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陳飛
(福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，福建福州350008)
摘 要：介紹了菌草生物質(zhì)燃料特性和氣化原理，并根據(jù)其燃燒特性開(kāi)發(fā)了一種新型的菌草生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的燃燒。
0前言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全世界對(duì)能源的需求日益增加，據(jù)國(guó)際能源署(IEA)2012年世界能源展望從現(xiàn)在到2035年全球能源需求將增長(zhǎng)1/3以上，其中，60％的需求增長(zhǎng)來(lái)自中國(guó)、印度和中東地區(qū)。世界能源特別是我國(guó)能源在可見(jiàn)的未來(lái)將更加緊缺，石油、煤、電價(jià)格將持續(xù)上升，尋求替代傳統(tǒng)能源迫在眉睫，因此各國(guó)普遍需要開(kāi)發(fā)和利用可再生能源，其中如何利用生物質(zhì)能源受到極大重視。而由我院承擔(dān)的國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局科技項(xiàng)目“生物質(zhì)燃料應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的研究和推廣”，就是利用一種產(chǎn)量很高的多年生草本植物巨菌草壓制的顆粒燃料氣化產(chǎn)生生物質(zhì)燃?xì)鈶?yīng)用于工業(yè)鍋爐的燃燒，該項(xiàng)目研究成果的應(yīng)用將有利用城市燃油氣工業(yè)鍋爐節(jié)能改造，對(duì)于增加我國(guó)的能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
1菌草生物質(zhì)燃料特點(diǎn)
菌草生物質(zhì)燃料與木屑、秸稈等生物質(zhì)燃料相比，其物理及化學(xué)成分與秸稈類(lèi)生物質(zhì)相似。其顆粒燃料的燃料特性如表1所示。
從表1中可看成其主要特性是：高揮發(fā)份、低灰分、低硫、熱值較低(一般只為常用燃煤的80％左右)，容易著火，燃點(diǎn)低，燃燒溫度低，其化學(xué)成分中草木灰含堿金屬較大，容易結(jié)焦和發(fā)生堿腐蝕。
生物質(zhì)燃料工業(yè)鍋爐燃燒應(yīng)用主要采用直燃和氣化燃燒兩種方法。采取鍋爐直接燃燒容易產(chǎn)生黑煙及在受熱面上沉積焦油，其燃燒迅速，難以合理配風(fēng)，燃燒溫度較難控制，且需要的爐膛容積較大，容易結(jié)焦，不易壓火，因此采用直燃燃燒方式難以組織穩(wěn)定燃燒，而且燃燒效率較低，不利于實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料的高效利用。
而利用生物質(zhì)氣化技術(shù)和裝備，使菌草生物質(zhì)顆粒燃料氣化后以氣態(tài)的方式送入鍋爐燃燒，是目前生物質(zhì)燃料高效清潔燃燒最有效的方法之一。但氣化燃燒應(yīng)用也存在其缺點(diǎn)：在生物質(zhì)氣化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量焦油，通常焦油中的能量一般占生物質(zhì)燃?xì)饪偰芰康?-15％，其在低溫下難以與可燃?xì)庖坏辣蝗紵茫档土松镔|(zhì)燃料的氣化效率。更重要的是由于焦油是一種復(fù)雜的可凝結(jié)烴類(lèi)物質(zhì)的混合，其在低溫下凝結(jié)成液體，容易和水、炭粒等結(jié)合在一起，堵塞輸氣管道和閥門(mén)、腐蝕金屬，同時(shí)焦油燃燒時(shí)產(chǎn)生炭黑等顆粒對(duì)鍋爐設(shè)備損害相當(dāng)嚴(yán)重，且焦油及其燃燒后產(chǎn)生的氣味對(duì)人體也是有害的，因此在生物質(zhì)氣化燃燒過(guò)程中必須解決焦油裂解的問(wèn)題，同時(shí)還應(yīng)對(duì)氣化燃?xì)獾妮斔秃腿紵踩右钥紤]。
2生物質(zhì)氣化反應(yīng)機(jī)理
生物質(zhì)氣化是以生物質(zhì)顆粒為原料，以氧氣(主要是空氣)、水蒸氣為氣化劑，在高溫條件下通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)中可燃的部分轉(zhuǎn)換為可燃?xì)怏w的過(guò)程。生物質(zhì)氣化時(shí)產(chǎn)生的氣體，主要燃燒成分為CO、H2、CH4和部分烴類(lèi)等，稱(chēng)為生物質(zhì)燃?xì)狻饣腿紵^(guò)程是密不可分的，燃燒是氣化的基礎(chǔ)，氣化是部分燃燒或缺氧燃燒。固體燃料中碳的燃燒為氣化過(guò)程提供了能量，氣化反應(yīng)其它過(guò)程的進(jìn)行取決于碳燃燒階段的放熱狀況。實(shí)際上，氣化是為了增加可燃?xì)怏w的產(chǎn)量而在高溫狀態(tài)下發(fā)生的熱解過(guò)程。
生物質(zhì)氣化反應(yīng)包含氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、熱裂解反應(yīng)和燃料的干燥等四個(gè)過(guò)程，而生物質(zhì)氣化的主要反應(yīng)發(fā)生在氧化層和還原層，因此稱(chēng)氧化層和還原層為氣化層。在實(shí)際氣化過(guò)程中上述四個(gè)區(qū)域是沒(méi)有明顯邊界，是相互滲透和交錯(cuò)的。
3菌草生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
3.1菌草生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)流程
針對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料的生物特性和燃燒特點(diǎn)，我院技術(shù)人員開(kāi)發(fā)出一種新型生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)，使其能很好地應(yīng)用于工業(yè)鍋爐燃燒，該系統(tǒng)包括生物質(zhì)燃料顆粒的制氣、輸送和燃燒應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程。系統(tǒng)主要設(shè)備有固定床氣化爐、下料裝置、氣化爐配套鼓風(fēng)機(jī)、燃?xì)廨斔凸艿馈㈠仩t燃燒機(jī)及其點(diǎn)火和火焰檢測(cè)器、燃燒器配套鼓風(fēng)機(jī)、水封裝置、CO檢測(cè)儀和燃?xì)夥派⒐堋Ⅻc(diǎn)火和小***管路、自動(dòng)控制裝置等。本系統(tǒng)流程圖如圖1所示。
系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程如下：菌草生物質(zhì)顆粒燃料通過(guò)料斗進(jìn)入氣化爐(氣化爐內(nèi)設(shè)有料位檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)給料自動(dòng)控制)，氣化爐點(diǎn)火，開(kāi)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，菌草生物質(zhì)燃?xì)猱a(chǎn)生，鼓風(fēng)機(jī)變頻控制產(chǎn)氣量。產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)CO分析儀檢測(cè)，成分比例符合要求后沿管道經(jīng)水封控制閥后由燃燒器點(diǎn)火噴入鍋爐燃燒。
3.2固定床氣化爐
生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)中難度最大的是配套容量相當(dāng)于2t/h工業(yè)鍋爐使用的生物質(zhì)固定床氣化爐的設(shè)計(jì)，而本技術(shù)所開(kāi)發(fā)的氣化爐在遵循一般氣化原理的基礎(chǔ)上，獨(dú)立設(shè)計(jì)出了獨(dú)特的、圓形爐體、復(fù)合式內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步發(fā)展了焦油裂解技術(shù)。
氣化爐爐體復(fù)合式內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：三段式、雙爐篦、兩級(jí)供風(fēng)下出氣結(jié)構(gòu)。氣化爐的頂部安裝有鐘罩式雙重鎖氣加料裝置，生物質(zhì)燃料由此進(jìn)入。爐體中部設(shè)有密封點(diǎn)火門(mén)，燃料在此處點(diǎn)燃，點(diǎn)火后該門(mén)關(guān)閉。爐壁上部和中部均設(shè)有進(jìn)氣管，燃燒所需要的空氣由此處吹入爐內(nèi)，由鼓風(fēng)機(jī)統(tǒng)一從爐體中部進(jìn)風(fēng)管供風(fēng)，其配風(fēng)比例約為3：2。爐體設(shè)有內(nèi)爐壁和外爐壁，內(nèi)爐壁內(nèi)襯耐火混凝土，內(nèi)爐壁和外爐壁之間形成夾套，為提高生物質(zhì)產(chǎn)氣率，在夾套內(nèi)布置有蒸汽排放管，通過(guò)與爐外的蒸汽發(fā)生器連接引入蒸汽供氣化反應(yīng)需要。在爐體下部的兩爐篦中間的爐壁上布置有燃?xì)獬鰵饪冢瑲饣a(chǎn)的生物質(zhì)燃?xì)庥纱丝趪姵觥t體的下部還設(shè)有除灰裝置，經(jīng)氣化反應(yīng)后的灰渣落到爐底，由此處排出。
3.3燃?xì)獾慕褂土呀?/p>
如前所述生物質(zhì)氣化過(guò)程中產(chǎn)生的焦油具有相當(dāng)大的危害性，因此在可燃?xì)馊紵褂们埃仨毐M量降低其焦油含量。國(guó)內(nèi)外主要沿用爐外凈化處理、焦油催化裂解室、生物質(zhì)氣化爐鎳基催化劑這樣的二次法工藝路線去除焦油，雖然其效果較好，但其工業(yè)路線、設(shè)備復(fù)雜，投資成本高，并不利用工業(yè)鍋爐節(jié)能改造應(yīng)用。有關(guān)焦油催化裂解的研究表明，含焦油氣體在800℃木炭的催化作用下，接觸時(shí)問(wèn)0.5s時(shí)，轉(zhuǎn)換率達(dá)到91％，而在900℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率則達(dá)到99.5％。由此可見(jiàn)高溫焦炭對(duì)焦油催化裂解作用是比較明顯的。因此本系統(tǒng)氣化爐采用下出氣，爐內(nèi)一體式焦油催化裂解技術(shù)，利用下出氣結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)使熱裂解區(qū)分離出來(lái)的富含焦油的熱解氣在通過(guò)熾熱炭層為主的還原區(qū)時(shí)，氣體中的焦油被高溫焦炭催化裂解，在爐體內(nèi)基本完成焦油的分解，提高氣化率。同時(shí)我們還在氣化爐中部還原區(qū)增加一個(gè)空氣進(jìn)口，采用兩級(jí)式供氣技術(shù)，優(yōu)化氣化爐內(nèi)部的溫度分布，使還原區(qū)的溫度提高到了1000℃以上，進(jìn)一步提高了焦炭的催化裂解能力。賴(lài)艷華等的研究證實(shí)在相同的氣化強(qiáng)度下，采用兩級(jí)供風(fēng)技術(shù)的氣化爐的燃?xì)饨褂秃考s為一級(jí)供風(fēng)焦油含量的1/10，明顯低于一級(jí)供風(fēng)時(shí)燃?xì)獾慕褂秃俊Ｔ趯?shí)際應(yīng)用中通過(guò)以上優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)的措施可使燃?xì)庵械慕褂秃肯陆档?0mg/m3。
3.4燃燒器
生物質(zhì)燃?xì)馐且环N特殊的燃?xì)猓錈嶂递^低(低位發(fā)熱量為4600~6560kJ/m3)，比重大，含有一定量的氧氣，可燃成分少，因而要達(dá)到相同熱負(fù)荷時(shí)，生物質(zhì)燃料體積消耗大，火焰溫度低，單位容積熱負(fù)荷強(qiáng)度低，火焰穩(wěn)定性差，因此傳統(tǒng)的燃?xì)馊紵龣C(jī)并不適應(yīng)于生物質(zhì)燃?xì)馊紵８鶕?jù)生物質(zhì)燃?xì)獾娜紵匦裕以喊仔性O(shè)計(jì)了適合其燃燒的生物質(zhì)低熱值氣化氣體燃燒器(燃?xì)饬繛?000m3/h)，采用預(yù)混式旋流擴(kuò)散燃燒技術(shù)，即燃?xì)馀c空氣在燃燒前進(jìn)行全部預(yù)混，其空氣系數(shù)α1≥1。該燃燒技術(shù)具有燃燒完全，化學(xué)不完全燃燒損失小，過(guò)剩空氣少，用于工業(yè)鍋爐直接加熱時(shí)不會(huì)引起過(guò)分氧化，燃燒溫度高，容易滿(mǎn)足高溫工藝要求等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于低熱值燃?xì)獾娜紵Ｍ瑫r(shí)本燃燒機(jī)還采用小***點(diǎn)火技術(shù)，具備自動(dòng)點(diǎn)火程序控制功能和火焰監(jiān)測(cè)及熄火連鎖保護(hù)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火和燃燒安全控制。
3.5燃?xì)夤艿?/p>
本系統(tǒng)燃?xì)夤艿乐饕腥龡l；氣化爐到燃燒機(jī)之間的主燃?xì)夤艿溃瑲饣癄t燃?xì)獬隹诘姆派⒐芄艿篮腿紵鼽c(diǎn)火小***管道 主燃?xì)夤艿涝O(shè)有快速切斷閥門(mén)和CO檢測(cè)儀，可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)CO濃度，在燃?xì)釩O濃度不符合要求和燃燒器意外停止工作時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)放散管閥門(mén)，關(guān)閉主燃?xì)夤艿郎系目焖偾袛嚅y門(mén)，燃?xì)庾詣?dòng)放空，保證氣化系統(tǒng)運(yùn)行安全。同時(shí)燃?xì)夤艿肋吷显O(shè)有可燃?xì)怏w檢測(cè)器進(jìn)行在線檢測(cè)，當(dāng)燃?xì)庑孤稌r(shí)可在3s內(nèi)自動(dòng)關(guān)閉主燃?xì)夤艿郎系目焖偾袛嚅y門(mén)，保證了系統(tǒng)的燃?xì)廨斔桶踩?/p>
4結(jié)論
“生物質(zhì)燃料應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的研究和推廣”科技項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)應(yīng)用的菌草生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)開(kāi)拓性地解決了國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化燃燒中溫度場(chǎng)布置不合理、氣密性差、焦油含量多、煤氣輸送易燃易爆和燃燒不完全等問(wèn)題，其不僅適用于燃菌草生物質(zhì)顆粒，其它農(nóng)、林業(yè)的廢棄物等生物質(zhì)燃料也可運(yùn)用于鍋爐燃燒。通過(guò)該項(xiàng)目成果的應(yīng)用可形成系列產(chǎn)品，適用于不同容量燃油氣工業(yè)鍋爐的節(jié)能改造，企業(yè)采用其代替燃油鍋爐，不但節(jié)省了國(guó)家寶貴的石油資源消耗，同時(shí)其熱值相當(dāng)于柴油的40％，可降低燃油成本1/3。而且其減排效益顯著，研究表明生物質(zhì)氣化應(yīng)用于鍋爐燃燒可減少CO2排放量94％以上，同時(shí)由于菌草含硫量低、灰渣量很少，煙塵及SO2的排放量均較燃煤減少90％以上。可見(jiàn)，該項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)應(yīng)用符合我國(guó)的大政方政，可減少我國(guó)對(duì)化石能源的依賴(lài)，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保持經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。
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