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王建偉，趙磊磊，延廷琪
（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590）
摘要：生物質能源是一種環境友好的可再生能源，但也存在能量密度低、含水率高、堿金屬含量高等缺點，導致其在熱利用的過程中存在易結渣、堵灰及腐蝕、熱效率不高等問題。本文結合生物質氣化、爐內堿金屬/硫固定、兩級焦油裂解、蓄熱式燃燒，以及冷凝熱回收等多項先進技術，設計并搭建了連續蓄熱式生物質氣化/燃燒供熱系統。以海洋貝殼類廢棄物作為生物質成型燃料的添加劑和生物質焦油裂解過程的催化劑，在實現海洋廢棄資源高值化利用的同時，克服了生物質熱利用過程中的多項障礙，能夠顯著提高生物質能熱利用效率，同時大幅度降低當前工業及民用供熱過程中CO2、SOx、NOx及煙塵的排放，具有良好的經濟性與環保性。
引言
生物質能源的傳統利用方式以直接燃燒為主， 這種利用方式不但熱利用效率偏低，而且污染物排放濃度也仍然偏高。因此，生物質直燃在中國的很多地區并不被視為清潔燃料，而生物質氣化燃氣則被視為一種值得推廣的清潔能源。蓄熱式燃燒技術，又稱高溫空氣燃燒技術，是20世紀90年代開始推廣的一項新型燃燒技術，它具有高效煙氣余熱回收、空氣和燃氣預熱溫度高以及低氮氧化合物排放的優越性，從而廣泛應用于鋼鐵、冶金、機械、建材等工業生產中，并已出現迅猛發展的勢頭。
但是，傳統的生物質氣化和蓄熱式燃燒技術也各自存在一定的不足。
生物質氣化的不足體現在：①生物質中堿金屬含量高，在氣化爐內會導致灰熔點下降，易結渣，且氣化強度、能源轉換效率會出現明顯下降。氣化后，大部分堿金屬則轉移至氣相，會導致下游熱利用設備出現堵灰和腐蝕[1]；②生物質氣化燃氣中含有大量焦油，冷凝后易導致管路、閥門堵塞。此外，焦油本身熱值較高，不回收利用會導致能量的浪費，而作為分解焦油最有前景的催化裂解法，其鎳基催化劑在焦油的分解方面非常活躍，但容易碳沉積導致催化劑失活。并且鎳化合物有毒，其處理將會帶來潛在的環境問題[2]；③生物質燃氣熱值低，其燃燒溫度低，易出現燃燒不穩定現象。
傳統蓄熱式燃燒的不足體現在：①高溫預熱空氣的間歇變向會導致熱利用設備內壓力劇烈波動；②以高熱值燃氣（如天然氣等）為燃料時，不但原有的節能、低氮等優勢會降低，而且實際應用過程的復雜性反而會導致NOx的排放遠超預期；③兩側蓄熱體水當量比的不平衡，導致難以實現理論上的極限熱回收。
本文結合生物質氣化與蓄熱式燃燒兩種技術各自的優勢，提出一種能夠克服兩種技術的缺陷并充分發揮各自優勢的方案，搭建一套完整的高效低排放生物質熱利用系統，以期能夠最大限度地提高生物質利用的熱效率，降低污染物排放量。
1設計方案
1.1系統流程
為了填補當前煤炭和天然氣應用大面積受限而導致的清潔可再生能源嚴重空白的現狀，提出了一種連續蓄熱式生物質氣化/燃燒供熱系統，其設計方案如圖1所示。
系統工藝流程如下：蓬松生物質與添加劑（碾碎的貝殼或高嶺土）一起壓縮制成高密度成型燃料，在上吸式生物質氣化爐內氣化為燃氣；氣化爐的水冷套產生的水蒸氣則與高溫空氣一起，作為下游部分氧化法焦油裂解過程使用的改性氣；氣化燃氣中的焦油在兩級焦油裂解器（部分氧化法+催化裂解法）內徹底分解為可燃氣體小分子；高溫燃氣通過空氣預熱器降溫至大約200℃后進入布袋除塵器除塵凈化；經空氣預熱器預熱的空氣作為氣化劑從底部進入氣化爐；凈化后的低熱值燃氣進入燃燒器，在超過1000℃的高溫空氣的助燃作用下進行高溫低氧稀釋燃燒（蓄熱式燃燒）；燃燒后產生高溫煙氣，依次流經高溫四通閥、蓄熱體、低溫四通閥、冷凝式換熱器，完成放熱的煙氣最后經引風機排放至大 氣，排煙溫度為40℃[7]。生物質燃燒煙氣中富含的大量水蒸氣在冷凝式換熱器內釋放出汽化潛熱。環境中的冷空氣混合小部分引風機處排放的煙氣完成氧稀釋后，再經鼓風機升壓，然后依次流經低溫四通閥、另一側蓄熱體、高溫四通閥，完成吸熱升溫后成為溫度超過1000℃的高溫空氣。產生的高溫空氣分為兩股，分別作為蓄熱式燃燒的助燃空氣和部分氧化法焦油裂解所用的氧化分解改性氣。
在添加劑和催化劑的選擇上，選用海洋廢棄物，如扇貝殼、牡蠣殼、花蛤殼等，根據KAEWPANHA等[3]的測試結果，貝殼的主要成分中CaCO3含量接近98%，是一種非常適合的添加劑材料。
摻混貝殼添加劑的生物質成型燃料生產工藝為：將廢棄的貝殼進行碾磨、篩分，（粒徑<250μm）按一定比例在混料器中摻混到生物質粉狀料中、在生物質成型機械中壓縮成高密度燃料。
以廢棄的貝殼為基體負載銅的催化劑制備工藝為：將廢棄的貝殼進行碾磨、篩分（粒徑<250μm），1000℃煅燒2h，用1%質量濃度的Cu(NO3)2水溶液浸漬、在110℃下干燥12h、650℃煅燒3h、壓制成片待用。
1.2煙氣四通閥
蓄熱式鍋爐需要每隔一段時間通過換向閥對空氣與煙氣進行換向，在傳統切換閥中流通的氣流為常溫空氣與已被降溫的煙氣，換向閥的切換時間對陶瓷蜂窩體的溫度效率和熱效率有一定的影響，同時也會影響爐內溫度的變化和火焰的燃燒狀況。
為了提高鍋爐熱效率，本系統設計了可以連續產生高溫空氣的換向裝置。其中，高溫煙氣閥的結構如圖2所示，連桿1被氣缸帶動做上下往復運動，2為高溫煙氣進氣口，3為高溫空氣排氣口，4、5 為煙氣孔，6、7為空氣孔，隔板8將左右兩邊分隔為煙氣側和空氣側，隔板9將蓄熱體分隔為兩組，煙氣閥內壁貼一層1cm厚的陶瓷纖維紙。
高溫煙氣閥的工作原理：從蓄熱鍋爐產生的高溫煙氣通過2進入高溫煙氣閥，連桿1在氣缸的帶動下做往復運動。當往上拉時，4、6被關閉，5、7被打開，高溫煙氣從煙氣側煙氣孔5透過隔板9一側的蜂窩陶瓷蓄熱體，通過輻射和對流方式迅速將熱量傳給蓄熱體，煙氣被冷卻后向下排出高溫煙氣閥；此時，鼓風機將常溫空氣透過隔板9另一側的蓄熱體，蓄熱體以對流換熱為主的方式把熱量迅速傳給空氣，蓄熱體被冷卻，空氣被加熱，迅速升溫至1000℃以上。加熱后的空氣從空氣孔7進入高溫煙氣閥，通過高溫空氣排氣口3排出。當往下推時，5、7被關閉，4、6被打開，高溫煙氣從煙氣側煙氣孔4透過蜂窩陶瓷蓄熱體，通過輻射和對流方式將熱量傳給蓄熱體，煙氣被冷卻后向下排出高溫煙氣閥；同時，鼓風機將常溫空氣透過蓄熱體，把熱量迅速傳給空氣，蓄熱體被冷卻，空氣被加熱，迅速升溫至1000℃以上。加熱后的空氣從空氣孔6進入高溫煙氣閥，通過高溫空氣排氣口3排出。
高溫煙氣閥中煙氣溫度在1300℃左右，其內壁貼有一層1cm厚陶瓷纖維紙，而四根拉桿需要對其水冷卻以防止其高溫腐蝕。水冷裝置結構如圖3。
高溫煙氣閥水冷裝置工作原理：循環水泵將循環冷卻水箱中的冷卻水從入口2打進拉桿中內管，冷卻水向下流到拉桿底部擋板4，然后在擋板的隔擋下，冷卻水沿拉桿內壁向上流動，經出口3流入循環水箱中，以此循環。
低溫煙氣閥的結構和工作原理與高溫煙氣閥相似，唯一的區別在于低溫煙氣閥的閥板和閥桿的工作溫度較低，因而取消了水冷系統。
傳統的煙氣換向閥需要煙氣和空氣頻繁換向，使其工作具有不連續性，煙氣和高溫空氣流量會隨之波動。傳統煙氣換向閥的切換時間影響蓄熱體的溫度效率和熱效率，同時對爐溫波動和火焰燃燒狀況也有很大的影響，所以選用合適的切換時間是非常重要的。本文中煙氣閥克服了頻繁換向的問題，使高溫煙氣和常溫空氣的換熱可以連續進行，大大提高了煙氣余熱回收的效率。同時，高溫煙氣閥中加入水冷卻系統，很好地避免了高溫煙氣對煙氣閥的高溫腐蝕。
1.3蓄熱體部分
方案中蓄熱體為蜂窩陶瓷蓄熱體，其一般以硅鋁系原料中的莫來石質、堇青石質、高鋁質或莫來石−堇青石為原料，壁厚在0.5~2mm左右，與傳統的小球蓄熱體相比，蜂窩陶瓷蓄熱體體積小、質量輕，具有較大的比表面積，蓄放熱速度快，傳熱能力強，耐火度高[4]。同時其孔道呈直線型，流通截面積較大，壓力損失較小，且不易發生堵塞，自潔性好。
溫度效率和熱效率是評價蓄熱體換熱性能的重要指標。
經蜂窩陶瓷蓄熱體換熱后的高溫空氣幾乎等于爐內煙氣的溫度，二者溫差縮小至50~100℃的極限換熱水平。蓄熱體的溫度效率能達到90%以上，熱效率達80%以上，很好地實現了余熱回收的目的[5]。
根據孟祥龍等[6]的研究表明，蓄熱體傳熱和阻力性能受操作參數和結構參數的影響，蓄熱室空室流速在0.7~3.0m/s之間選取，對應的綜合傳熱系數在5.0~12W/(m2·℃)范圍內；蓄熱體比表面積在500~1000m2/m3之間選取；換向時間在60~180s之間選取；蓄熱體高度在1800~2500mm之間選取。本方案根據孟祥龍等的實驗及理論研究選擇了最優的操作參數和結構參數，以增加其傳熱性能，并且減小阻力損失。
1.4煙氣冷凝熱與冷凝水回收
生物質燃料中通常含有比煤、石油、天然氣等化石燃料更多的水分，因此生物質燃燒后煙氣中水蒸氣含量較高，排煙中可回收的水蒸氣潛熱份額會很大。以松木為例，其水分、過量空氣系數與水蒸氣體積百分比的關系如圖4所示。與煤、天然氣這種化石燃料相比，生物質燃料回收廢熱，提高鍋爐熱效率更有優勢，是更容易實現的。因此，該方案中加入了冷凝式換熱器來回收水蒸氣及其潛熱。
當排煙溫度降低到水蒸氣露點溫度以下，大量冷凝水和NOx、SOx等酸性氣體混合產生具有腐蝕性的酸性溶液，會對換熱器產生低溫腐蝕。新型的氟塑料換熱器，如聚四氟乙烯、氟化乙丙烯、聚偏氟乙烯等，比一般的金屬換熱器具有更好的抗腐蝕能力，且不易在換熱器表面產生痕跡[7-8]，因此，此方案設計安裝的冷凝式換熱器采用氟塑料換熱器。
2工作原理及性能分析
2.1上吸式氣化爐內堿金屬、硫、氯的控制原理與性能分析
生物質燃料中含有比煤炭等固體燃料中更多的堿金屬，而堿金屬進入灰渣中會導致其灰熔點下降而易于結渣，進入氣相中則會導致下游換熱面堵灰、腐蝕等問題，一直是生物質利用過程中需要慎重對待的大問題。對此，本供熱系統擬采用如下兩個方法解決：
（1）氣化爐的設計采用上吸式氣化方式。其理由在于，根據OLWA等[9]的研究，上吸式氣化方式可以將生物質中99%的堿金屬滯留于爐內。本課題組分別以花生殼、稻稈和玉米稈為燃料對直燃和上吸式氣化燃燒進行的對比實驗也證明了這一點[10]：即盡管上述3種生物質燃料中的堿金屬原始含量存在差異，但采用上吸式氣化燃燒所產生煙氣中的堿金屬含量均遠遠低于直燃。其原因在于上吸式氣化爐出口的燃氣溫度大約在250~350℃之間，在氣化爐的氧化層等高溫區域揮發進入到燃氣中去的堿金屬，當跟隨燃氣離開氣化爐時，會依次流經溫度逐漸降低的熱分解層和干燥層，其溫度也逐漸下降。這樣，即使已經揮發進入氣相的堿金屬，也會逐漸因冷凝而被上部的冷料層過濾下來，隨著料層的下降而逐漸下沉，在合適的溫度條件下，會與灰渣中的其他元素發生復雜的化學反應，最后以固態排渣的形式與其他灰渣成分一起排出。該過程稱之為上吸式氣化方式對揮發堿金屬的過濾滯留效應，是上吸式氣化方式相較于其他氣化方式的重要優勢之一。
（2）在生物質成型燃料壓縮成型的過程中，摻入一定比例的添加劑用以固定燃料中的堿金屬和硫、氯，并提高灰熔點，抑制結渣。謝澤瓊等[11]的研究發現，當使用石灰石、高嶺土等作為添加劑時，均能達到將堿金屬有效地滯留在爐內的目的，從而大大減少了進入到氣化燃氣中的堿金屬含量。同時，摻入添加劑也能起到提高灰熔點的作用。例如高嶺土主要成分是Al2O3·2SiO2·2H2O晶體，在氣化過程能夠與堿金屬發生反應形成高熔點的硅鋁酸鹽[12]。石灰石的主要成分是CaCO3，其固定鉀后的產物為碳酸鉀鈣石[9]。高嶺土和石灰石的固鉀反應機理如表1所示。
路春美等[13]研究還表明，燃料中摻入的添加劑同時還能在氣化過程中起到爐內固定硫的作用，可以明顯降低進入到燃氣中的H2S和HCl的含量，從而可以減輕其對下游設備的腐蝕。此外，添加劑的含量并非越多越好，而是存在一個飽和點。例如高嶺土催化劑的含量以5%為最佳[14]。
通過聯合利用上吸式氣化爐和在燃料中添加海洋廢棄物貝殼兩種方法，使得生物質氣化過程中堿金屬的遷移方向更傾向于以固態高熔點化合物形式滯留于爐內，并最終以排渣的形式離開氣化爐，而不是進入到燃氣相中，從而大大地減輕下游燃氣燃燒及熱交換設備的堵灰和腐蝕問題。高熔點灰渣的形成也有利于防止形成結渣，并可以提高氣化爐的氣化強度，從而減少氣化爐的設計尺寸、占地空間。
2.2生物質焦油的裂解
上吸式氣化燃氣中具有很高的焦油含量，而焦油的存在不但降低了燃氣的熱值，而且當其低溫凝結時，還會與灰塵混合在一起，導致管道、閥門發生堵塞，影響用熱設備的正常運行。同時，焦油本身也具有較高的熱值，如能加以回收，則有利于提高燃氣的熱值和整個氣化過程的能源轉換效率。為此，設計方案中還設置了兩級焦油分解反應器。
兩級焦油處理器工作原理為：第一級采用部分氧化分解法，利用來自氣化爐水冷套的高壓蒸汽與部分經蓄熱體預熱后的高溫空氣混合形成高溫空氣和水蒸氣的混合物，以引射混合的方式噴射到燃氣高溫改性器中，在900~1000℃的高溫下發生部分氧化和分解反應，實現對焦油的初級裂解。第二級采用催化裂解法，可以將燃氣中殘余的小部分焦油徹底分解為小分子氣體，實現對焦油的第二級深度裂解。
燃氣高溫改性器包括：①引射器，利用來自氣化爐水冷套的高壓蒸汽引射經蓄熱體預熱后的部分高溫空氣；②前置裂解反應區，高溫部分氧化法燃氣改性區；③催化裂解反應區，由煅燒貝殼作為基體并負載銅作為催化劑。
在1300℃的溫度水平下，攜帶大量焦油的燃氣在改性器發生熱裂解反應，從而顯著降低燃氣中的焦油含量，其反應方程如下式所示：
通過焦油裂解器將氣化燃氣中含有的大量焦油徹底分解后，最終不但可以避免燃氣中焦油冷凝導致的管道、閥門的堵塞問題，而且在一定程度上提高了燃氣的熱值。
2.3蓄熱式燃燒
蓄熱式換熱技術是21世紀節能和環保最具有發展潛力的技術之一，其工作原理是高溫煙氣和冷空氣交替流經蓄熱體并進行換熱，當煙氣流過蓄熱體時，煙氣把自身的熱量傳給蓄熱體，蓄熱體存儲熱量，溫度逐漸升高；下一個周期切換四通閥后，從鼓風機經四通閥來的冷空氣流過，冷空氣從蓄熱體得到熱量，蓄熱體的溫度逐漸降低。如此反復形成一個非穩態的傳熱過程。這樣，通過蓄熱體的冷空氣達到了預定高溫，煙氣又下降到了預定低溫，蓄熱體就把高溫煙氣中的顯熱轉移到了冷空氣中，最大限度地回收了高品質余熱[15]。
根據調研，初步估計各系統的性能參數如表2、表3所示。
3結論
3.1創新點
（1）生物質燃料中摻混一定比例的添加劑，并結合上吸式氣化方式，能夠實現爐內固定絕大多數堿金屬和一定比例的硫、氯，從而可以大幅度減少氣化燃氣中污染物的原始排放濃度。
（2）利用海洋廢棄物貝殼分別作為燃料添加劑和焦油裂解的催化劑，實現了海洋廢棄物的高值化、資源化回收利用。
（3）低溫煙氣四通閥、蓄熱體，以及采用水冷閥板/閥桿設計的高溫煙氣四通閥三者的聯合使用，使得高溫預熱空氣的連續發生成為可能，徹底解決了傳統蓄熱式燃燒方式中高溫空氣間歇發生所導致的系列問題。
（4）氣化燃氣蓄熱式燃燒結合部分煙氣再循環，不但可以保證低熱值燃氣的穩定燃燒，且低熱值+低氧的燃燒特點，使得燃燒過程中無火焰峰值，溫度場均勻，可以大幅度降低NOx的生成，有利于實現超低排放。
（5）利用的生物質水分含量高、硫含量低的優勢，可回收生物質鍋爐排煙中的水蒸氣及其潛熱，提高熱效率的同時節約了一部分水資源。
3.2應用前景
本供熱系統的應用場合預期將包括：
（1）可以直接用于替代現有使用天然氣、發生爐煤氣等作為民用供暖和工業供熱的中、小型燃氣供熱場所。
（2）可以直接用于替代現有使用燃煤鍋爐、生物質直燃鍋爐、生物質燃燒機等作為民用供暖和工業供熱的中、小型固體燃料供熱場所。
（3）可以直接用于小城鎮及新農村地區的集中供氣、區域清潔供暖場所。
（4）可以直接用于替代泳池、浴池等場所的熱水供應場所。
綜上所述，所設計的供熱系統實現CO2零排放，并且以可再生的廉價生物質資源為燃料，改固體燃料直接燃燒為蓄熱式氣化燃燒，不但大幅度降低了各項污染物的原始排放濃度，抑制腐蝕和堵灰問題，而且能夠有效回收煙氣中的潛熱與顯熱，大幅度提高了能源利用過程的熱效率，因而具有良好的經濟性，社會、經濟和生態等綜合效益顯著，完全符合國家提倡的可持續發展的能源戰略，應用前景十分廣闊。
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