王　健　康麗惠　田　豐

上海普天中科能源技術(shù)有限公司能源研究院

工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒利用技術(shù)研究

王健康麗惠田豐

上海普天中科能源技術(shù)有限公司能源研究院

燃煤工業(yè)鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生大量的污染煙氣，造成嚴(yán)重的霧霾問題，因此，必須對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐進(jìn)行清潔能源替代。生物質(zhì)作為清潔綠色的可再生能源，利用生物質(zhì)替代煤炭進(jìn)行燃燒利用，對(duì)生物質(zhì)不同燃燒技術(shù)進(jìn)行分析和探討，研究出適合我國工業(yè)鍋爐中生物質(zhì)燃燒利用的方式，對(duì)生物質(zhì)的開發(fā)利用具有重要意義，同時(shí)也為利用生物質(zhì)替代燃煤工業(yè)鍋爐提供了合理化建議。

燃煤工業(yè)鍋爐；生物質(zhì)；生物質(zhì)成型燃料；生物質(zhì)燃燒技術(shù)

1　引言

生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣的第4大能源，是代替化石燃料的最具有競爭力的清潔可再生能源。生物質(zhì)本身含硫量和含氮量很少，且具有CO2近零排放的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)估計(jì)，地球上每年生物能總量約1400億～1800億kt，相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍［1］。我國擁有豐富的生物質(zhì)資源，目前我們國家每年農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)生量約7億多t，除去還田作飼料等還剩3億多t的量沒有得到有效利用。另外，林業(yè)廢棄物大概也有1.5～2億t。如果這么大量的農(nóng)林廢棄物不去利用的話，勢(shì)必就會(huì)堆積在田間地頭，或者在農(nóng)忙季節(jié)進(jìn)行田間焚燒，從而污染環(huán)境，產(chǎn)生霧霾。也就是說，如果不處理，那么對(duì)環(huán)境污染的潛在威脅是十分巨大的。因此，大力開發(fā)利用生物質(zhì)能，既是緩解能源供需矛盾、發(fā)展新能源的戰(zhàn)略措施，也是促進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。

目前我國正在使用的工業(yè)鍋爐大約50多萬臺(tái)，每年耗煤量約占全國總耗煤量的1/3。眾所周知，燃煤工業(yè)鍋爐燃燒過程中會(huì)排放出大量的污染氣體，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，全國各大省市尤其是大中型城市都開始禁止燃煤工業(yè)鍋爐的使用，大量的燃煤工業(yè)鍋爐必須采用清潔能源進(jìn)行替代。在燃煤工作鍋爐替代工作中，天然氣、柴油、電力等均為清潔能源，但我國天然氣、石油對(duì)外依存度高、電力供需矛盾更為突出，而且成本較高。我國擁有豐富的生物質(zhì)資源，其中，農(nóng)林廢棄物所占比重較大，使用農(nóng)林廢棄物作為鍋爐燃料既可以解決燃煤工業(yè)鍋爐污染問題，又可以解決農(nóng)作物秸稈焚燒污染問題［2］。因此，研究工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒技術(shù)，開發(fā)生物質(zhì)燃料鍋爐，能夠節(jié)約常規(guī)能源、優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，減小環(huán)境污染以及改善農(nóng)作物秸稈焚燒污染問題。

目前生物質(zhì)能的主要開發(fā)利用技術(shù)有固化、液化、氣化以及燃燒技術(shù)，其能源產(chǎn)品包括生物質(zhì)炭、液體燃料（生物油、柴油、汽油等）、生物燃?xì)?。但這些生物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)成本較高、技術(shù)不夠成熟以及使用效率較低，難以大面積推廣，目前生物質(zhì)能的應(yīng)用仍以燃燒為主。到目前為止，生物質(zhì)燃燒所利用的能源約占全球生物質(zhì)能利用的95%。生物質(zhì)因具有揮發(fā)分高、炭活性高，N、S含量低（含N量約0.5 %～3%、含S量約0.1%～0.5%），灰分低，生命周期內(nèi)燃燒過程CO2零排放等特點(diǎn)，特別適合燃燒利用，是一種優(yōu)質(zhì)燃料。因此，在生物質(zhì)的各種轉(zhuǎn)化利用途徑中，生物質(zhì)燃燒技術(shù)是目前適合我國國情的、而且是生物質(zhì)大規(guī)模高效清潔利用途徑中最成熟、最簡便可行的方式之一，其推廣應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)我國生物質(zhì)能利用技術(shù)的發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及提高農(nóng)民生活水平等具有重要的作用。在我國，發(fā)展生物質(zhì)燃燒技術(shù)既能緩解溫室效應(yīng)，又能充分利用廢棄生物質(zhì)資源，改善或提高農(nóng)民的生活條件，因此具有明顯的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)意義，符合我國現(xiàn)階段國情和生物質(zhì)開發(fā)利用水平。

2　常見生物質(zhì)的燃料分析與燃燒特性分析

生物質(zhì)與煤的燃燒過程非常相似，可大致分為預(yù)熱干燥、揮發(fā)分的析出、燃燒與焦炭形成和剩余焦炭的燃燒、燃盡等幾個(gè)階段。但是，生物質(zhì)的揮發(fā)分析出溫度遠(yuǎn)低于煤，著火燃燒低，燃盡溫度也低，燃燒溫度區(qū)間較短，生物質(zhì)與煤的燃燒特性完全不同，這由于生物質(zhì)和煤的組成成分不同有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)有的案例，直接將燃煤鍋爐改燒生物質(zhì)往往會(huì)出現(xiàn)很大的問題。因此，生物質(zhì)燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式的選擇必須從生物質(zhì)自身的燃料特性和燃燒特性出發(fā)，才能保證運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。表1為幾種常見的生物質(zhì)和煤的工業(yè)分析、元素分析及熱值。與煤相比，生物質(zhì)中的揮發(fā)分含量高、固定碳和灰分含量低，元素組成中碳含量低、氧含量高而熱值低，這正是兩者燃燒特性有很大差別的原因［3］。生物質(zhì)灰熔點(diǎn)較低，在鍋爐中燃燒容易結(jié)焦，污染受熱面。另外，生物質(zhì)灰中含有堿金屬K、Na，在燃燒過程中的揮發(fā)遷徙極易造成聚團(tuán)、結(jié)渣和腐蝕等。所以，需對(duì)生物質(zhì)燃燒方式及技術(shù)進(jìn)行深入研究。

表1　典型生物質(zhì)與煤的工業(yè)分析、元素分析及熱值

3　生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)

生物質(zhì)直接燃燒是指生物質(zhì)不經(jīng)過加工處理直接作為散料進(jìn)行燃燒的方式，主要分為爐灶燃燒和鍋爐燃燒，直接燃燒是最簡單也是最早被采用的生物質(zhì)能利用方式。傳統(tǒng)的爐灶燃燒方式燃燒效率極低，熱效率只有10%～18%，即使是目前大力推廣的節(jié)柴灶，其熱效率也只有20%～25%。生物質(zhì)鍋爐燃燒采用先進(jìn)的燃燒技術(shù)，生物質(zhì)的利用效率比較高，適合相對(duì)集中、大規(guī)模利用生物質(zhì)資源，熱效率能夠達(dá)到80%～85%。鍋爐按照燃燒方式的不同可分為層燃爐和流化床鍋爐等，以下就生物質(zhì)層燃技術(shù)和流化床燃燒技術(shù)作重點(diǎn)介紹。

3.1層燃技術(shù)

層狀燃燒就是將燃料置于固定或移動(dòng)的爐排上，形成均勻的、有一定厚度的料層，空氣從爐排底部通入，通過燃料層進(jìn)行燃燒反應(yīng)，與一次配風(fēng)相混合，逐步地進(jìn)行干燥、熱解、燃燒及還原過程，可燃?xì)怏w與二次配風(fēng)在爐排上方的空間充分混合燃燒（見圖1）。鍋爐形式主要采用鏈條爐和往復(fù)推飼爐排爐。在農(nóng)林廢棄物的開發(fā)利用和城市生活垃圾焚燒等方面生物質(zhì)層燃技術(shù)被廣泛應(yīng)用，層燃爐技術(shù)成熟，燃燒方式簡單，設(shè)備成本較低，對(duì)于一些含水率較高、顆粒尺寸變化較大的生物質(zhì)燃料也較為適用，但層燃爐的容量一般較低。

在丹麥，開發(fā)了一種專門燃燒已經(jīng)打捆秸稈的燃燒爐，采用液壓式活塞將一大捆的秸稈通過輸送通道連續(xù)地輸送至水冷的移動(dòng)爐排。由于秸稈的灰熔點(diǎn)較低， 通過水冷爐墻或煙氣循環(huán)的方式來控制燃燒室的溫度，使其不超過900℃。丹麥ELSAM公司出資改造的Benson型鍋爐采用兩段式加熱，由4個(gè)并行的供料器供給物料，秸稈、木屑可以在爐柵上充分燃燒，并且在爐膛和管道內(nèi)還設(shè)置有纖維過濾器以減輕煙氣中有害物質(zhì)對(duì)設(shè)備的磨損和腐蝕。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行證明，改造后的生物質(zhì)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，并取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。歐洲生物質(zhì)燃燒利用技術(shù)已經(jīng)十分成熟，而且大多數(shù)采用層燃爐進(jìn)行燃燒利用，運(yùn)行效果也較好［4］。

在我國，許多學(xué)者也對(duì)生物質(zhì)層燃技術(shù)進(jìn)行了深入研究，開發(fā)出了適合不同生物質(zhì)燃料的層燃鍋爐，而且大多運(yùn)行情況良好。他們根據(jù)各種生物質(zhì)燃料不同的燃料特性和燃燒特性，對(duì)層燃爐的爐膛結(jié)構(gòu)［5］、爐排結(jié)構(gòu)［6］、爐拱結(jié)構(gòu)及送風(fēng)方式都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中爐型結(jié)構(gòu)包括雙燃燒室結(jié)構(gòu)、閉式爐膛結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)，這些研究成果均為我國生物質(zhì)層燃爐的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但是，我國生物質(zhì)層燃技術(shù)與國外相比，仍存在較大的差距，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大研發(fā)力度，開發(fā)出具有適合我國生物質(zhì)燃料特性的生物質(zhì)層燃技術(shù)，以增強(qiáng)我國在生物質(zhì)燃燒技術(shù)領(lǐng)域的競爭力。

圖1　爐排型秸稈鍋爐

3.2流化床燃燒技術(shù)

流化床燃燒技術(shù)是指把燃料放在燃燒室床層上，在通過布置在爐底的布風(fēng)板送出的高速氣流作用下，形成流態(tài)化的懸浮層，進(jìn)行流態(tài)化燃燒（見圖2）。流化床鍋爐對(duì)生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性較好，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較大，燃燒效率和熱效率較高。床內(nèi)工質(zhì)顆粒擾動(dòng)劇烈，有利于高溫?zé)煔狻⒖諝馀c燃料充分混合，為高水分、低熱值的生物質(zhì)燃料提供極佳的著火條件和燃燒條件。同時(shí)，由于燃料在床內(nèi)停留的時(shí)間較長，可以確保生物質(zhì)燃料完全燃燒，從而提高了生物質(zhì)鍋爐的效率。另外，流化床鍋爐能夠較好地維持生物質(zhì)在850℃左右進(jìn)行穩(wěn)定燃燒，所以燃料燃盡后不易結(jié)渣，并且減少了NOx和SOx等有害氣體的生成，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。流化床燃燒技術(shù)經(jīng)過國內(nèi)外研究學(xué)者的不斷深入研究，已經(jīng)相當(dāng)成熟，在礦物燃料的清潔燃燒領(lǐng)域早已進(jìn)入商業(yè)化使用。將現(xiàn)有的成熟的流化床燃燒技術(shù)應(yīng)用于生物質(zhì)的開發(fā)利用，在國內(nèi)外也已經(jīng)進(jìn)行了廣泛深入的研究，并得到了推廣應(yīng)用［7］。

目前，國外采用流化床燃燒技術(shù)開發(fā)利用生物質(zhì)能已具有一定的規(guī)模。美國愛達(dá)荷能源產(chǎn)品公司已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)出生物質(zhì)流化床鍋爐，蒸汽鍋爐容量范圍為4.5～50 t/h；美國CE公司利用魯奇技術(shù)研制的大型燃廢木循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐出力為100 t/h，蒸汽壓力為8.7 MPa；美國B & W公司制造的燃木柴流化床鍋爐也于20世紀(jì)80年代末至90年代初投入運(yùn)行。此外，瑞典以樹枝、樹葉等林業(yè)廢棄物作為大型流化床鍋爐的燃料加以利用，鍋爐熱效率可達(dá)到80%；丹麥采用高倍率循環(huán)流化床鍋爐，將稻草與煤按照6:4的比例摻混后送入爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，鍋爐出力為100 t/h［8］。

我國自20世紀(jì)80年代末開始，就對(duì)生物質(zhì)流化床燃燒技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，國內(nèi)各研究單位與鍋爐廠共同合作，聯(lián)合開發(fā)了各種類型的生物質(zhì)流化床鍋爐，投入生產(chǎn)后運(yùn)行效果良好，得到了廣泛推廣，并出口到了國外，這對(duì)我國生物質(zhì)能的開發(fā)利用起到了很大的推動(dòng)作用。例如華中科技大學(xué)根據(jù)稻殼的物理、化學(xué)性質(zhì)和燃燒特性，設(shè)計(jì)了以流化床燃燒方式為主，以懸浮燃燒和固定床燃燒為輔的組合的燃燒式流化床鍋爐，試驗(yàn)研究證明，該鍋爐具有流化性能良好、燃燒穩(wěn)定、不易結(jié)焦等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)獲得國家專利。

圖2　流化床型秸稈鍋爐

表2　生物質(zhì)成型燃料可達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)

4　生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)

根據(jù)燃煤工業(yè)鍋爐清潔能源替代政策，直接利用生物質(zhì)原料替代煤炭進(jìn)行燃燒并不屬于清潔能源替代，必須對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行加工處理，制成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的生物質(zhì)成型燃料，利用生物質(zhì)成型燃料進(jìn)行燃燒替代傳統(tǒng)的燃煤工業(yè)鍋爐。根據(jù)國家能源局、環(huán)境保護(hù)部《關(guān)于開展生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱示范項(xiàng)目建設(shè)的通知》國能新能［2014］295號(hào)文：2014～2015年，擬在全國范圍內(nèi)，特別是在京津冀魯、長三角、珠三角等大氣污染防治形勢(shì)嚴(yán)峻、壓減煤炭消費(fèi)任務(wù)較重的地區(qū)，建設(shè)120個(gè)生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱示范項(xiàng)目，總投資約50億元。2014年啟動(dòng)建設(shè)，2015年建成。國家明確支持生物質(zhì)成型燃料進(jìn)行燃燒利用，作為燃煤工業(yè)鍋爐的清潔能源替代的方式。生物質(zhì)成型燃料體積小，密度大，熱值高，儲(chǔ)運(yùn)方便，并且燃料致密，無碎屑飛揚(yáng)，使用方便、衛(wèi)生，燃燒持續(xù)穩(wěn)定、周期長，燃燒效率高，燃燒后的灰渣及煙氣中污染物含量小，是一種清潔能源。生物質(zhì)原料擠壓成型后， 可提高秸稈燃料儲(chǔ)存、運(yùn)輸能力， 提高使用效率， 擴(kuò)大應(yīng)用范圍。而且燃燒特性的改善也十分明顯， 在鍋爐中燃燒時(shí)黑煙少、火力持久、燃燒充分、排放的飛灰少、NOx和SOx都遠(yuǎn)比煤低［9］。生物質(zhì)成型燃料將成為清潔環(huán)保、燃燒效率高， 能部分替代煤炭等化石燃料的新型生物質(zhì)燃料。在使用目前生物質(zhì)成型燃料加工設(shè)備可達(dá)到的生物質(zhì)成型燃料的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示［10］。

然而目前我國生物質(zhì)成型燃料的利用規(guī)模仍然不大，成型燃料的壓制設(shè)備仍不成熟，成本較高，目前還只是作為采暖、炊事及其他特定用途的燃料，使用范圍還有待推廣。生物質(zhì)成型燃料與常規(guī)生物質(zhì)和煤相比，其燃燒特性和燃料特性都有很大的差別。生物質(zhì)成型燃料燃燒過程中爐內(nèi)空氣流動(dòng)場(chǎng)分布、爐膛溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布、過量空氣系數(shù)大小、受熱面布置、爐排結(jié)構(gòu)、爐拱結(jié)構(gòu)等都需要重新設(shè)計(jì)考慮。國外如日本、美國及歐洲等一些國家的生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備已經(jīng)較為成熟，并形成了產(chǎn)業(yè)化，在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域已普遍推廣應(yīng)用。這些國家的生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備具有加工工藝合理、專業(yè)化程度高、自動(dòng)化控制水平高、熱效率高、排煙污染小等優(yōu)點(diǎn)。我國自20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)的研究和開發(fā)，目前已經(jīng)取得了一系列的成果和進(jìn)展，但是與國外相比仍存在較大的差距。直接從國外引進(jìn)先進(jìn)的生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)并不適合我國國情，國外大部分都是采用林業(yè)廢棄物成型燃料，我國生物質(zhì)資源則主要以農(nóng)作物秸稈為主，因此，開發(fā)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效經(jīng)濟(jì)的生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)將是我國未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

5　工業(yè)鍋爐中生物質(zhì)燃燒利用的建議

為了減輕霧霾，緩解燃煤工業(yè)鍋爐產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，全國各省市都在積極開展燃煤工業(yè)鍋爐清潔能源替代工作，生物質(zhì)作為清潔綠色的可再生能源已受到人們的廣泛關(guān)注，但是國家政策規(guī)定，生物質(zhì)必須經(jīng)過加工處理，制成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的生物質(zhì)成型燃料，才能對(duì)生物質(zhì)成型燃料進(jìn)行燃燒利用。所以，在未來燃煤工業(yè)鍋爐清潔能源替代工作中，利用生物質(zhì)成型燃料替代煤炭勢(shì)必會(huì)占據(jù)一席之地。

（1）生物質(zhì)種類繁多，不同種類的生物質(zhì)燃料特性和燃燒特性差別很大，對(duì)生物質(zhì)燃燒設(shè)備和燃燒技術(shù)的要求不一樣。應(yīng)根據(jù)不同種類生物質(zhì)燃料的燃燒特性，開發(fā)不同類型的燃燒技術(shù)，并研制相應(yīng)的燃燒設(shè)備。所以，對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行加工處理，制成生物質(zhì)成型燃料，對(duì)水分、揮發(fā)分、灰分、熱值、尺寸等形成嚴(yán)格的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這樣能夠針對(duì)生物質(zhì)成型燃料的燃料特性和燃燒特性合理選擇燃燒方式及燃燒設(shè)備。

（2）目前在生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)開發(fā)利用過程中，大多數(shù)學(xué)者對(duì)生物質(zhì)燃燒技術(shù)進(jìn)行了深入研究，但對(duì)生物質(zhì)收集、處理技術(shù)和生物質(zhì)成型燃料制造設(shè)備的研究較少。因此，在研究生物質(zhì)燃燒技術(shù)的同時(shí)，必須對(duì)生物質(zhì)成型燃料制造設(shè)備進(jìn)行研究，提高生物質(zhì)成型燃料加工效率，制取各項(xiàng)組分統(tǒng)一的生物質(zhì)成型燃料，形成生物質(zhì)成型燃料的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）容量不同的生物質(zhì)成型燃料鍋爐選用的燃燒方式不一樣。對(duì)于容量在35 t/h以下的生物質(zhì)成型燃料鍋爐，可以采用水冷振動(dòng)式爐排爐進(jìn)行燃燒利用，在保證生物質(zhì)成型燃料充分燃燒的情況下，通過水冷振動(dòng)式爐排爐能夠有效地降低爐排受熱溫度，同時(shí)可以解決生物質(zhì)結(jié)焦的問題。對(duì)于容量在35t/h以上的生物質(zhì)成型燃料鍋爐可以采用流化床鍋爐，爐內(nèi)燃燒溫度控制在800℃左右，使?fàn)t內(nèi)溫度低于生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)，有效地解決生物質(zhì)結(jié)焦的問題，同時(shí)低溫下燃燒能夠降低氮氧化物的生成，從而確保煙氣排放滿足環(huán)保要求。

利用生物質(zhì)成型燃料替代燃煤，開展生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱示范項(xiàng)目，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作，既能解決農(nóng)作物秸稈焚燒污染問題，也能解決燃煤鍋爐清潔能源替換問題。同時(shí)，相比天然氣鍋爐來說，可以有效降低能源成本，提高企業(yè)生產(chǎn)競爭力。利用生物質(zhì)成型燃料替代燃煤進(jìn)行利用在全國范圍內(nèi)具有廣泛的推廣意義。

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Study on Industrial Boiler Biomass Combustion Utilization Technology

Wang Jian， Kang Lihui， Tian Feng
Shanghai Putian Zhongke Energy Technology Co.，Ltd Energy Research Institute

There is much smoke pollution during coal-fired industrial boiler combustion process， which causes serious fog and smoke problem. So it's necessary to replace coal-fired boiler with clean energy. Biomass works as clean energy and renewable energy. It uses biomass to combust and utilize instead of coal. The article analyzes and discusses different combustion technologies with biomass to study the most suitable biomass combustion utilization for domestic industrial boiler， which is key to biomass development and utilization. It provides reasonable suggestion for biomass to replace coalfired industrial boiler.

Coal-Fired Industrial Boiler， Biomass， Biomass Briquette， Biomass Combustion Technology

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.08.013

王健：（1988-），男，上海普天中科能源技術(shù)有限公司，熱能工程師。