040×4.2=457元
燃生物質(zhì)鍋爐較燃液化石油氣鍋爐節(jié)省了167元。
3.2.6與電加熱爐相比
電的熱值為860大卡/度，電加熱爐的熱效率為97%，所以消耗1度電實(shí)際提供的熱量是860×97%=834.2Kcal。目前電的平均價(jià)格是1元/度，故用電加熱鍋爐將20t熱水從0℃加熱到60℃需：
1200000÷834.2×1=1439元
燃生物質(zhì)鍋爐較電加熱鍋爐節(jié)省了1149元。
4結(jié)束語(yǔ)
從上述分析可以看出：在提供相同熱量的情況下，除了燃煤鍋爐耗費(fèi)的燃料費(fèi)比燃生物質(zhì)鍋爐低，其余燃重油、燃柴油、燃天然氣、燃液化石油氣以及電加熱爐的燃料費(fèi)用都比燃生物質(zhì)鍋爐高，其中又以電加熱爐燃料費(fèi)最高。
長(zhǎng)期以來(lái)，由于電力、燃油燃料的成本過高、天然氣供應(yīng)短缺以及管道建設(shè)不完全等原因，限制了燃油、燃?xì)庖约半娂訜釥t的發(fā)展，使得燃煤鍋爐在工業(yè)鍋爐的使用中一直占有較大的比重，但隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排等方面的愈加重視，燃煤鍋爐越來(lái)越不能適應(yīng)環(huán)保的要求。因此，綠色環(huán)保且具有顯著的節(jié)能減排效益和經(jīng)濟(jì)效益的生物質(zhì)鍋爐必然會(huì)有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
參考文獻(xiàn)：
[1]趙欽新，王云剛，梁志遠(yuǎn)，等．工業(yè)鍋爐行業(yè)應(yīng)對(duì)變局的創(chuàng)新思維和實(shí)踐[J]．工業(yè)鍋爐，2021（1）：1－14．
[2]武文璇，李寒松，李青，等．生物質(zhì)鍋爐的發(fā)展現(xiàn)狀及農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2018，56（3）：81－84．
[3]張百良，任天寶，徐桂轉(zhuǎn)，等．中國(guó)固體生物質(zhì)成型燃料標(biāo)準(zhǔn)體系[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（2）：257－262．
[4]GB24500-2020，工業(yè)鍋爐能效限定值及能效等級(jí)[S]． |
