《生物質(zhì)氣化爐熱工性能試驗規(guī)程》的研究

江洪明 李新愛 喻孟全 郭捷昕?楊澤榕?陳英紅

近年來，隨著國家環(huán)保形勢的日益嚴(yán)峻，燃煤排放所產(chǎn)生的氮氧化物、二氧化硫、粉塵等大氣污染物對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，中小型燃煤鍋爐、窯爐的淘汰已經(jīng)成為趨勢。當(dāng)前，珠三角地區(qū)已經(jīng)基本淘汰了10t/h以下的燃煤鍋爐，而生物質(zhì)直燃鍋爐由于粉塵和氮氧化物的排放問題也受到越來越多的限制。生物質(zhì)氣化爐可將秸稈、稻草、木屑、木片、玉米芯、稻殼等多種生物質(zhì)原料氣化產(chǎn)生生物質(zhì)燃?xì)?，燃?xì)庠偻ㄈ脲仩t或者窯爐進行燃燒。通過嚴(yán)格的原料控制和合理的氣化工藝，生物質(zhì)燃?xì)馊紵a(chǎn)物中氮氧化物和二氧化硫含量可以降至極低的水平，可以達(dá)到天然氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

作為一種燃?xì)獍l(fā)生設(shè)備，氣化爐設(shè)備本身具有獨立性，對其進行獨立的能源平衡分析和熱工性能試驗具有其必要性。2006年，農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《秸稈氣化裝置和系統(tǒng)測試方法》（NY/T 1017—2006），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以秸稈為原料（木質(zhì)、稻殼等原料參照執(zhí)行）的氣化裝置和系統(tǒng)的主要性能試驗方法。該標(biāo)準(zhǔn)操作簡單，試驗數(shù)據(jù)量少，可操作性強，可用于快速判斷生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的主要性能參數(shù)。其局限性在于：（1）試驗僅考慮了冷燃?xì)庑?，不夠全面；?）對于試驗工況的限制條件少，操作簡便但結(jié)果重復(fù)性較差、準(zhǔn)確度較低。

2017年，廣東省質(zhì)監(jiān)局下達(dá)了起草廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《生物質(zhì)氣化爐熱工性能試驗規(guī)程》的任務(wù)，目前該標(biāo)準(zhǔn)已報批。標(biāo)準(zhǔn)起草組對此展開了一系列的研究。

1試驗準(zhǔn)備工作

試驗準(zhǔn)備工作包括編制試驗大綱，分解試驗任務(wù)、確定試驗項目、試驗儀表和試驗人員組織等。此外，試驗應(yīng)在系統(tǒng)處于正常、穩(wěn)定運行狀態(tài)下進行，氣化爐進出爐的物料流和能量流應(yīng)與其他氣化爐系統(tǒng)隔絕以便于準(zhǔn)確計量這些物料流和能量流。為全面檢查試驗儀表是否正常工作、試驗人員是否熟悉試驗操作程序及試驗人員之間相互配合程度，并確定合適的運行工況，可進行預(yù)備性試驗。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗類型

該標(biāo)準(zhǔn)中將試驗分為兩種：氣化爐定型產(chǎn)品熱效率試驗和氣化爐運行工況熱效率試驗，兩者對試驗條件的要求有所不同。前者是在氣化爐出廠或者驗收時進行的試驗，反映了氣化爐在設(shè)計工況下的熱工性能，試驗要求嚴(yán)格，需在氣化爐主要熱力參數(shù)在許可波動范圍內(nèi)而且其平均值已不隨時間不斷變化的狀態(tài)下進行試驗。而后者則主要針對在用生物質(zhì)氣化爐進行的試驗，反映的是在用生物質(zhì)氣化爐的運行性能，試驗工況要求較為寬泛。

2.2 試驗時間

熱工況穩(wěn)定所需的時間（自冷態(tài)點火開始）根據(jù)各生物質(zhì)氣化爐氣化工藝、原料成分和各廠家的生產(chǎn)技術(shù)水平等因素所需時間長短不一。從實際情況來看，大部分生物質(zhì)氣化爐從冷態(tài)啟爐到能產(chǎn)出成分較為穩(wěn)定的燃?xì)夤?yīng)燃燒的時間從半個小時到三四個小時不等。該標(biāo)準(zhǔn)選取一般不少于4h，一方面是參考《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程》（GB/T 10180）中的無磚墻燃煤鍋爐的要求；另一方面，生物質(zhì)氣化爐從冷爐啟爐到爐膛溫度穩(wěn)定，再到散熱穩(wěn)定需要一定的時間。綜上，該標(biāo)準(zhǔn)選擇4h作為推薦值，能減少現(xiàn)場靠經(jīng)驗工況穩(wěn)定所產(chǎn)生的不確定性，是能滿足試驗要求的。

2.3 試驗穩(wěn)定性指標(biāo)的選擇

試驗時間綜合參考了GB/T 10180和NY/T 1017，實際操作中因為當(dāng)前生物質(zhì)氣化爐大多為自動化連續(xù)運行，4h的試驗時間已經(jīng)可以反映生物質(zhì)氣化爐的工況。該標(biāo)準(zhǔn)主要選取了產(chǎn)氣溫度和產(chǎn)氣速率2個指標(biāo)來反映氣化的穩(wěn)定性，主要是因為該2個指標(biāo)容易控制、可以實時檢測，且基本能反映實際情 況；而更能直觀反映氣化穩(wěn)定性的氣體成分指標(biāo)，因為現(xiàn)場實時分析氣體難度較大，故未采納。

2.4 試驗次數(shù)和重復(fù)性要求

氣化爐定型產(chǎn)品熱效率試驗是氣化爐出廠、交工驗收時所做的試驗，需要嚴(yán)格要求，準(zhǔn)確反應(yīng)氣化爐的性能，所以該標(biāo)準(zhǔn)要求做兩次試驗，且兩次試驗效率差不超過4%。

對于氣化爐運行工況熱效率試驗是針對生物質(zhì)氣化爐在用工況條件下的試驗，在用工況下生物質(zhì)氣化爐多后接鍋爐、窯爐實時產(chǎn)氣實時燃燒，主要目的是為了判斷氣化爐在實際操作工況下的性能、分析氣化爐的熱損失、改進氣化爐的操作工況。工況受需求端的影響較大，難以保持穩(wěn)定的運行工況，且工況也難以重復(fù)，所以該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氣化爐運行工況熱效率試驗僅進行1次。

3 試驗方法

3.1 燃?xì)獾挠嬃?/p>

在燃?xì)饬髁康挠嬃糠矫妫捎诔鰻t的燃?xì)鉃楦邷厍液薪褂偷入s質(zhì)，直接測量比較困難。目前測量有兩種方式：（1）將燃?xì)饫鋮s、凈化后測量； （2）通過惰性物質(zhì)守恒的方法間接測量。將燃?xì)饫鋮s、凈化后測量無疑結(jié)果更加準(zhǔn)確，但是燃?xì)獾睦鋮s、凈化均需要相關(guān)設(shè)備，對于某些對熱態(tài)粗燃?xì)庵苯永玫脑谟蒙镔|(zhì)氣化爐，就需要額外增加冷卻凈化設(shè)備，操作難度較大。

有人提出，可以采用旁通管引出少量粗燃?xì)膺M行冷卻凈化，精確計量旁通管中的燃?xì)怏w積，再根據(jù)旁通管和主管的管徑比計算產(chǎn)氣量。這種方法操作難度大，不可控因素較多，主要是因為生物質(zhì)粗燃?xì)飧鶕?jù)工藝不同可能含有較多的焦油等物質(zhì)，這些物質(zhì)黏度大、容易黏附在管壁上，這就導(dǎo)致了主管和旁通管的實際管徑和管道內(nèi)表面粗糙度難以精確測算。當(dāng)然，惰性氣體物質(zhì)守恒方法的應(yīng)用應(yīng)考慮氣化爐的漏風(fēng)問題，這就要求測試時應(yīng)嚴(yán)格限制氣化爐的漏風(fēng)，否則誤差就會很大。綜上，在生物質(zhì)氣化爐定型產(chǎn)品熱效率測試中，該標(biāo)準(zhǔn)要求出口燃?xì)饨?jīng)冷卻、凈化后直接測量；而在在用生物質(zhì)氣化爐熱效率測試中，可以有限制地使用惰性物質(zhì)守恒進行間接計量燃?xì)猱a(chǎn)量。

3.2 粗燃?xì)庵兴值挠嬃?/p>

粗燃?xì)庵兴趾康挠嬎阋话愀鶕?jù)氫平衡進行計算。這是因為燃?xì)饫鋮s后，焦油和水分凝出混合在一起，分別測量比較困難。利用燃料中的氫（使用蒸汽作為氣化劑時還要考慮氣化劑中的氫）和燃?xì)?、焦油、水分中的氫平衡可以較為容易計算出燃?xì)庵械乃趾俊?/p>

3.3 粗燃?xì)庵薪褂秃惋w灰的采樣

標(biāo)準(zhǔn)中對焦油和飛灰的檢測規(guī)定參照了歐盟委員會制定的生物質(zhì)氣化中分別測定焦油和灰塵含量的標(biāo)準(zhǔn)[1]。該方法可以準(zhǔn)確地將生物質(zhì)粗燃?xì)庵械慕褂?、灰塵分離并分別計量。當(dāng)然，對于一些要求并不精確的場合，可以采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)來取合適的焦油含量數(shù)據(jù)。

3.4 燃?xì)鉄嶂档挠嬃?/p>

燃?xì)獾臒嶂祷災(zāi)壳爸饕兄苯踊灪烷g接計算兩種方法：直接化驗是利用《城市燃?xì)鉄嶂岛拖鄬γ芏葴y定方法》（GB/T 12206），該方法準(zhǔn)確、直觀，但是檢測需要專用的儀器。間接計算方法主要是用氣相色譜儀測定成分后，再進行計算。氣相色譜儀是一種常規(guī)的檢測儀器，目前各檢測機構(gòu)非常常見；而且生物質(zhì)燃?xì)獾某煞直旧砭褪且粋€重要的性能指標(biāo)，一般均需要測量。已知各成分以及含量后再計算燃?xì)鉄嶂稻头浅：唵?，所以該?biāo)準(zhǔn)推薦采用間接計算法，這樣可以減少工作量，精度也可以接受。關(guān)于具體檢測哪些燃?xì)獬煞值膯栴}，《秸稈氣化裝置和系統(tǒng)測試方法》（NY/T 1017）僅CO、CH4、O2和H2這4種氣體。一般來說，僅化驗這4種氣體是可以反映燃?xì)獾臒嶂档?，一般誤差不超過4%；重要的是，僅化驗這4種氣體可以僅采用2種色譜柱即可，降低了化驗設(shè)備的成本。該標(biāo)準(zhǔn)在以上4種氣體的基礎(chǔ)上，還化驗N2、CO2、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6，這是因為N2是作為氮平衡計算燃?xì)饬髁康闹匾笜?biāo)，CO2的含量對于碳轉(zhuǎn)化率的測算也必不可少。C2H6、C2H4、C3H8、C3H6雖然含量較少，但是其熱值較高，增加了這幾種成分的化驗可以有效提高燃?xì)鉄嶂涤嬎愕臏?zhǔn)確度，且只需要多增加一根色譜柱即可完成化驗，對化驗成本的增加較少。至于C4以及以上的烴類，無論從文獻(xiàn)報道還是實際操作來看，含量已經(jīng)非常微量幾乎不可檢測；由于生物質(zhì)原料N、S含量非常低，小分子的NH3和H2S等可燃物也未檢出。

3.5 燃料、殘?zhí)康挠嬃亢筒蓸?/p>

燃料采樣制樣、計量主要參照目前應(yīng)用較為成熟的GB/T 10180、《生物質(zhì)固體成型燃料采樣方法》（NY/T 1879）、《生物質(zhì)固體成型燃料樣品制備方法》（NY/T 1880）和《固體生物質(zhì)燃料樣品制備方法》（GB/T 28730）中的方法，燃料、焦油和燃?xì)獾陌l(fā)熱量分析方法分別采用目前廣泛應(yīng)用的《固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測定方法》（GB/T 30727）、《火力發(fā)電廠燃料試驗方法 第8部分：燃油發(fā)熱量的測定》（DL/T 567.8）、《人工煤氣和液化石油氣常量組分氣相色譜分析法》（GB/T 10410），殘?zhí)亢惋w灰的可燃物含量分析方法采用《飛灰和爐渣可燃物測定方法》（DL/T 567.6）。

焦油的熱值化驗當(dāng)前沒有成熟的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前電力行業(yè)對于燃油的化驗比較成熟，燃油的化驗分為輕油和重油，輕油和重油的化驗方法大致相同，但是在試樣的處理方面有各自的規(guī)定。對于輕油，在試樣保存、化驗的過程中需要注意防止其揮發(fā)；對于重油，需要預(yù)熱，充分混勻后取樣化驗。焦油是一種混合物，既有輕質(zhì)易揮發(fā)組分也有重質(zhì)組分，實際操作中既需要注意混勻后測量也需要注意防止揮發(fā)，所以該標(biāo)準(zhǔn)綜合了DL/T 567.8中有關(guān)輕油、重油的試驗要求進行焦油的熱值測定。

4 氣化爐效率的計算

該標(biāo)準(zhǔn)中的燃?xì)庑史譃槔淙細(xì)庑屎蜌饣療嵝?。前者對?yīng)的是出爐經(jīng)過冷卻、凈化后的不含水冷燃?xì)獾臀粺嶂蹬c輸入熱量的比值，該指標(biāo)對于需要貯存、長距離運輸和對于燃?xì)馄焚|(zhì)要求嚴(yán)格的場合很重要。由于該指標(biāo)僅考慮燃?xì)庵谐叵職鈶B(tài)成分的化學(xué)反應(yīng)熱，所以降低氣化爐出口燃?xì)鉁囟?，降低焦油、飛灰含量就顯得尤為重要。

后者對應(yīng)的是氣化爐出口未經(jīng)冷卻、凈化處理的粗燃?xì)鉄崃浚ǔ齼羧細(xì)獾臀粺嶂低?，還包含焦油、飛灰的低位熱值和粗燃?xì)庵懈鹘M分的顯熱）與輸入熱量的比值。該指標(biāo)主要針對氣化爐出口燃?xì)庵苯涌梢跃偷乩茫覍θ細(xì)馄焚|(zhì)要求不高的場合，燃?xì)獾娘@熱可以作為鍋爐或者窯爐的輸入熱量，焦油、飛灰也可以直接噴入爐膛燃燒。

5 其他量的計算

其他量的計算包括焦油熱、氣體熱、飛灰熱、散熱損失和殘?zhí)繜釗p失等。

5.1 焦油熱

對于焦油熱的計算，主要包括焦油含量的檢測和焦油熱值的化驗。焦油含量的檢測參見本文3.3，考慮到檢測焦油含量較為繁瑣，該標(biāo)準(zhǔn)推薦了一些經(jīng)驗值，對上吸式氣化爐每千克燃料可取0.05千克焦油，對流化床氣化爐每千克燃料可取0.02千克焦油，對下吸式氣化爐和其他低焦油氣化工藝可忽略。在對結(jié)果準(zhǔn)確度要求不高的場合，這樣的估算不會造成太大的誤差。但是在生物質(zhì)氣化爐驗收試驗、定型試驗等精度要求較高的場合，還是應(yīng)該以實測值為準(zhǔn)。焦油在取樣溫度和基準(zhǔn)溫度下的焓值差計算，該標(biāo)準(zhǔn)采用苯的焓值差來估算。主要是因為，焦油含量高的氣化工藝，氣化爐出口燃?xì)鉁囟纫话爿^低（一般上吸式氣化爐出口溫度不高于120℃）；而出口燃?xì)鉁囟雀叩臍饣に?，氣化爐出口焦油含量極低，這就造成了焦油的焓值差本身非常小。另一方面，焦油的成分非常復(fù)雜多樣，直接試驗其比熱容或者焓值差難度較大，所以建議用苯的焓值差來代替焦油在取樣溫度和基準(zhǔn)溫度下的焓值差不會產(chǎn)生較大誤差，且大大降低了工作量和對試驗設(shè)備的要求。

5.2 氣體熱

對于氣體熱的計算，主要包括凈燃?xì)鈿怏w顯熱和燃?xì)庵兴值臒崃?。燃?xì)庵兴趾康挠嬎憧梢酝ㄟ^氫平衡來計算，然后通過查表的方式可以計算出水分的焓值差；燃?xì)鈿怏w的顯熱也可以通過燃?xì)庵懈鹘M分的比熱容來進行計算。

5.3 飛灰熱

對于飛灰熱的計算，主要包括隨粗燃?xì)鈯A帶出氣化爐的碳粒和灰塵的化學(xué)熱及其顯熱。

5.4 散熱損失

對于散熱損失的計算，主要參考了GB/T 10180中的有關(guān)規(guī)定。熱流計法是檢測試驗散熱損失比較直觀、準(zhǔn)確的方法，但是在實際操作中由于比較繁瑣，應(yīng)用較少。計算法認(rèn)為氣化爐的散熱取決于氣化爐的外表面溫度以及散熱面積，數(shù)據(jù)容易獲得，計算精度尚可。其中散熱公式中的常數(shù)取自參考文獻(xiàn)[2]。

5.5 水冷熱損失

有部分生物質(zhì)氣化爐對爐體外表面進行了水冷卻，這些氣化爐的外表面實測溫度較低，直接散熱的損失較小，冷卻水帶出的熱量較多，且冷卻水帶出的熱量計算方法與表面散熱的計算方法不同，該標(biāo)準(zhǔn)給予單獨考慮。計算該種情況下的散熱損失時，應(yīng)計算其冷卻水的流量和進出口溫度來計算氣化爐的水冷熱損失。

5.6 殘?zhí)繜釗p失

對于殘?zhí)繜釗p失的計算，包括了殘?zhí)康幕瘜W(xué)熱（通過檢測可燃物含量計算）和顯熱。部分氣化爐中的殘?zhí)渴侵苯优湃胨欣鋮s的，這種情況下直接測量殘?zhí)康臏囟缺容^困難，該標(biāo)準(zhǔn)給出了一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

5.7 氣化強度

氣化強度一般有3種表達(dá)方式：分別為單位時間內(nèi)氣化爐單位有效截面積上，氣化的燃料量、產(chǎn)生的燃?xì)饬炕蛘呷細(xì)獾臒崃??？紤]到實際中3種方式均有應(yīng)用，該標(biāo)準(zhǔn)給出了這3種表達(dá)方式的公式。應(yīng)該指出，氣化強度的比較只在爐型相同時才有意義。對于不同爐型，由于爐膛形狀不同，截面積的定義可能是不同的。例如，下吸式氣化爐，爐膛中有一個縮口，其氣化強度定義在縮口段的最小截面積上，這個截面積僅相當(dāng)于爐膛直段截面積的1/5～1/4，其氣化強度比沒有縮口段的上吸式氣化爐和層式下吸爐高得多；再比如流化床氣化爐和固定床氣化爐的反應(yīng)機制差很多，在它們之間比較氣化強度也意義不大。

5.8 碳轉(zhuǎn)化率

碳轉(zhuǎn)化率是評價氣化過程中碳元素轉(zhuǎn)移到燃?xì)猓ǔ叵職鈶B(tài)物質(zhì)，包括CO、CO2、CH4、H2和CmHn等）中的比例。提高碳轉(zhuǎn)化率的方法，一是降低焦油的產(chǎn)生量，二是降低殘?zhí)恐械奶己?，這樣可以盡可能提高燃?xì)庵刑荚厮嫉姆蓊~。應(yīng)該指出，碳轉(zhuǎn)化率并不代表氣化效率，因為在燃?xì)庵羞€存在著不可燃燒的二氧化碳，它也計算在碳轉(zhuǎn)換率中。