改進型固定床上吸式氣化爐及其在蒸汽鍋爐中的代油燃燒應(yīng)用*

杜海江，郭常青，徐冰嬿，李宗楠，劉光華

（1. 中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣州 510070；2. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；3. 東莞市百大新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808）

改進型固定床上吸式氣化爐及其在蒸汽鍋爐中的代油燃燒應(yīng)用*

杜海江1?，郭常青2，徐冰嬿2，李宗楠2，劉光華3

（1. 中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣州 510070；2. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；3. 東莞市百大新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808）

在蒸汽鍋爐進行生物質(zhì)能源改造中，生物質(zhì)氣化燃氣代替煤、油具有成本、環(huán)保、政策方面的優(yōu)勢，但必須解決焦油的二次污染問題。本文提出以改進型即中部出氣固定床上吸式氣化爐生產(chǎn)生物質(zhì)可燃氣，及焦油成分隨燃氣直接在鍋爐爐膛燃燒的技術(shù)路線，并以2 T/h蒸汽鍋爐為例對氣化爐的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計計算。采用基于鍋爐輸出蒸汽壓力的氣化爐鼓風(fēng)自適應(yīng)控制方法實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。最后通過實際應(yīng)用案例實測數(shù)據(jù)的熱能計算證明生物質(zhì)氣化燃氣在蒸汽鍋爐中代替煤、油燃燒的可行性。

生物質(zhì)氣化燃氣；生物質(zhì)鍋爐；鍋爐燃料；改進型上吸式氣化爐

0 前 言

生物質(zhì)能源在鍋爐行業(yè)早有應(yīng)用，以成型燃料為主。生物質(zhì)秸稈或木材通過粉碎、干燥、機械加壓等過程，制成結(jié)構(gòu)緊密的磚型、棍型或顆粒狀燃料，這些生物質(zhì)成型燃料便于貯運，燃燒后排放的煙灰和SO2都遠低于煤炭，被認為是一種適合應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的高品位燃料[1]。但是，成型燃料生產(chǎn)需要消耗大量電能，其燃燒后的煙塵、林格曼黑度、NOx等指標(biāo)仍然難以達到環(huán)保要求，而且成型燃料使用中存在結(jié)垢結(jié)渣問題需經(jīng)常停爐清渣。除生物質(zhì)成型燃料外，生物質(zhì)氣化燃氣已經(jīng)在發(fā)電、農(nóng)村供熱及烘干等方面得到了快速發(fā)展[2,3]，作為鍋爐的替代能源已有成功應(yīng)用[4]，但規(guī)模遠不及成型燃料，主要是因為氣化燃氣中焦油及其二次污染問題一直無法有效解決。

東莞市百大新能源有限公司自2006年涉足生物質(zhì)能源行業(yè)以來，采用焦油隨生物質(zhì)燃氣在鍋爐爐膛中直接燃燒的技術(shù)路線，有效解決了焦油及其二次污染對鍋爐生物質(zhì)能源改造帶來的困擾。

1 生物質(zhì)燃氣代煤、油燃燒系統(tǒng)

以生物質(zhì)氣化燃氣為鍋爐能源的熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由三部分組成：氣化爐、燃燒器、鍋爐，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。以家具廠廢棄木材邊角料或壓塊燃料為主的生物質(zhì)通過料斗間歇方式添加進固定床上吸式氣化爐，在氣化爐中高溫缺氧狀態(tài)下裂解、氧化還原，生成CO、H2、CH4等小分子量可燃氣體，在氣化過程中需要加入空氣等氣化劑。氣化爐生產(chǎn)的生物質(zhì)燃氣經(jīng)管道輸送到生物質(zhì)氣燃燒器與空氣混合并在鍋爐爐膛中燃燒，鍋爐吸收熱量生產(chǎn)高溫蒸汽，蒸汽經(jīng)管網(wǎng)輸送給用汽企業(yè)。生物質(zhì)燃氣應(yīng)用于蒸汽鍋爐，可以代替煤炭以提供清潔環(huán)保的能源、代替油及天然氣以提供廉價的能源。

圖1 生物質(zhì)熱能轉(zhuǎn)換一體化系統(tǒng)Fig. 1 Integrated system of biomass energy thermal conversion

2 改進型固定床上吸式氣化爐

2.1 氣化爐結(jié)構(gòu)

常規(guī)上吸式氣化爐是氣固逆流工作方式，產(chǎn)出的可燃氣從爐頂部排出，雖具有氣化效率高、氣化強度大、除灰分以外無其它固體可燃剩余物等優(yōu)點，但同時存在產(chǎn)出氣體中焦油含量相對較多、氣體質(zhì)量相對較差的缺點。而下吸式氣化爐是氣固順流工作方式，產(chǎn)出氣與灰分從下部排除，氣化過程中產(chǎn)生的焦油部分被高溫?zé)崃呀猓虼水a(chǎn)出氣中焦油含量相對較少，但含有較多灰分。

圖2 改進型（中部出氣）上吸式氣化爐結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure of gasifier with gas outlet in the middle position

改進型（中部出氣[5]）固定床上吸式氣化爐是交錯流工作方式，結(jié)構(gòu)如圖2所示，具有氣固順流與逆流的優(yōu)點，干燥層所排出的水分隨物料下行時參與氣化反應(yīng)，而經(jīng)熱分解層產(chǎn)生的焦油，在高溫狀態(tài)下呈氣態(tài)輸出。氣化爐主體結(jié)構(gòu)以一個錐形的下料裙分成上下兩部分，上部為以干燥為主的儲料室，下部為以熱解、氧化、還原反應(yīng)為主的氣化室。原料從料斗落到爐本體中會因下料裙的原因形成一個自然環(huán)狀死角空間，這個空間就成了一個自然的“集氣走廊”，可燃氣出氣口就設(shè)在此死角空間處。氣化后的可燃氣先聚集在此環(huán)形的“集氣走廊”中，由“集氣走廊”排入出氣口。這樣的設(shè)計不僅大大減少了輸出燃氣中的飛灰，同時出氣口設(shè)在干燥層的下部，燃氣輸出沒有經(jīng)過干燥層，所以輸出燃氣的溫度較高，降低了燃氣中焦油成分低溫釋出的可能性，焦油成分可以隨燃氣一起在鍋爐爐膛中燃燒，焦油熱量的利用不僅使系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)換效率得到提高，也解決了焦油凝聚堵塞而引起的設(shè)備運行可靠性問題。此外，當(dāng)儲料室充滿原料時，壓力差使氣體通過料層的阻力大于從出氣口導(dǎo)出的阻力，避免了煙氣通過進料口外溢的可能性。

2.2 氣化爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

以2 T/h蒸汽鍋爐為例，設(shè)計的中部出氣氣化爐需滿足供給2 T/h蒸汽鍋爐輸出的熱量，即鍋爐每小時輸出熱量為1 200 Mcal/h，鍋爐的熱效率按國家標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中的最低設(shè)計要求80%計算，可得到鍋爐需要輸入的最小熱量，亦即氣化爐輸出的最小熱量：

氣化爐的氣化效率指生物質(zhì)氣化后所得燃氣熱量與氣化原料所含熱量之比，固定床上吸式氣化爐的氣化效率一般在70%～75%之間，在此按70%取值，可得出供給氣化爐生物質(zhì)木料每小時需提供的熱量：

實測收到基生物質(zhì)木料低熱值為15 680 kJ/kg，可得出每小時需要供給氣化爐生物質(zhì)木料的重量：

氣化爐的氣化強度，即單位截面積單位時間內(nèi)氣化的生物質(zhì)的量，常規(guī)固定床一般為100～300 kg/(m2·h)，結(jié)合之前爐型的實際經(jīng)驗取250 kg/(m2·h)，可得出氣化爐氣化室截面積：

因此，氣化室直徑D計算如下：

氣化爐壁保溫層的厚度為0.3 m，因此氣化爐外徑為2.3 m。為了保證上吸式氣化爐的穩(wěn)定運行，爐內(nèi)各反應(yīng)層應(yīng)有合適的高度，其氣化室高徑比一般應(yīng)大于2，即H＞2D，在此取H=2D，即氣化室總高度3.4 m。儲料室需保證充足的木料烘干，空間取為料斗2倍的體積，相應(yīng)高度大約為1.2 m。

綜上，適應(yīng)于2 T/h蒸汽鍋爐的中部出氣氣化爐設(shè)計數(shù)據(jù)如表1。適應(yīng)木料：塊狀邊長2 cm到10 cm之間，枝條狀長度小于30 cm，水份小于20%。

表1 氣化爐設(shè)計數(shù)據(jù)Table 1 Design parameters of gasifier

2.3 改進型氣化爐特征分析

改進型的中部出氣上吸式氣化爐解決了幾個關(guān)鍵問題：第一是從底部經(jīng)燃燒區(qū)、還原區(qū)上升的氣體經(jīng)高溫?zé)岱纸鈪^(qū)排出爐外，避免了低溫?zé)岱纸?，減少焦油產(chǎn)量，提高氣體質(zhì)量；第二是使氣體中水分經(jīng)干燥區(qū)釋出后向下流動參加氣化反應(yīng)，提高產(chǎn)出氣熱值；此外產(chǎn)出氣中的飛灰大大減少。因此中部出氣結(jié)構(gòu)綜合了常規(guī)上吸式氣化爐與下吸式氣化爐的優(yōu)點，出氣口位置即錐形下料裙位置是氣化爐設(shè)計的關(guān)鍵。在上吸式氣化爐中，反應(yīng)溫度隨著反應(yīng)層高度（料層高度）的增加而降低，在運行中當(dāng)其他條件如生產(chǎn)量、空氣比等已經(jīng)確定時，反應(yīng)層高度反映了反應(yīng)溫度，為了獲得質(zhì)量比較高的產(chǎn)出氣，必須控制較高的熱分解區(qū)溫度，這可以通過控制反應(yīng)層高度來實現(xiàn)[6]。通過料層溫度測試實驗確定出氣口位置距離爐柵1.5 m附近為最佳，此時可保證輸出燃氣溫度不低于300℃，燃氣低位熱值不小于6 MJ/Nm3。

3 生物質(zhì)燃氣代油燃燒應(yīng)用及熱工測定

以中部出氣氣化爐產(chǎn)出燃氣為燃料在蒸汽鍋爐中代油燃燒一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1?；诖讼到y(tǒng)建設(shè)的企業(yè)能源管理中心為周邊中小企業(yè)提供蒸汽能源，有效解決了企業(yè)的用能問題，淘汰了原來各廠家自行建設(shè)的燃煤、燃油小鍋爐。

代油燃燒系統(tǒng)的燃氣壓力特征是氣化爐內(nèi)為0.5 kPa左右微正壓，鍋爐爐膛為0.5 kPa左右微負壓，因此氣化爐產(chǎn)出的可燃氣可以在氣化爐正壓驅(qū)動下向鍋爐爐膛輸送，而氣化爐微正壓與鍋爐爐膛微負壓是在氣化爐鼓風(fēng)機、燃燒器配風(fēng)、及鍋爐引風(fēng)機的風(fēng)量控制下實現(xiàn)的。

鍋爐輸出蒸汽的應(yīng)用對象為以食品加工、紡織、酒店等企業(yè)為主，蒸汽壓力范圍一般在0.3 MPa～1.2 MPa，對應(yīng)的蒸汽溫度為133℃～188℃，輸出的蒸汽壓力允許偏差范圍為1%～3%。輸出蒸汽壓力的調(diào)節(jié)是基于控制氣化爐鼓風(fēng)機風(fēng)量實現(xiàn)的，氣化爐鼓風(fēng)量直接影響生物質(zhì)燃氣的輸出量，進而影響鍋爐燃料供給量，系統(tǒng)自適應(yīng)智能控制原理如圖3[7]。系統(tǒng)運行的熱工測定數(shù)據(jù)基于現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)及經(jīng)現(xiàn)場采樣后在實驗室的測試數(shù)據(jù)，現(xiàn)場實際采集樣品及數(shù)據(jù)包括氣化爐的空氣供應(yīng)量、供給氣化爐的生物質(zhì)木料及供應(yīng)量、鍋爐燃燒器入口處的生物質(zhì)燃氣、鍋爐輸出蒸汽量。

圖3 基于蒸汽壓力的氣化爐鼓風(fēng)控制原理圖Fig. 3 Control principle diagram of air supplied to gasifier based on steam pressure

3.1 生物質(zhì)燃氣組分與熱值

由Agilent 7980A氣相色譜儀檢測結(jié)果統(tǒng)計的生物質(zhì)燃氣組分與熱值如表2。

燃氣低熱值QDWJ按下式計算[單位：kJ/(N·m3)]：

取VN=46.71%，QDWJ=6 272.33 kJ /(N·m3)（表2）。其中，VN為N2的體積百分比，QDWJ為輸出燃氣的低位熱值，燃氣樣品采樣方式為氣化爐穩(wěn)定運行后在燃燒器入口處每隔10 min采樣一次。

表2 燃氣組分與熱值Table 2 Biomass gas composition and LHV

3.2 收到基生物質(zhì)木料的工業(yè)及元素分析

收到基生物質(zhì)木料來自家具廠生產(chǎn)剩余邊角料，無需經(jīng)過破碎烘干即可直接投放，實測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 生物質(zhì)木料的工業(yè)分析及元素分析Table 3 Proximate and ultimate analysis data of biomass

3.3 焦油的工業(yè)分析

生物質(zhì)氣化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的焦油成分較復(fù)雜，焦油的存在對氣化燃氣的利用產(chǎn)生很大影響。通過元素分析可知，生物質(zhì)焦油主要由C、H、O，及少量的N組成，表4列出實測收到焦油樣品的元素分析，表5給出氣化燃氣每間隔10 min的焦油含量。

表4 焦油的元素分析Table 4 Elemental analysis of biomass tar

由表5得出單位體積燃氣中焦油的平均含量ρTAR=32.23 g/(N·m3)。經(jīng)測試，焦油高位發(fā)熱量為22 700 kJ/kg，低位發(fā)熱量QTAR為20 853 kJ/kg。

表5 焦油在燃氣中的含量Table 5 Tar content in biomass gas

3.4 系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，記錄日間正常供汽時段的氣化爐加料量、空氣供應(yīng)量、蒸汽產(chǎn)量等數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 實測運行數(shù)據(jù)Table 6 Operation data of the system

4 氣化爐運行的熱能計算

4.1 燃氣產(chǎn)量

氣化后的燃氣產(chǎn)量以氮平衡法計算，即忽略生物質(zhì)木料中的氮含量，而氣化鼓風(fēng)中的氮含量與氣化所得燃氣的氮含量相等，空氣氮含量按79%計，由下式可計算出平均燃氣產(chǎn)量（V）。

折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的燃氣產(chǎn)量（V0）：

其中，T是取樣時的鼓風(fēng)溫度，為25℃；P為取樣時的大氣壓力，Pa。

4.2 氣化爐輸出功率計算

氣化爐輸出功率由三部分構(gòu)成：（1）燃氣的熱功率；（2）燃氣中焦油的熱功率；（3）燃氣及焦油的顯熱功率。

（1）燃氣的燃燒熱功率（P1）：

其中，GDWJ為燃氣的低位熱值。

（2）焦油的燃燒熱（P2）：

其中，ρTAR為焦油含量，QTAR為焦油的低位熱值。

（3）按燃氣組分計算的定壓比熱Cp（0℃）為1.32 kJ/(m3·℃)，Cp（200℃）為1.349 kJ/(m3·℃)。

燃氣顯熱（P31）為：

T℃時焦油的比熱為：Cp焦油（T℃）=1.73 + 0.0025T，由此算得Cp焦油（200℃）=2.23 kJ/(kg·℃)。

焦油顯熱（P32）為：

總顯熱（P3）為：

（4）氣化爐輸出總功率（Q）：

（5）氣化爐總熱量轉(zhuǎn)換率η0，即氣化爐每小時輸出的總熱量與氣化爐消耗木料所含熱量之比：

其中，GW為每小時供給氣化爐的生物質(zhì)木料量，QDW為生物質(zhì)木料干基低熱值。

4.3 氣化效率（η）

冷氣體的氣化效率由下式計算：

4.4 氣化爐鍋爐一體化系統(tǒng)的總能熱效率

由表6數(shù)據(jù)可得單位質(zhì)量木料的蒸汽產(chǎn)量GSTM==4.70 （kg）。每千克蒸汽在0.4 MPa（溫度為151.85℃）下的焓為2 748.5 kJ，鍋爐平均回水溫度70℃，熱焓290 kJ/kg，每千克蒸汽實際獲得的熱焓HSTM=2 748.5–290=2 458.50（kJ/kg）。因此系統(tǒng)總能熱效率為：

其中，QW為收到基生物質(zhì)木料低熱值。

4.5 焦油及燃氣顯熱的熱效率

焦油及燃氣顯熱熱效率由下式計算：

4.6 運行結(jié)果分析

氣化爐所生產(chǎn)的可燃氣基本都為表2所列的組分，不同的廢木料生產(chǎn)氣體組分有略微差別，但變化不大，主要以H2、N2、CH4、CO和CO2等為主，其中可燃氣體主要為H2、CH4、CO和少量的C2H2、C2H4和C2H6等，燃氣的低熱值都在6 MJ/(N·m3)以上。焦油和氣體顯熱占氣化爐輸出總熱功率的13.23%，這部分熱量的利用，正是焦油成分隨可燃氣直接燃燒提高系統(tǒng)熱效率的主要原因。氣化爐采用中部出氣結(jié)構(gòu)使原料在干燥區(qū)釋出的水分向下流動，經(jīng)高溫?zé)岱纸鈪^(qū)參加氣化反應(yīng)，提高產(chǎn)出氣熱值，與常規(guī)上吸式氣化爐相比[8]，燃氣中CO2組分明顯減少，而CO組分顯著增加，燃氣熱值從5 MJ提高到6 MJ以上，冷氣體氣化效率達到75.06%，含焦油及氣體顯熱的氣化爐熱效率達86.51%，生物質(zhì)燃氣代油燃燒一體化系統(tǒng)的總能轉(zhuǎn)換效率為73.7%。

5 鍋爐排放及系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

5.1 鍋爐尾氣排放

生物質(zhì)燃氣燃燒后SO2、NOx和灰分排放量比化石燃料要小得多，實測數(shù)據(jù)如表7，均顯著低于《大氣污染物排放限值》（DB44/27-2001）第1時段二級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)，無需對鍋爐尾氣治理即可直接排放[9]。

表7 鍋爐尾氣排放數(shù)據(jù)Table 7 Emission data of boiler

5.2 經(jīng)濟效益分析

本系統(tǒng)在東莞市某五星級酒店的實際應(yīng)用證明其經(jīng)濟效益顯著，該酒店每天用蒸汽24 t，改造前鍋爐以重油為燃料，改造后用生物質(zhì)燃氣為燃料，只要3～3.5 t廢木料氣化產(chǎn)生的生物質(zhì)燃氣的能量與1 t重油所產(chǎn)生的能量相當(dāng)，參照目前的市場價格，3 t廢木料只需1 500元左右，而1 t重油卻要3 500元，原料成本節(jié)省57%。

6 結(jié) 論

目前針對蒸汽鍋爐的生物質(zhì)能源改造仍以生物質(zhì)成型燃料為主，燃燒成型燃料如煙氣處理不當(dāng)，PM2.5超標(biāo)排放將影響空氣環(huán)境，因此廣東珠三角地區(qū)在大面積推廣生物質(zhì)成型燃料幾年后已不再審批新增項目。中部出氣的上吸式氣化爐及生物質(zhì)氣化燃氣在蒸汽鍋爐中替代煤、油或天然氣應(yīng)用具有成本、環(huán)保、政策方面的絕對優(yōu)勢，可以有效解決中小企業(yè)的用能問題，達到節(jié)能減排的目的，如有效解決焦油二次污染問題，其逐漸走向規(guī)?；瘧?yīng)用只是時間問題。

符號表：

QDWJ燃氣的低位熱值，kJ/(N·m3)；

QHW燃氣的高位熱值，kJ/(N·m3)；

QDW生物質(zhì)木料干基低熱值，kJ/kg；

QW收到基生物質(zhì)低熱值，kJ/kg；

ρTAR單位體積燃氣中焦油的含量，%；

QTAR焦油熱值，kJ/kg；

VGAS每小時氣化爐鼓風(fēng)量，m3；

GW每小時供給氣化爐的生物質(zhì)木料量，kg；

GSTM每小時鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，kg；

HSTM每千克蒸汽獲得的熱焓，kJ/kg；

Vo 揮發(fā)分（生物質(zhì)工業(yè)分析），%；

As 灰分（生物質(zhì)工業(yè)分析），%；

Fc 固定碳（生物質(zhì)工業(yè)分析），%；

H2O 生物質(zhì)水分，%。

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The Improved Updraft Fixed-bed Biomass Gasifier and Its Application in Steam Boiler Instead of Fuel Oil

DU Hai-jiang1, GUO Chang-qing2, XU Bing-yan2, LI Zong-nan2, LIU Guang-hua3
(1. Chinese Academy of Sciences Guangzhou Electronic Technology Co., Ltd., Guangzhou 510070, China；2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China；3. Dongguan Baida New Energy Shares Co., Ltd., Dongguan 523808, China)

For biomass energy transformation in steam boilers, gasification gas has more advantages than coal or oil, such as cost, environmental protection, and policy benefits. However, we must solve the problem of secondary pollution out of tar in its application. In this paper, firstly we propose an improved technical solution, which can produce high heat value, low tar content biomass gas by updraft fixed-bed biomass gasifier with gas outlet in the middle position, and the tar composition burned directly in boiler furnace with biomass gas. Based on the technical solution, we take 2 T/h steam boiler for example to design and calculate the main structure parameters of the gasifier. Next, we provide an intelligent adaptive control on air supply of gasifier according to steam pressure. Finally, the feasibility and efficiency of biomass gas as a new boiler fuel was proved through the test data in practical application cases.

biomass gas； biomass boiler； fuel of boiler； improved updraft fixed-bed biomass gasifier

TK6；TP273+.2

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.003

2095-560X（2015）03-0177-07

杜海江（1964-），男，高級工程師，從事電子產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)及工業(yè)自動化工程應(yīng)用工作。

2015-02-06

2015-03-16

廣東省戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)公關(guān)項目（2012A032300003）；廣東省重大科技專項（2012A080103002）；廣東省重大科技專項（2013B091300001）

? 通信作者：杜海江，E-mail：duhj88@163.com