生物質(zhì)氣化技術(shù)鍋爐供熱的工業(yè)化應(yīng)用特性*

詹 昊，蘇德仁?，潘賢齊，張家平，李新愛(ài)，湯廣穩(wěn)，周 意

（1. 廣東正鵬生物質(zhì)能源科技有限公司，廣州 511340；2. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

生物質(zhì)氣化技術(shù)鍋爐供熱的工業(yè)化應(yīng)用特性*

詹 昊1，蘇德仁1?，潘賢齊2，張家平1，李新愛(ài)1，湯廣穩(wěn)1，周 意2

（1. 廣東正鵬生物質(zhì)能源科技有限公司，廣州 511340；2. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

以某工業(yè)化應(yīng)用示范項(xiàng)目為對(duì)象，研究并討論了生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱的系統(tǒng)運(yùn)行特性及能耗情況，分析了示范項(xiàng)目的環(huán)境影響及經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明：相比其他生物質(zhì)原料，紅木應(yīng)用于示范項(xiàng)目表現(xiàn)出最佳運(yùn)行特性；基于紅木的系統(tǒng)能耗分析得出排煙損失、循環(huán)冷卻水熱損及爐體散熱約占總能量的16%，為項(xiàng)目可節(jié)能的方向；示范項(xiàng)目低污染物排放和CO2零排放的環(huán)境友好性，低投資回收期和高投資收益的經(jīng)濟(jì)性，表明項(xiàng)目運(yùn)行具有很好的前景。同時(shí)，指出了蒸汽銷(xiāo)售價(jià)格是保證類(lèi)似規(guī)模項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。

示范項(xiàng)目；生物質(zhì)氣化；能耗；紅木；環(huán)境影響；經(jīng)濟(jì)性

0 前 言

工業(yè)鍋爐是重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，需求量大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2011年，我國(guó)有工業(yè)鍋爐61.06萬(wàn)臺(tái)，總?cè)萘?51.29萬(wàn)MW，占在用鍋爐總量的98.44%。其中，燃煤鍋爐約占85%，燃油（氣）鍋爐約占15%[1]。隨著我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，2015年工業(yè)鍋爐總臺(tái)數(shù)和總?cè)萘繉⒃鲋?7萬(wàn)臺(tái)和400萬(wàn) MW，到2020年將增至72萬(wàn)臺(tái)和450萬(wàn)MW。工業(yè)鍋爐為高耗能和高污染特種設(shè)備，年耗能源占我國(guó)能源消耗總量的1/4，僅次于電站鍋爐[2]。目前，我國(guó)燃油（氣）鍋爐實(shí)際熱效率平均為80%～85%（設(shè)計(jì)效率一般為85%～90%），燃煤鍋爐實(shí)際熱效率平均為60%～65%（設(shè)計(jì)效率一般為72%～80%），每年額外消耗燃料達(dá)千萬(wàn)噸[3,4]。同時(shí)，工業(yè)鍋爐排放大量煙塵、SO2及NOx等污染物，污染物每年排放約為：煙塵800萬(wàn)t、SO2900萬(wàn)t、CO212.5億t[5]。針對(duì)工業(yè)鍋爐高能耗高污染現(xiàn)狀，國(guó)家出臺(tái)嚴(yán)格的工業(yè)鍋爐污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[6]，使區(qū)域內(nèi)燃煤燃油鍋爐企業(yè)被迫面臨3種選擇：①改用傳統(tǒng)清潔燃料（天然氣、石油液化氣、煤氣等）；②整體搬遷至環(huán)保相對(duì)寬松地區(qū)（內(nèi)陸、郊區(qū)等）；③小型鍋爐企業(yè)被迫停產(chǎn)。從企業(yè)經(jīng)濟(jì)性或社會(huì)環(huán)保性出發(fā)，這3種選擇皆非優(yōu)選。此外，生物質(zhì)直燃在鍋爐實(shí)際應(yīng)用中，因排放需按燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)，加之原料不易監(jiān)管，推廣過(guò)程受到相關(guān)環(huán)保政策限制[7]。鑒于工業(yè)鍋爐節(jié)能減排的迫切需求，本文介紹并探討一種新型生物質(zhì)氣化工業(yè)鍋爐供熱技術(shù)。

生物質(zhì)氣化工業(yè)鍋爐供熱技術(shù)是通過(guò)能量利用方式的轉(zhuǎn)變，將固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)可燃?xì)猓扇細(xì)馔ㄟ^(guò)凈化、輸送、燃燒供熱于鍋爐的技術(shù)。目前，國(guó)外生物質(zhì)氣化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要以供熱、發(fā)電和合成液體燃料為主，部分技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營(yíng)[8,9]；國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要以氣化發(fā)電和農(nóng)村氣化供氣為主，氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱應(yīng)用剛剛起步，實(shí)際運(yùn)行項(xiàng)目較少[10,11]。本文以某生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱工業(yè)化應(yīng)用示范項(xiàng)目為對(duì)象，結(jié)合生物質(zhì)氣化技術(shù)與工業(yè)鍋爐供熱技術(shù)的特點(diǎn)，研究了該項(xiàng)目的運(yùn)行特性及能耗情況，通過(guò)分析項(xiàng)目系統(tǒng)環(huán)境影響及經(jīng)濟(jì)性，提出了生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱應(yīng)用發(fā)展的相關(guān)建議。

1 應(yīng)用技術(shù)基本特征

1.1 技術(shù)原理及工藝系統(tǒng)

應(yīng)用技術(shù)原理是在一定熱力學(xué)條件下，借助于氣化介質(zhì)（空氣、氧氣或水蒸氣等）作用，生物質(zhì)碳水化合物在氣化裝置（氣化爐）中發(fā)生熱解、氧化、還原、重整反應(yīng)，熱解伴生的焦油進(jìn)一步熱裂化或催化裂化成小分子碳?xì)浠衔铮a(chǎn)生含CO、H2及CH4等組分的生物質(zhì)可燃?xì)??？扇細(xì)饨?jīng)高溫凈化、輸送至鍋爐燃燒器燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能供應(yīng)鍋爐生產(chǎn)，以滿(mǎn)足其工藝要求。

工藝系統(tǒng)如圖1所示，包括生物質(zhì)自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)、生物質(zhì)氣化系統(tǒng)、生物質(zhì)燃?xì)鈨艋斔拖到y(tǒng)、生物質(zhì)燃?xì)忮仩t燃燒系統(tǒng)、主輔設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。①生物質(zhì)原料由生物質(zhì)自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)（皮帶輸送機(jī)、斗式提升機(jī)、進(jìn)料螺旋）輸送，電子皮帶秤計(jì)量進(jìn)料量，氣化介質(zhì)（空氣）由羅茨風(fēng)機(jī)輸送，渦街流量計(jì)監(jiān)控進(jìn)風(fēng)量，根據(jù)配風(fēng)及溫度控制，原料與空氣在氣化爐內(nèi)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫生物質(zhì)燃?xì)?，反?yīng)后產(chǎn)生的炭渣由爐底排出，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對(duì)氣化爐體進(jìn)行保護(hù)。氣化系統(tǒng)配置有多個(gè)測(cè)溫測(cè)壓元件，監(jiān)控各區(qū)域溫度和壓力。②在高溫引風(fēng)機(jī)作用下，燃?xì)饨?jīng)旋風(fēng)除塵器除塵后，由燃?xì)夤艿垒斔椭铃仩t生物質(zhì)燃?xì)馊紵鳎艿啦捎枚鄬颖?，減少燃?xì)怙@熱損失。③在煙氣氧含量監(jiān)控和合理配風(fēng)調(diào)節(jié)下，生物質(zhì)燃?xì)馔ㄟ^(guò)燃燒器燃燒，加熱軟水，生產(chǎn)蒸汽。煙氣通過(guò)省煤器預(yù)熱軟水后，經(jīng)布袋除塵器除塵，由引風(fēng)機(jī)排至煙囪，鍋爐燃燒系統(tǒng)儀器儀表按相關(guān)規(guī)定[12]配置，確保生產(chǎn)運(yùn)行安全。④系統(tǒng)通過(guò)參數(shù)采集、反饋及調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行半自動(dòng)控制，所有運(yùn)行參數(shù)均可實(shí)時(shí)在線(xiàn)采集。

圖1 生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱工藝系統(tǒng)圖Fig. 1 Flow sheet of biomass gasification technology applied in industrial boiler heat-supply

1.2 主要設(shè)備特征

生物質(zhì)氣化爐是燃?xì)馍a(chǎn)的核心設(shè)備。本文采用混流式固定床氣化爐[13]，區(qū)別于傳統(tǒng)上吸式、下吸式氣化爐，該氣化爐通過(guò)多級(jí)配風(fēng)、分層反應(yīng)，可有效提升原料處理能力、提高氣化效率、拓寬原料適應(yīng)性。氣化爐通過(guò)爐頂溫度控制進(jìn)料，爐底溫度控制排渣，進(jìn)料及排渣均采用間歇方式，氣化爐示意圖見(jiàn)圖2。

爐底測(cè)溫點(diǎn)距爐排約300 mm，爐中測(cè)溫點(diǎn)距爐排約2 600 mm，爐頂測(cè)溫點(diǎn)距爐頂約200 mm，氣化爐技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 混流式固定床氣化爐示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the fixed-bed gasifier

表1 混流式固定床氣化爐技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the fixed-bed gasifier

2 示范項(xiàng)目運(yùn)行特性

2.1 示范項(xiàng)目基本情況

本研究的示范項(xiàng)目使用1臺(tái)生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)生物質(zhì)燃?xì)?，供熱?臺(tái)鍋爐。氣化爐額定輸出熱容量為7 MW，鍋爐一用一備，型號(hào)為WNS8-1.25-YQ。項(xiàng)目于2012年投產(chǎn)，目前持續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行中。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行特性

通過(guò)考察示范項(xiàng)目24 h連續(xù)運(yùn)行的“氣化爐?凈化及管道?鍋爐”耦合系統(tǒng)，以桉木、紅木、橡膠木及棕櫚殼為原料，研究了系統(tǒng)的生物質(zhì)氣化特性（碳轉(zhuǎn)化效率和熱氣化效率）及單耗規(guī)律。碳轉(zhuǎn)化效率ηC指生物質(zhì)原料中的碳轉(zhuǎn)化為燃?xì)庵刑嫉谋壤?。熱氣化效率ηhot指生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化的燃?xì)馑鶖y帶熱量與原料熱值之比。單耗m指每生產(chǎn)1 t蒸汽所消耗的生物質(zhì)原料量。

碳轉(zhuǎn)換效率ηC計(jì)算式為：

式中：Gv為氣體產(chǎn)率，指單位原料（收到基）氣化后產(chǎn)生燃?xì)猓?biāo)態(tài)）的體積，Nm3/kg；Cf為原料（收到基）中含碳量，%；2COV、COV、4CHV、nmCHV為燃?xì)猓?biāo)態(tài)）中含碳元素各組分體積分?jǐn)?shù)，%。

熱氣化效率ηhot計(jì)算式：

式中：Gv為氣體產(chǎn)率，Nm3/kg；Qv.f為單位原料收到基低位熱值，MJ/kg；Qv.hot為單位熱燃?xì)馑鶖y帶熱量，MJ/Nm3。

單位熱燃?xì)鈹y帶熱量Qv.hot計(jì)算式：

式中：Qv.LHV為燃?xì)饪蓽y(cè)組分熱值，MJ/Nm3，Qv.Tar為燃?xì)獠豢蓽y(cè)組分熱值，MJ/Nm3，值取0.075×Qv.LHV[14]；Qv.SH為熱燃?xì)怙@熱，MJ/Nm3。

可測(cè)組分熱值Qv.LHV計(jì)算式為：

生物質(zhì)原料外觀及尺寸如圖3所示。

圖3 生物質(zhì)原料外觀圖Fig. 3 Appearance of biomass

本文工業(yè)分析采用煤的工業(yè)分析方法[15]，使用KH-45A電熱恒溫干燥箱（康恒儀器有限公司）、SX2-4-10NP箱式電阻爐（上海一恒科技有限公司）及5E-AC/PL自動(dòng)量熱儀（長(zhǎng)沙開(kāi)元儀器股份有限公司）進(jìn)行測(cè)定；元素分析采用vario EL cube元素分析儀（德國(guó) elementar儀器公司）進(jìn)行測(cè)定。采用文獻(xiàn)[16]的方法去除濕燃?xì)庵薪褂图邦w粒，利用無(wú)水CaCl2吸收并測(cè)定濕燃?xì)夂?，得到的干燃?xì)獠捎肁gilent氣相色譜HP7890A檢測(cè)。表2給出了氣化過(guò)程各生物質(zhì)原料及所產(chǎn)燃?xì)庑再|(zhì)。

本文討論了不同進(jìn)風(fēng)量調(diào)節(jié)下，4種生物質(zhì)原料氣化特性規(guī)律，同時(shí)考察了氣化爐內(nèi)的溫度變化特性。4種原料氣化的原料消耗量、熱氣化效率、碳轉(zhuǎn)化效率隨進(jìn)風(fēng)量的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

表2 生物質(zhì)原料及燃?xì)庑再|(zhì)Table 2 Characteristics of biomass and biomass gas fuel

圖4 不同生物質(zhì)原料氣化的原料消耗量（a），熱氣化效率（b）及碳轉(zhuǎn)化效率（c）隨進(jìn)風(fēng)量變化Fig. 4 The change on the Biomass consumption ( a), hot gasification efficiency (b) and carbon conversion efficiency (c) vs. flow rate of air input, respectively

如圖4a所示，4種原料氣化的原料消耗量均隨進(jìn)風(fēng)量的增加而增大，原料種類(lèi)影響差別不大，這是因?yàn)闅饣癄t穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)當(dāng)量比及氣體產(chǎn)率穩(wěn)定在一定范圍。如圖4b所示，隨進(jìn)風(fēng)量增大，紅木、桉木及橡膠木氣化的熱氣化效率先升高后降低，而棕櫚殼氣化的熱氣化效率持續(xù)上升。一方面，在進(jìn)風(fēng)量超過(guò)1 400 Nm3/h時(shí)，繼續(xù)增加進(jìn)風(fēng)量，前三種生物質(zhì)因參與燃燒份額增加，氣化效率降低；另一方面，棕櫚殼揮發(fā)分低、固定碳高，需要在較高溫度下達(dá)到高氣化效率。相比之下，紅木氣化效率最高，桉木與橡膠木次之，棕櫚殼最低。由圖4c可見(jiàn)，碳轉(zhuǎn)化效率隨進(jìn)風(fēng)量增加而提高。這是由于增加進(jìn)風(fēng)量會(huì)提高氣化爐反應(yīng)溫度，促進(jìn)原料中固定碳轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物。此外，紅木氣化的碳轉(zhuǎn)化效率最高，桉木與橡膠木接近，棕櫚殼最低。一方面，棕櫚殼固定碳高，相比揮發(fā)分，固定碳轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物速率較慢，反應(yīng)溫度要求更高；另一方面，棕櫚殼尺寸較小，易從爐排間隙排出，在氣化停留時(shí)間較短，碳轉(zhuǎn)化效率較低。綜上所述，紅木在氣化效率及碳轉(zhuǎn)化效率方面均表現(xiàn)出較好的氣化特性，桉木及橡膠木效果次之，棕櫚殼氣化特性較差。

圖5為在進(jìn)風(fēng)量為1 300～1 500 Nm3/h、連續(xù)運(yùn)行48 h情況下，4種生物質(zhì)原料氣化過(guò)程爐內(nèi)的溫度（爐頂、爐中、爐底）分布情況。

圖5 不同原料氣化過(guò)程爐內(nèi)溫度變化分布圖Fig. 5 Temperature distribution of the reactor in different biomass gasification processes

如圖5所示，不同原料氣化時(shí)，氣化爐爐頂溫度（干燥熱解區(qū)）穩(wěn)定在130℃～150℃，爐中溫度（還原區(qū)）穩(wěn)定在550℃～650℃，爐底溫度（氧化區(qū)）穩(wěn)定在800℃～950℃，氣化過(guò)程可穩(wěn)定進(jìn)行。棕櫚殼氣化過(guò)程爐內(nèi)溫度梯度較大，爐底溫度最高，為1 000℃以上，偏燒現(xiàn)象明顯。溫度分布特性主要由真密度、顆粒尺寸等原料特性決定，其中原料真密度：橡膠木＜桉木＜紅木＜棕櫚殼，原料顆粒尺寸：紅木≈橡膠木＞桉木＞棕櫚殼。棕櫚殼密度大，顆粒尺寸小，形成料層孔隙率小，阻力大，傳熱速率慢，反應(yīng)速率慢，導(dǎo)致?tīng)t底溫度偏高，爐中溫度偏低，穩(wěn)定性較差。紅木、桉木、橡膠木密度小，顆粒尺寸大，形成料層孔隙率大，阻力小，傳熱效果好，有利于爐內(nèi)溫度均布和調(diào)節(jié)，其中，紅木氣化過(guò)程穩(wěn)定性最高。

在相近氣化條件下，以連續(xù)運(yùn)行20天為周期，統(tǒng)計(jì)日原料消耗量及日蒸汽產(chǎn)量，得4種原料系統(tǒng)單耗變化圖，見(jiàn)圖6。

圖6 不同生物質(zhì)原料氣化過(guò)程系統(tǒng)單耗變化圖Fig. 6 The change on biomass consumption per ton steam production under different biomass gasification

如圖6所示，不同原料單耗隨運(yùn)行天數(shù)變化趨勢(shì)相同。系統(tǒng)運(yùn)行初期，因其本身達(dá)到穩(wěn)定需一段時(shí)間，單耗偏高；隨著系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，單耗下降且趨于穩(wěn)定；運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，因管道及設(shè)備積灰、爐內(nèi)反應(yīng)不均等原因，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，單耗均有所升高。從長(zhǎng)期運(yùn)行來(lái)看，紅木、桉木、橡膠木、棕櫚殼氣化單耗分別約為230 kg/tsteam、242 kg/tsteam、250 kg/tsteam、253 kg/tsteam。相比收到基熱值相近的桉木和橡膠木，紅木氣化單耗最低，該結(jié)果與較優(yōu)的氣化特性相一致。此外，棕櫚殼因氣化特性較差，單耗最高，但由于其收到基熱值較高，單耗基本接近橡膠木。

2.3 系統(tǒng)能耗分析

示范項(xiàng)目系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程：生物質(zhì)原料經(jīng)氣化爐轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)熱燃?xì)?，熱燃?xì)饨?jīng)除塵凈化，管道輸送至鍋爐燃燒，產(chǎn)生蒸汽。本文基于紅木原料，以氣化爐、凈化及輸送管道、鍋爐為單元，分析示范項(xiàng)目實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)能耗情況，圖7為系統(tǒng)能量流向圖。

圖7 系統(tǒng)能量流向圖Fig. 7 Details on system energy balance

各部分能量相關(guān)計(jì)算方法如下。

（1）氣化介質(zhì)及助燃空氣均為常溫空氣，Q2、Q10忽略不計(jì)。

（2）固（液）體物流顯熱計(jì)算式：

式中，mx、fx(T)分別為某固（液）體物流x質(zhì)量和顯熱函數(shù)。

（3）氣體物流顯熱計(jì)算式：

Vx、gx(T) 分別為某氣體物流x體積和顯熱函數(shù)。

（4）相關(guān)溫度數(shù)據(jù)：氣化爐出口燃?xì)鉁囟燃s550℃，炭渣溫度約850℃，鍋爐進(jìn)口燃?xì)鉁囟燃s450℃，旋風(fēng)除塵器出口粉塵溫度約190℃，鍋爐進(jìn)水溫度約50℃，排煙溫度約200℃。

（5）Q5為氣化爐爐體散熱量[17]。

式中，Ai為外壁散熱面積，Tow為外壁溫度，Tair為空氣溫度，ε為表面輻射率，取0.9，κ為爐壁方位修正系數(shù)，水平面朝下取1.1，水平面朝上取2.1，垂直面取1.5。

（6）Q8為凈化及輸送管道進(jìn)出口物料（燃?xì)?、粉塵）顯熱差。

（7）Q13為鍋爐系統(tǒng)散熱及不完全燃燒損失。

表3為系統(tǒng)各部分能量計(jì)算結(jié)果。

表3 系統(tǒng)各部分能量情況Table 3 Details on system energy distribution

從生物質(zhì)原料到蒸汽，系統(tǒng)熱損主要包括：①循環(huán)冷卻水、炭渣及粉塵帶走熱量；②管道及設(shè)備散熱損失；③煙氣帶走熱量。決定這些熱損的因素為熱氣化效率、管道及設(shè)備保溫效率、鍋爐效率。由表3可知，氣化爐輸出總熱量為367.75 GJ/d，與輸入總熱量偏差為0.7%，屬計(jì)量誤差。循環(huán)冷卻水熱損、爐底炭渣熱損、爐體散熱分別占4.8%、4.2%、2.8%，凈化及輸送管道段熱損占2.4%，鍋爐前熱氣化效率為84.2%；以鍋爐為對(duì)象，排煙損失占10.7%，散熱及不完全燃燒損失占4.5%，鍋爐效率偏低，為84.8%。原因在于省煤器換熱效率較低，排煙溫度較高，帶走了大部分熱量。由系統(tǒng)能量流向情況可知，提高系統(tǒng)整體效率的主要措施包括：①改善省煤器換熱效率，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率；②改變氣化爐循環(huán)冷卻水控溫方式，有效利用此部分熱量；③對(duì)爐體及設(shè)備進(jìn)行保溫，降低散熱損失。

3 示范項(xiàng)目環(huán)境影響分析

3.1 污染物分析

本示范項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)行所涉及污染物包括揚(yáng)塵、噪聲、炭渣及粉塵、鍋爐煙氣污染物（SO2、NOx、煙塵）。煙氣污染物采用嶗應(yīng)3012H型自動(dòng)煙塵（氣）測(cè)試儀進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)。

生物質(zhì)原料機(jī)械強(qiáng)度不高，項(xiàng)目所使用原料含水量低（Mar≤18%）、顆粒尺寸?。≒25～100mm≥90%），在運(yùn)輸、裝卸或上料過(guò)程中，由于撞擊摩擦，會(huì)產(chǎn)生一定量揚(yáng)塵。示范項(xiàng)目采用噸袋儲(chǔ)運(yùn)及裝卸原料，使原料運(yùn)輸、存儲(chǔ)、裝卸過(guò)程密封；同時(shí)上料過(guò)程全封閉，上料時(shí)揚(yáng)塵通過(guò)風(fēng)機(jī)抽至布袋除塵器，收集揚(yáng)塵量實(shí)測(cè)為25～35 kg/mon。

示范項(xiàng)目的噪聲主要由風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備工作產(chǎn)生，運(yùn)行時(shí)噪聲級(jí)約在60～70 dB(A)。噪聲源最強(qiáng)為70 dB(A)，采用消聲、基礎(chǔ)減震、墻體隔聲措施后，根據(jù)點(diǎn)源距離衰減公式[18]估算，噪聲等級(jí)符合工業(yè)企業(yè)廠(chǎng)界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)[19]。

氣化爐反應(yīng)產(chǎn)生一定量副產(chǎn)物炭渣，約0.65～0.75 t/d，熱燃?xì)鈨艋^(guò)程產(chǎn)生一定量粉塵，約100～120 kg/d，無(wú)組織堆放會(huì)污染環(huán)境。采用水封降溫裝袋、集中運(yùn)送方式處理炭渣及粉塵，用于制取活性炭或炭基復(fù)合肥。

對(duì)于鍋爐煙氣SO2，各段工藝過(guò)程無(wú)硫元素引入，硫化物中硫來(lái)源于生物質(zhì)原料。本文計(jì)算并測(cè)定了系統(tǒng)的硫遷移過(guò)程，見(jiàn)表4。

表4 系統(tǒng)硫遷移情況（以天為基準(zhǔn)）Table 4 The sulfur transfer of the system

由表4硫遷移過(guò)程計(jì)算可知，煙氣中SO2含量為34 mg/Nm3，SO2實(shí)測(cè)值為26～38 mg/Nm3。

對(duì)于鍋爐煙氣NOx，生物質(zhì)含氮約為0.08%～2.5%，木本原料含氮量均在1%以下，氣化過(guò)程氮轉(zhuǎn)化為N2、NH3、HCN和NOx[20]。大型氣化器中，NH3為主要含氮產(chǎn)物，原料中60%氮轉(zhuǎn)化成燃?xì)庵械腘H3[21]。文獻(xiàn)[22]指出，氣化過(guò)程溫度低于1 200℃時(shí)，無(wú)熱力型NOx，快速型NOx占總NOx量5%以下，70%～90%為燃料型NOx。項(xiàng)目所用原料含氮量均低于0.5%，有效控制燃料型NOx的生成；通過(guò)煙氣氧量實(shí)時(shí)監(jiān)控及合理配風(fēng)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，使?fàn)t膛內(nèi)均勻燃燒，有效控制熱力型NOx的生成。煙氣NOx實(shí)測(cè)值為134～150 mg/Nm3，其中，CO檢測(cè)值為80～90 ppm。

對(duì)于鍋爐煙氣煙塵，前端燃?xì)鈨艋扇コ蟛糠址蹓m，凈化后燃?xì)夂瑝m量約500～600 mg/Nm3，該部分粉塵為細(xì)小炭粒，在鍋爐中能進(jìn)一步燃燒。此外，通過(guò)后端布袋除塵器除塵，可控制煙塵含量。煙氣煙塵實(shí)測(cè)值為15～25 mg/Nm3。

鍋爐煙氣污染物排放達(dá)到鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[6]，對(duì)環(huán)境影響較小。

3.2 碳足跡分析

表5 碳足跡分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 5 Data for carbon print analysis of system

本文基于碳足跡分析方法[23]，分析了示范項(xiàng)目系統(tǒng)供熱過(guò)程全生命周期的間接或直接碳排放。以紅木為例，原料來(lái)源于家具邊角料或林業(yè)三剩物。供熱過(guò)程碳足跡包括：①生物質(zhì)木材生長(zhǎng)過(guò)程；②生物質(zhì)木材收集加工過(guò)程；③原料（家具邊角料、林業(yè)三剩物）運(yùn)輸過(guò)程；④原料氣化、燃?xì)鈨艋?、燃燒供熱過(guò)程。

以示范項(xiàng)目產(chǎn)能規(guī)模50 000噸/年為基準(zhǔn)，碳足跡分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值分配[24]，所用原料為生物質(zhì)木材收集加工過(guò)程的廢棄物或剩余物，該過(guò)程碳排放不計(jì)入供熱過(guò)程碳排放。碳足跡分析見(jiàn)表6。由表可知，供熱過(guò)程全生命周期碳排放量為1.41 g CO2eq/(kW·h)。從全生命周期來(lái)看，由于氣化過(guò)程炭渣綜合利用帶走一部分碳，使末端鍋爐煙氣直接碳排放小于始端生物質(zhì)原料的碳吸收，但由于原料及副產(chǎn)物運(yùn)輸、生產(chǎn)運(yùn)行動(dòng)力消耗等碳足跡活動(dòng)，增加了間接碳排放。從數(shù)值上看，該供熱過(guò)程可實(shí)現(xiàn)CO2近零排放。

表6 碳足跡分析Table 6 Carbon print analysis of system

4 示范項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

本文以示范項(xiàng)目蒸汽銷(xiāo)售價(jià)格320元/蒸噸，原料單價(jià)950元/噸，產(chǎn)能規(guī)模50 000噸/年，綜合熱效率71.4%為基準(zhǔn)，分析了項(xiàng)目供熱的經(jīng)濟(jì)性。各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)見(jiàn)表7。

由表7可知，在示范項(xiàng)目運(yùn)行綜合成本中，原料費(fèi)用所占比例最高，達(dá)80%以上。在該產(chǎn)能及投資規(guī)模下，項(xiàng)目年凈利潤(rùn)達(dá)170萬(wàn)余元，含項(xiàng)目建設(shè)期的投資回收期（稅后）為2.9年，10年總投資收益1 200萬(wàn)余元，對(duì)于此規(guī)模的示范項(xiàng)目，經(jīng)濟(jì)效益比較可觀，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定盈利。

表7 示范項(xiàng)目投資概算Table 7 Capital investments for demonstration

4.2 敏感性分析

本文以原料價(jià)格、蒸汽銷(xiāo)售價(jià)格、產(chǎn)能規(guī)模、綜合熱效率為考察因素，對(duì)示范項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了敏感性分析。以經(jīng)濟(jì)性分析數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，各因素對(duì)示范項(xiàng)目投資回收期及10年投資收益的影響見(jiàn)圖8。

圖8 項(xiàng)目投資回收期（a）和10年投資收益（b）隨各因素波動(dòng)幅度變化Fig. 8 Investment recovery period (a) and investment income of 10 years (b) vs. volatility of factors, respectively

由圖8可知，隨著蒸汽銷(xiāo)售價(jià)格上漲、綜合熱效率提高、原料價(jià)格下跌、產(chǎn)能規(guī)模增大，項(xiàng)目投資回收期縮短，10年投資收益增加。其中，對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益影響最大的為蒸汽銷(xiāo)售價(jià)格，綜合熱效率及原料價(jià)格影響次之，產(chǎn)能規(guī)模影響最小。此外，從圖中還可看出，蒸汽銷(xiāo)售價(jià)格及綜合熱效率對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響在基準(zhǔn)負(fù)波動(dòng)幅度范圍內(nèi)更為顯著，尤其是蒸汽銷(xiāo)售價(jià)格的影響。當(dāng)其波動(dòng)幅度至?10%時(shí)，投資回收期上升至8年以上，10年投資收益僅為85萬(wàn)元，示范項(xiàng)目微盈利，以上結(jié)論均與本示范項(xiàng)目供熱規(guī)模有關(guān)。因此，對(duì)于類(lèi)似規(guī)模的供熱項(xiàng)目（100 000蒸噸/年以下），項(xiàng)目合作應(yīng)嚴(yán)格控制蒸汽銷(xiāo)售價(jià)格，確保項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。而提高本項(xiàng)目盈利能力的措施主要在于兩點(diǎn)：①穩(wěn)定原料供應(yīng)渠道及市場(chǎng)，控制或降低原料價(jià)格；②優(yōu)化項(xiàng)目工藝，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低能量損失，提高綜合熱效率。

5 結(jié) 論

本文研究了某工業(yè)化應(yīng)用生物質(zhì)氣化工業(yè)鍋爐供熱示范項(xiàng)目的運(yùn)行特性、能耗情況、環(huán)境影響及經(jīng)濟(jì)性，得到如下結(jié)論：

（1）不同生物質(zhì)原料應(yīng)用于該示范項(xiàng)目供熱，紅木在碳轉(zhuǎn)化效率、熱氣化效率、氣化穩(wěn)定性及單耗方面均表現(xiàn)出最佳運(yùn)行特性；

（2）基于紅木的系統(tǒng)能耗分析得出排煙損失、循環(huán)冷卻水熱損及爐體散熱占總能量約16%，為項(xiàng)目可節(jié)能的方向；

（3）該示范項(xiàng)目各污染物理論或?qū)崪y(cè)結(jié)果均低于相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)環(huán)境影響很小，碳足跡分析全生命周期碳排放為1.41 g CO2eq/(kW·h)，供熱過(guò)程可實(shí)現(xiàn)CO2近零排放；

（4）示范項(xiàng)目年凈利潤(rùn)達(dá)170萬(wàn)余元，投資回收期約2.9年，10年總投資收益1 200萬(wàn)余元，經(jīng)濟(jì)性可觀；原料價(jià)格和系統(tǒng)綜合效率是確保該示范項(xiàng)目盈利的主要因素，此外，蒸汽銷(xiāo)售價(jià)格是保證類(lèi)似規(guī)模項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。

[1] 環(huán)境保護(hù)部辦公廳. 關(guān)于征求國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見(jiàn)稿）意見(jiàn)的函[EB/OL]. 2013-08-02. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/ bgth/201308/t20130805_256939.htm.

[2] 李茂東, 黎華, 鐘志強(qiáng). 工業(yè)鍋爐能耗現(xiàn)狀分析與節(jié)能措施[J]. 石油和化工設(shè)備, 2009(7): 67-69.

[3] 趙欽新, 王善武. 我國(guó)工業(yè)鍋爐未來(lái)發(fā)展分析[J]. 工業(yè)鍋爐, 2007, 15(1): 19-20.

[4] 趙軍明. 廣州市工業(yè)鍋爐能耗分析與節(jié)能技術(shù)研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2010.

[5] 何心良. 我國(guó)工業(yè)鍋爐使用現(xiàn)狀與節(jié)能減排對(duì)策探討[J]. 工業(yè)鍋爐, 2010, 25(3): 1-8.

[6] GB 13271-2014, 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] 環(huán)境保護(hù)部辦公廳. 關(guān)于生物質(zhì)成型燃料有關(guān)問(wèn)題的復(fù)函[EB/OL]. 2013-08-07. http://www.zhb.gov.cn/info/ bgw/bbgth/200908/t20090812_157379.htm.

[8] E4Tech. Review of Technologies for Gasification of Biomass and Wastes Final report[C]. NNFCC project 09/008, 2009.

[9] Stahl K, Neergaard M． IGCC power plant for biomass utilization, Varnamo, Sweden[J]. Biomass and Bioenergy, 1998, 15(3): 205-211．

[10] 吳創(chuàng)之, 劉華財(cái), 陰秀麗. 生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展分析[J] 燃料化學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 41(7): 798-804.

[11] 董玉平, 鄧波, 景元琢, 等. 中國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀[J] 山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2007, 37(2): 1-7, 29.

[12] TSGG0002-2010, 鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程[S].

[13] 吳創(chuàng)之, 潘賢齊, 周肇秋, 等. 一種生物質(zhì)混流式氣化裝置: 中國(guó), ZL201120164215.9[P]. 2012-01-18.

[14] Collard F X, Blin J. A review on pyrolysis of biomass constituents:Mechanisms and composition of the products obtained from the conversion of cellulose, hemicelluloses and lignin[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 38: 594-608.

[15] GB/T 212-2008, 煤的工業(yè)分析方法[S].

[16] Abatzoglou N, Barker N, Hasler P, et al. The development of a draft protocol for the sampling and analysis of particulate and organic contaminants in the gas from small biomass gasifier[J]. Biomass and bioenergy, 2000(18): 5-17.

[17] HG/T 20525-2006, 化學(xué)工業(yè)管式爐傳熱計(jì)算設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

[18] HJ 2.4-2009, 環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境[S].

[19] GB12348-2008, 工業(yè)企業(yè)廠(chǎng)界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)[S]. [20] 王中華. 熱解、氣化過(guò)程中燃料-N的形態(tài)轉(zhuǎn)化及遷移規(guī)律研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2011.

[21] van der Drift A, van Doorn J, Vermeulen J W. Ten residual biomass fuels for circulating fluidized-bed gasification[J]. Biomass and Bioenergy. 2001, 20(1): 45-56.

[22] 李剛. 生物質(zhì)氣化過(guò)程氮污染物形成機(jī)理研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2005.

[23] 王微, 林劍藝, 崔勝輝, 等. 碳足跡分析方法研究綜述[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2010, 33(7): 71-78.

[24] 丁紹蘭, 陳鵬. 生命周期評(píng)價(jià)應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題[J].環(huán)境科學(xué)與管理, 2009, 34(3): 61-64.

[25] 劉莉, 董國(guó)亮, 王云龍, 等. 公路運(yùn)輸能源消耗統(tǒng)計(jì)指標(biāo)研究[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保, 2008(3): 16-22.

Industrialized Characterization of Biomass Gasification Technology Applied for the Industrial Boiler Heating-supply

ZHAN Hao1, SU De-ren1, PAN Xian-qi2, ZHANG Jia-ping1, LI Xin-ai1, TANG Guang-wen1, ZHOU Yi2
(1. Guangdong Zhengpeng Biomass Energy Technology Co., Ltd, Guangzhou 511340, China; 2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

Based on an industrialized demonstration, the biomass gasification technology applied in industrial boiler industry was studied in the paper. The operation characteristics and the energy consumption were investigated. Meanwhile, the effects on both the environment and the economy for the demonstration were analyzed. The result showed that Chinese redwood displayed the best capability in terms of the system operation characteristics compared with other biomass feedstock. Moreover, the energy consumption analysis presented that heat loss resulting from the exhaust gas, the recyclable cooling water and the equipment & pipeline accounted approximately for 16% of the total energy, which could be further saved for the system. Finally, the demonstration was proved to be largely environment-friendly and profitable by its low pollutant emission and high investment income. Furthermore, it was found that the sales price of the steam would be the main factor determining the economic benefits for other similar-scale projects.

industrialized demonstration; biomass gasification; energy consumption; Chinese redwood; environmental effect; economic effect

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.04.006

2095-560X（2015）04-0270-10

詹 昊（1986-），男，碩士，工程師，主要從事生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)。

2015-05-04

2015-06-05

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2012BAA09B03）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012A032300019）

? 通信作者：蘇德仁，E-mail：sdr@fenglecn.com

蘇德仁（1981-），男，博士后，高級(jí)工程師，主要從事生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)。