近期，中国煤炭科工集团有限公司煤科院节能技术有限公司（以下简称科工节能）自主研发的小容量生物质粉体锅炉技术，通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定，达到国际先进水平。目前，该技术建立了生物质粉体气流床着火理论模型，开发了氮定向转化精准调控技术，并在山西进行工程示范，提高了生物质粉体燃烧效率。为解决我国北方地区农村冬季取暖问题，解决北方地区偏远农村无法实现集中供暖管网全覆盖的问题提供了思路。
从煤粉燃料到非煤燃料
2003年以来，科工节能以煤粉工业锅炉为主要研发对象，开发了中小容量煤粉低温、低氮燃烧技术，服务于高寒矿区、市政热力和工业园区。围绕煤粉燃烧这一核心技术，该公司形成了完整的煤粉工业锅炉储供、燃烧以及污染物处理的自主技术体系。
2018年以后，为响应国家号召、拓宽应用市场，科工节能开始向非煤方向拓展。“当时，燃煤电站锅炉基本完成了烟气超低排放改造，业内人士普遍认为电站锅炉技术下一步的方向就是碳减排，工业锅炉燃烧技术发展也应顺应大势。不过，工业锅炉点多面广，应用场景更复杂，技术实施难度也更大。”该公司科技发展部技术骨干陈隆表示。
立足实际，科工节能将碳减排着力点放在了燃料身上。以农作物及其废弃物、木材及其废弃物、动物粪便等为代表的生物质燃料，在生长过程中吸收二氧化碳、燃烧时释放二氧化碳，具有良好的碳中和属性，且来源广泛。
“结合‘双碳’目标，我们要将化石燃料转变为非化石燃料，比如生物质或低碳、零碳燃料，氢或高含氢的燃料。目前，氢燃料技术还在研发阶段，所以生物质燃料是较优的选择。”该公司科技发展部主任张鑫表示。
提高燃烧效率，克服技术弊端
瞄准生物质燃料方向后，科工节能加大科研投入，设立并申报课题，联合相关供热企业和高校，研发出小容量生物质粉体锅炉技术。在煤粉工业锅炉技术体系基础上，该公司结合生物质粉体长径比大、流动性差、灰熔点低、易结焦和腐蚀等特点，研发了适合生物质粉体的高压引射式文丘里供料器和高速燃烧器，规避了传统生物质锅炉燃烧效率低、氮氧化物排放量高、锅炉容易结焦和腐蚀的缺点。
“与传统生物质粉体锅炉相比，新技术最大的变化在于燃烧方式，这也是我们的核心技术。生物质粉体在双锥逆喷燃烧器里着火稳定，形成高速喷射的火焰，进入炉膛里强混燃烧；炉膛壁 面和燃烧器内壁保存着低温、高速流动的空气膜，这样能有效防止结焦和腐蚀，同时减少氮氧化物排放量。”该公司科技发展部副主任牛芳说。
此外，在污染物脱除技术方面，由于生物质中含有很多碱金属，对传统催化剂的毒化作用较为明显。
“因此，我们开发出具有自主知识产权的氧化耦合半干法污染物脱除技术，能够实现酸性气体的自脱除，脱硝率达到70%以上，脱氯化氢率达到70%以上，同时除尘率能够达到99.99%，最终实现超低排放。”牛芳表示。
寻找应用场景，促使成果落地
生物质粉体燃料应用场景主要为北方村镇集中供暖、工矿企业蒸汽供应，也可以是城市热电联产项目。在此背景下，科工节能开展了市场调研，加速成果转化。以山西省晋中市村庄集中供暖为例。该村人口在2500人左右，没有接入城市集中供热管网。供暖面积约为10万平方米，热负荷约为7兆瓦，供暖潜力较大。最终，科工节能与该市热力公司达成合作协议，建设首套生物质粉体锅炉示范工程。
为了按照计划点火，技术人员一直坚守在工程现场。2020年春节前后，锅炉准备试运行，正巧碰上新冠疫情暴发。调试的2个月，也是疫情形势最严峻的时期，技术人员舍弃春节假期，严格遵循防疫措施，想办法克服困难，收集大量科研数据，并完成了该村1000户家庭供暖服务，为后续的技术优化打下了坚实基础。
“对于农村供暖来说，煤改电、煤改气的成本相对较高，有些农户承受不起。与燃气锅炉相比，燃料成本是生物质粉体锅炉最大的优势；与其他生物质锅炉相比，粉体高效燃烧技术与污染物净化技术的先进性是我们的优势。”陈隆表示。此外，该项技术还实现了测量控制的智能化，仅需一名村民操作，就可以对设备进行启停控制。
数据显示，生物质粉体燃烧效率达到99.5%以上，氮氧化物排放量小于200mg/Nm3（毫克/标准立方米），净化后小于50mg/Nm3。如今，科工节能先后在山西晋中其他农村和农谷开发区推广应用了7套生物质粉体锅炉系统。
“我们将在推广使用中不断优化技术，继续深化对生物质粉体的清洁高效燃烧研究，探索小型生物质粉体锅炉耦合冷热电三联供等技术，进一步拓宽有机固废燃料的适用范围，最终实现在分布式燃烧领域创新、清洁、智慧等用能优势。”张鑫说。
