改進(jìn)型生物質(zhì)上吸式固定床氣化爐的應(yīng)用與效益分析

陸長清，王世芬，劉光華

(1.江西省科學(xué)院能源研究所，江西 南昌330096;2.江西省環(huán)境保護(hù)廳環(huán)境評估中心，江西 南昌330039; 3.東莞市百大新能源股份有限公司，廣東 東莞523808)

0 引言

目前，我國在用燃煤工業(yè)鍋爐約48萬臺，每年消耗原煤約6.5億t，占煤炭消費(fèi)總量約20%，由燃煤鍋爐造成的環(huán)境污染非常嚴(yán)重，許多地區(qū)都開始限制燃煤鍋爐的使用;盡管油氣燃料為潔凈能源，但我國油氣資源缺乏，如推廣使用燃油、燃?xì)忮仩t，其能源供應(yīng)難以得到長期穩(wěn)定的保證。生物質(zhì)能源具有可再生性、低污染性(S、N含量低，CO2凈排放量近似于零)、廣泛的分布性等特點(diǎn)，不僅是一種理想的可再生能源，對改善大氣酸雨環(huán)境、減少大氣中二氧化碳含量從而減少“溫室效應(yīng)”具有重要的意義，也是一種重要的環(huán)境友好型的新能源。我國擁有豐富的生物質(zhì)資源，開發(fā)和優(yōu)化生物質(zhì)作為鍋爐燃料轉(zhuǎn)化利用技術(shù)，對節(jié)約常規(guī)能源、優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)境污染將有積極意義［1～3］。

生物質(zhì)通常包括農(nóng)業(yè)廢棄物、木材及森林工業(yè)廢棄物、禽畜糞便、城鎮(zhèn)生活垃圾以及能源作物等幾種類型，生物質(zhì)的揮發(fā)份含量一般在76%～86%，生物質(zhì)受熱后在相對較低的溫度下就能使大量的揮發(fā)份物質(zhì)析出。生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用技術(shù)可分為燃燒技術(shù)、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生化轉(zhuǎn)化技術(shù)等3類，與熱能利用相關(guān)的主要有燃燒技術(shù)、氣化技術(shù)和液化技術(shù)等，其中生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程最新的技術(shù)之一;生物質(zhì)氣化是利用空氣中的氧氣或含氧物做氣化劑，在高溫條件下將生物質(zhì)燃料中的可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?主要是H2、CO和CH4)的熱化學(xué)反應(yīng)。為了提供反應(yīng)的熱力學(xué)條件，氣化過程需要供給空氣或氧氣，使原料發(fā)生部分燃燒，盡可能將能量保留在反應(yīng)后得到的可燃?xì)庵?，氣化后的產(chǎn)物含有H2、CO及低分子的CmHn等可燃性氣體。生物質(zhì)氣化采用的技術(shù)路線種類繁多，根據(jù)采用的氣化反應(yīng)器的不同可分為固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化，其中固定床氣化爐又分為上吸式、下吸式氣化爐［3～5］。國內(nèi)生物質(zhì)氣化裝置普遍存在產(chǎn)出可燃?xì)庵薪褂团c氮?dú)夂枯^高、熱值較低、氣化效率較低和自身熱損失較大等問題。針對上述問題，本文對生物質(zhì)上吸式固定床氣化爐進(jìn)行了改進(jìn)，對用農(nóng)業(yè)秸桿、廢木料等廢棄物經(jīng)烘干、制粒、成型生產(chǎn)工藝制得的生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行氣化，以解決降低可燃?xì)庵薪褂秃?、氮?dú)夂亢吞岣邿嶂档葐栴};研制的燃用生物質(zhì)顆粒燃料的上吸式固定床氣化爐在現(xiàn)有燃煤、燃油鍋爐的節(jié)能減排改造中進(jìn)行了應(yīng)用，達(dá)到優(yōu)化生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用、減少燃燒污染物排放、保護(hù)環(huán)境的目的，具有明顯的節(jié)能減排效應(yīng)。

1 工藝流程及氣化爐的改進(jìn)

1.1 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化利用工藝流程

原料由自動(dòng)加料裝置，經(jīng)加料斗從頂部進(jìn)入氣化爐，空氣從爐體底部進(jìn)入氣化爐，經(jīng)過順流與逆流的雙向反應(yīng)，剩余少量灰燼從底部排出，可燃?xì)饣瘹鈴闹胁颗懦?，?jīng)過濾后進(jìn)入該氣化爐氣化氣燃燒器中燃燒，尾氣從鍋爐排出后進(jìn)入廢生物質(zhì)顆粒加熱裝置，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

1.2 上吸式固定床氣化爐的改進(jìn)

1.2.1 氣化劑和出氣口位置 采用空氣-水蒸汽混合氣化劑代替現(xiàn)有的空氣氣化劑，研究空氣-水蒸汽氣化劑的配比，開發(fā)氣化劑輸入及自動(dòng)控制裝置;優(yōu)化調(diào)整可燃?xì)獬鰵饪谖恢?。通過對氣化劑和出氣口位置的研究和優(yōu)化，達(dá)到減少可燃?xì)庵械慕褂团c氮?dú)夂浚岣呖扇細(xì)獾臍饣瘡?qiáng)度、氣化效率及熱值的目的。

1.2.2 開發(fā)新型燃燒器 采用流場結(jié)構(gòu)和旋流技術(shù)，研制開發(fā)旋流燃燒器，使可燃?xì)馊紵浞?、火力更集中、更穩(wěn)定、更均勻，減少了NOx、SO2和煙塵燃燒污染物的排放，提高了氣化爐的節(jié)能減排效應(yīng)。

1.2.3 開發(fā)余熱利用裝置 開發(fā)研制了氣化爐爐體外圍水循環(huán)控溫裝置和利用鍋爐尾氣烘干生物質(zhì)顆粒燃料裝置。在氣化爐大部分高溫區(qū)的爐體的外圍形成一個(gè)環(huán)形水套，設(shè)置控溫器和智能閥，將符合鍋爐供水水質(zhì)要求的水從氣化爐的底部入水口輸入，逆流經(jīng)設(shè)于氣化爐中上部的出水口排出再輸入到鍋爐中，有效控制了爐體外圍溫度的進(jìn)一步上升，同時(shí)達(dá)到節(jié)能、節(jié)水的目的。在鍋爐排出的尾氣處設(shè)置生物質(zhì)顆粒燃料加熱裝置，充分利用鍋爐尾氣的余熱對擬固化成型的生物質(zhì)顆粒進(jìn)行烘干，減少在制作生物質(zhì)顆粒燃料的能源消耗。

1.2.4 開發(fā)自動(dòng)加料裝置 將原來的方形加料裝置改為圓形加料裝置，并設(shè)置自動(dòng)控制裝置，以減少卡料及冒煙等機(jī)械故障。

2 應(yīng)用效果及效益分析

2.1 應(yīng)用效果及技術(shù)指標(biāo)分析

改進(jìn)型的燃用生物質(zhì)顆粒燃料的上吸式固定床氣化爐，在現(xiàn)有燃煤、燃油鍋爐的改造應(yīng)用后，經(jīng)廣東省科技廳組織驗(yàn)收，其改進(jìn)前后各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對比分析如表1所示。

表1 改進(jìn)前后各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對比分析

2.2 應(yīng)用效益分析

2.2.1 環(huán)境效益 經(jīng)對應(yīng)用改進(jìn)型上吸式固定床氣化爐改燒生物質(zhì)的鍋爐、燃煤和燃油鍋爐的尾氣污染物含量測試，其測試結(jié)果如表2所示。

表2 生物質(zhì)與燃煤、燃油鍋爐尾氣污染物含量測試

從表2可知，應(yīng)用改進(jìn)型上吸式固定床氣化爐改燒生物質(zhì)的鍋爐尾氣中的SO2含量較燃煤、燃油鍋爐分別減少99.2%和99.1%，NOx含量較燃煤、燃油鍋爐分別減少98%和98.2%。

經(jīng)環(huán)保監(jiān)測部門對改燒生物質(zhì)鍋爐煙氣排放口的尾氣測試，檢測方法依據(jù)《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》(第四版)［6～8］，鍋爐煙氣中的 SO2、NOx、煙塵排放濃度和黑度測定結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，鍋爐使用該上吸式固定床氣化爐后，鍋爐煙氣中的SO2、NOx、煙塵排放濃度和黑度不僅能達(dá)標(biāo)排放，且均低于GB13271-2001中燃?xì)忮仩tⅡ時(shí)段最高允許排放濃度限值，不需對鍋爐煙氣中污染物進(jìn)行治理就可直接排放。

表3 鍋爐煙氣排放口廢氣污染物排放情況

2.2.2 節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益 用改進(jìn)型生物質(zhì)上吸式固定床氣化爐對20余臺的燃煤、燃油鍋爐進(jìn)行改造的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，每3.5 t和1.375 t廢木料可分別代替1 t柴油和1 t煤，整體節(jié)能(標(biāo)煤)達(dá)50%以上。所用的生物質(zhì)燃料成本僅為柴油的25%，鍋爐改造工程的總投資只需1－2年內(nèi)可全部回收，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

2.2.3 社會效益 利用廢棄的廢木料、秸桿等生物質(zhì)資源進(jìn)行氣化利用，不僅減少了固廢產(chǎn)生的二次污染，同時(shí)也提高了生物質(zhì)能的利用率，也可為農(nóng)村和邊遠(yuǎn)山區(qū)就近提供廉價(jià)能源，形成完整的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。與燃煤作燃料相比，可改善操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少燃煤對操作人員身體健康的影響。

3 結(jié)論

針對目前國內(nèi)生物質(zhì)氣化裝置普遍存在產(chǎn)出可燃?xì)庵薪褂秃枯^高、熱值較低、氮?dú)夂枯^高和自身熱損失較大等問題，對生物質(zhì)上吸式固定床氣化爐進(jìn)行了改進(jìn)，研制的燃用生物質(zhì)顆粒燃料的上吸式固定床氣化爐在現(xiàn)有燃煤、燃油鍋爐的節(jié)能減排改造中進(jìn)行了應(yīng)用，改進(jìn)型生物質(zhì)氣化爐的氣化效率、可燃?xì)鉄嶂?、氣化?qiáng)度分別達(dá)90%、6.7 MJ/m3和18 kg/m2·h，可燃?xì)庵械暮褂土亢秃繙p至2%和30%，均符合或高于Q/BD1-2013《生物質(zhì)氣化裝置》標(biāo)準(zhǔn)［10］的要求;應(yīng)用改進(jìn)型上吸式固定床氣化爐改燒生物質(zhì)的鍋爐尾氣中的SO2含量較燃煤、燃油鍋爐分別減少99.2%和99.1%，NOx含量較燃煤、燃油鍋爐分別減少98%和98.2%;鍋爐所排放煙氣中的SO2、NOx、煙塵排放濃度和黑度均低于國標(biāo)GB13271-2001中燃?xì)忮仩tⅡ時(shí)段最高允許排放濃度限值，不需對鍋爐煙氣中污染物進(jìn)行治理就可直接排放，具有顯著的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益及節(jié)能減排效應(yīng)。

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［2］ 徐德良，孫 軍，陳小娟，等.工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.林產(chǎn)工業(yè)，2009，36(6):3－7.

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［6］ 國家環(huán)境保護(hù)總局.空氣和廢氣監(jiān)測分析方法(第四版)［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2003.

［7］ HJ/T43-1999.固定污染源排氣中氮氧化物的測定［S］.

［8］ GB/T16157-1996.固定污染源排氣中顆粒物和氣態(tài)污染物采樣方法［S］.

［9］ GB13271-2001.鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［10］Q/BD1-2013.生物質(zhì)氣化裝置標(biāo)準(zhǔn)［S］.東莞市百大新能源股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2013.