生物質(zhì)熱解焦油燃燒試驗系統(tǒng)設(shè)計與試驗

賈吉秀 趙立欣 孟海波 叢宏斌 姚宗路 馬 騰

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

0 引言

生物質(zhì)熱解技術(shù)采用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的方式將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃氣、生物炭和熱解油等能源產(chǎn)品，主要分為熱解炭化、熱解氣化和熱解液化3種以不同目標(biāo)產(chǎn)物為導(dǎo)向的熱解技術(shù)，其中生物質(zhì)熱解液化技術(shù)以生物油為主要產(chǎn)物，產(chǎn)生的生物油可以進一步精制利用，熱解炭化和熱解氣化主要以生物炭或熱解氣作為目標(biāo)產(chǎn)物，同時不可避免地會產(chǎn)生熱解焦油這一副產(chǎn)物。相對于生物油，熱解焦油分子鏈更加復(fù)雜，難以提純應(yīng)用，其中揮發(fā)酚的質(zhì)量濃度為156～312 mg/L，而工業(yè)三廢排放標(biāo)準(zhǔn)為0.005 mg/L，農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為1～3 mg/L，所以未經(jīng)處理的熱解焦油直接排放會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，因此制約了熱解炭化和熱解氣化技術(shù)的發(fā)展[1-3]。

目前在熱解炭化技術(shù)領(lǐng)域減少熱解焦油排放的途徑主要有兩種，一是源頭減量，即減少熱解過程中熱解焦油的產(chǎn)生，主要采用熱解之前先對原料進行烘焙等預(yù)處理方式。經(jīng)過烘焙預(yù)處理30 min后，熱解焦油的產(chǎn)量可以降低50%；經(jīng)過烘焙15 h后，熱解焦油的產(chǎn)生量由41.9%降低至7.6%[4-5]。二是過程消除，即熱解焦油產(chǎn)生后，在氣態(tài)時通過催化裂解或者高溫裂解的方式，直接將大分子熱解焦油裂解成小分子氣體。實驗室研究表明，裂解除焦油率可達98%，但是由于成本及催化劑失活等問題難以工業(yè)化應(yīng)用[6-7]。因此，以上兩種途徑在解決焦油排放污染問題上還存在一定的缺陷。

在熱解技術(shù)推廣應(yīng)用過程中，很多采用的是外源熱解炭化技術(shù)，即采用柴油或者熱解氣燃燒產(chǎn)生的能量，經(jīng)熱風(fēng)爐為生物質(zhì)熱解提供熱源，而柴油作為一種精煉提純后的高品質(zhì)燃料，具有較高的成本，熱解氣作為一種高品質(zhì)的清潔燃氣，可以作為一種后端產(chǎn)品直接用于居民炊事。如果熱解焦油能夠直接燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉃闊峤庠O(shè)備供熱，將會完善熱解技術(shù)工藝鏈條，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。經(jīng)生物質(zhì)熱解焦油的理化特性分析，其熱值達30 MJ/kg，可燃性較好，因此熱解焦油與木醋液分離后再燃燒回用是一種可行的技術(shù)路線，將熱解產(chǎn)生的焦油經(jīng)過分離過濾后，利用專用熱解焦油燃燒器燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉃榍岸藷峤庠O(shè)備提供能量，實現(xiàn)熱解過程的炭氣聯(lián)產(chǎn)和熱解焦油的能源化利用，既解決了焦油的污染問題，同時提高了熱解系統(tǒng)的能量利用效率[8-9]。

但是，熱解焦油含水率較高[10-11]，直接燃燒穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)間斷性熄火現(xiàn)象。基于此，本文提出一種生物質(zhì)熱解焦油伴氣燃燒的工藝路線，并設(shè)計油氣混燃燃燒器。針對熱解焦油粘度大、霧化效果差等問題，設(shè)計一種二次霧化噴嘴，搭建燃燒試驗平臺，并進行熱解焦油的燃燒試驗。

1 生物質(zhì)熱解焦油特性分析

不同于熱解液化產(chǎn)生的生物油，生物質(zhì)熱解焦油具有較高的粘度和熱值，運動粘度35～140 mm2/s，且隨溫度升高而降低，在80℃左右達到最低值；通過熱解焦油的元素分析，其主要元素為C，質(zhì)量分數(shù)最高可達65%，H元素質(zhì)量分數(shù)為10%，具有較高的能量密度；S元素含量極少，質(zhì)量分數(shù)約為0.05%；熱解焦油含水率也比較高，為10%～20%。

生物質(zhì)熱解焦油的GC-MS(氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用)圖譜如圖1所示，成分非常復(fù)雜，主要由有機酸類、酮類、酚類、醛類和稠環(huán)芳烴類物質(zhì)組成，其中小分子組分主要是苯酚類，大分子物質(zhì)為酰胺類和脂類。組分多為苯環(huán)結(jié)構(gòu)，在燃燒過程中分子鍵難以斷裂，因此在燃燒時需要較好的霧化效果和配風(fēng)控制。

圖1 秸稈熱解焦油GC-MS圖譜Fig.1 GC-MS map of straw pyrolysis tar

2 工作原理和整機結(jié)構(gòu)

2.1 生物質(zhì)熱解焦油伴氣燃燒工藝流程

生物質(zhì)熱解焦油伴氣燃燒工藝流程如圖2所示。采用玉米秸稈在600℃絕氧條件熱解產(chǎn)生的生物質(zhì)熱解焦油為燃料，以生物質(zhì)熱解氣為助燃劑，整個工藝流程分為霧化空氣控制、熱解焦油控制、熱解氣控制和燃燒煙氣換熱等工藝流程。

圖2 生物質(zhì)熱解焦油伴氣燃燒工藝流程Fig.2 Process flow of biomass pyrolysis tar with gas combustion

(1)熱解焦油控制：由熱解焦油的運動粘度可以看出，其在室溫(20℃)下流動效果極差，在80℃時具有較好的流動性，因此在熱解焦油輸送的整個過程中采用水蒸氣進行保溫伴熱，保證其較好的流動性。利用油壓泵將熱解焦油增壓到0.5 MPa，旁路設(shè)置調(diào)壓閥門可調(diào)節(jié)油壓，熱解焦油進入燃燒器之前先經(jīng)過籃式過濾器清除大粒徑(大于等于0.5 mm)的雜質(zhì)，防止噴頭堵塞，籃式過濾器采用并聯(lián)設(shè)計，可切換使用[12-13]。

(2)霧化空氣控制：由于熱解焦油等重油粘度較大，采用傳統(tǒng)壓力霧化方式難以達到理想的霧化效果，因此本文采用二次空氣霧化原理，提高熱解焦油液滴的霧化效果。采用空壓機將空氣壓縮到儲氣罐中提供一個穩(wěn)定高壓氣源，壓力最大為0.8 MPa，再通過調(diào)壓閥設(shè)置不同的空氣壓力，達到理想的霧化效果，最后經(jīng)過加熱器將霧化空氣加熱到80℃后進入霧化噴嘴對熱解焦油實施霧化，加熱霧化空氣是避免熱解焦油霧化過程中由于溫度降低而影響霧化效果。

(3)熱解氣控制：熱解氣主要作為助燃劑使用，為熱解焦油燃燒提供穩(wěn)定的火焰，主要進行壓力控制和流量控制，用以調(diào)節(jié)助燃火焰的大小。

(4)燃燒煙氣換熱：主要是采用變頻的高壓風(fēng)機對燃燒室直接進行空氣換熱降溫，再通過列管換熱器，對熱解焦油燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈸Q熱降溫，降溫后的煙氣控制為200℃以下，以便進行煙氣檢測分析。

2.2 整機結(jié)構(gòu)及工作過程

熱解焦油燃燒器的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由空氣供氣裝置、熱解焦油供油裝置、熱解氣供氣裝置、燃燒器、燃燒腔、換熱器以及采樣裝置組成。其中燃燒器主要包括鼓風(fēng)機、高壓點火器和霧化噴頭；燃燒室設(shè)有火焰觀察孔，用于觀測火焰長度和查看燃燒狀態(tài)；燃燒室和煙氣換熱室一體化設(shè)計，煙氣換熱室采用列管換熱原理，熱煙氣流經(jīng)列管內(nèi)側(cè)，冷空氣流經(jīng)列管外側(cè)，該結(jié)構(gòu)很大程度減少了安裝空間，實現(xiàn)了煙氣的高效換熱。

圖3 生物質(zhì)焦油燃燒試驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of combustion platform for biomass tar combustion1.高壓氣體罐 2、15.手動閥 3.調(diào)壓器 4.空氣流量計 5.空氣電磁閥 6.儲油罐 7.焦油手動閥 8.Y型過濾器 9.籃式過濾器 10.油壓泵 11、12.焦油電磁閥 13.燃燒器 14.熱解氣 16.過濾器 17.燃氣流量計 18.減壓閥 19.燃氣電磁閥 20.鼓風(fēng)機 21.觀察孔 22.高壓風(fēng)機 23.列管換熱器 24.煙氣出口 25.換熱空氣出口

設(shè)備工作時，將熱解焦油加入儲油罐，并設(shè)定加熱溫度為80℃，連接燃氣管路；打開空氣供氣裝置系統(tǒng)閥門，調(diào)節(jié)空氣壓力，進行管路吹掃；之后打開燃氣閥門，將壓力減小至0.3 kPa，開始點火啟動，當(dāng)光敏傳感器檢測到燃燒火焰存在時，關(guān)閉高壓點火，并將燃氣配氣電磁閥鎖死，之后再打開油路閥門和油壓泵，調(diào)節(jié)熱解焦油霧化壓力，之后通入燃燒器進行燃燒；開啟高壓風(fēng)機對燃燒器和煙氣換熱，高壓風(fēng)機與溫度信號采用閉環(huán)控制原理，保證煙氣出口溫度在200℃以下；將煙氣分析儀插入煙氣出口處進行煙氣成分檢測，燃燒結(jié)束后，利用霧化空氣對熱解焦油管路吹掃清理，關(guān)閉各項電源。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

生物質(zhì)熱解焦油燃燒器的焦油設(shè)計燃燒量為20～55 kg/h，熱解氣設(shè)計燃燒量為2～4 m3/h，霧化空氣設(shè)計壓力為0.3～0.8 MPa，燃燒室的設(shè)計尺寸為長2 m、寬1.5 m、高1 m。熱解焦油采用二次空氣霧化原理，焦油壓力在0.2～0.5 MPa之間可調(diào)控。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 燃燒器設(shè)計

如圖4所示，燃燒器主要由熱解焦油燃燒支路和熱解氣燃燒支路組成，其中熱解氣管路通過三通閥門將總氣路分為2個并聯(lián)的支路，分別位于燃油燃燒器噴頭的上下兩側(cè)，為熱解焦油的燃燒提供穩(wěn)定火源。

圖4 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of burner structure1.熱解氣管路 2.熱解焦油管路 3.連接法蘭 4.支撐架 5.熱解焦油噴頭 6.熱解氣噴頭

設(shè)計的熱解氣燃燒僅作為伴氣燃燒，因此設(shè)計流量不宜過高，為了保證試驗要求，設(shè)計的熱解氣供氣量為2～4 m3/h，壓力為0.2～0.6 kPa，熱解氣流速和噴口截面積計算公式為

(1)

(2)

式中v——燃氣在出口截面的流速，m/s

p——燃燒器前燃氣壓力，400 Pa

ρ——燃氣密度，取0.82 kg/m3

T——燃氣溫度，取1 173 K

T0——開爾文溫度，取273 K

ζ——燃燒器阻力系數(shù)，取1.5

F1——燃氣噴口截面積，mm2

L——燃氣用量，取3 m3/h

取熱解氣流量為3 m3/h，壓力為0.4 kPa，代入式(1)、(2)可得燃氣流速為12.3 m/s，燃氣噴口截面積為2.6 mm2，即每個單獨燃氣噴口截面積為1.3 mm2[14-16]。

3.2 熱解焦油霧化噴頭設(shè)計

空氣霧化主要分為外混式霧化和內(nèi)混式霧化，外混式噴嘴的霧化介質(zhì)從噴嘴噴出后，與燃油開始瞬間混合，霧化介質(zhì)的效用迅速下降，加長了霧化、混合、燃燒的過程，難以達到較好的霧化效果。內(nèi)混式高壓介質(zhì)霧化噴嘴的燃油與霧化介質(zhì)在混合室內(nèi)充分混合后，油氣混合物再噴射出去，克服了外混式噴嘴的缺點，較外混噴嘴更適合熱解燃油的霧化[17-19]。

本設(shè)計采用內(nèi)混式霧化原理，如圖5所示，整體結(jié)構(gòu)分為霧化空氣外腔、油腔和霧化空氣內(nèi)腔，最外層為霧化空氣外腔，中間層為油腔，最內(nèi)層為霧化空氣內(nèi)腔，其中油腔的縮口端斜面四周均勻布置12個旋流噴頭。第1次霧化發(fā)生在霧化空氣外腔與油腔之間，熱解焦油經(jīng)過油腔后由環(huán)形布置的旋轉(zhuǎn)噴頭噴出，每個噴頭兩側(cè)設(shè)置旋流槽，霧化空氣外腔的高壓空氣經(jīng)過旋流槽與旋轉(zhuǎn)噴頭噴出的熱解焦油液滴相撞擊，形成一次霧化；第2次霧化發(fā)生在霧化空氣內(nèi)腔與外殼之間，高壓空氣經(jīng)過霧化空氣內(nèi)腔后與一次霧化的液滴相混合，對液滴進行二次霧化，再經(jīng)總噴頭噴出，該結(jié)構(gòu)設(shè)計迫使熱解焦油滴經(jīng)歷兩次霧化過程，達到較好的霧化效果。

圖5 燃燒噴頭設(shè)計圖Fig.5 Design drawing of combustion nozzle1.霧化空氣外腔 2.油腔 3.霧化空氣通孔 4.霧化空氣內(nèi)腔 5.旋流噴頭 6.總噴頭

(1)燃油噴口參數(shù)計算

燃油噴口設(shè)計參數(shù)包括噴口直徑和截面積，主要與流量和壓差有關(guān)。計算公式為[20-21]

(3)

(4)

式中D1——燃油噴口直徑，mm

qmf——熱解焦油流量，kg/s

u1——油嘴出口流量系數(shù)，取0.3

ρ1——熱解焦油在工作溫度時的密度，取1 100 kg/m3

Δp——燃油絕對壓力與混合室臨界壓力之差，取0.1 MPa

S——噴油口總截面積，mm2

S1——旋流噴頭截面積，mm2

根據(jù)工程實際要求，設(shè)計熱解焦油流量為20 kg/h，代入式(3)、(4)可得燃油噴口直徑為1.25 mm，即噴油口總的截面積為1.22 mm2，每個小的旋流噴頭截面積為0.1 mm2。

(2)壓縮空氣出口參數(shù)計算

壓縮空氣出口主要包括壓縮空氣內(nèi)腔出口和外腔出口，總的截面積計算公式為

(5)

式中F2——壓縮空氣噴口總截面積，mm2

qma——壓縮空氣流量，kg/s

u2——霧化介質(zhì)的流量系數(shù)，取0.67

φ——臨界截面流量計算系數(shù)，取0.48

p2——噴嘴入口處壓縮空氣的絕對壓力，取0.8 MPa

V——壓縮空氣比容，取1.2 m3/kg

設(shè)計過程中將壓縮空氣內(nèi)腔噴口截面積F3和外腔噴口截面積F4取相同數(shù)值[17]，即

(6)

根據(jù)空氣配比，取壓縮空氣流量為3 kg/h，將各參數(shù)代入式(5)、(6)可得壓縮空氣噴口總截面積為2.24 mm2，內(nèi)腔和外腔截面積各為1.12 mm2。

4 熱解焦油燃燒試驗

4.1 試驗材料與測試方法

燃燒試驗平臺加工完成后，在北京市雙橋農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室進行燃燒試驗，圖6為設(shè)備試驗現(xiàn)場。試驗所用的熱解焦油和熱解氣均為600℃條件下的玉米秸稈熱解產(chǎn)生，分析熱解焦油理化特性，可知C、H、N、S的質(zhì)量分數(shù)分別為64.07%、7.56%、2.36%和0.67%，運動粘度80 mm2/s，熱值29 MJ/kg，密度1 080 kg/m3，含水率12%；分析熱解氣的主要組分是CO、CO2、H2、CH4、N2，質(zhì)量分數(shù)分別為32.65%、26.02%、14.26%、14.14%和2.43%，熱值為18 MJ/m3。經(jīng)過燃燒調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)霧化空氣壓力為0.6 MPa，熱解焦油壓力為0.2～0.4 MPa，熱解氣壓力為0.3～0.5 kPa時，燃燒器燃燒穩(wěn)定，火焰明亮，連續(xù)穩(wěn)定燃燒時間達4 h以上。

圖6 熱解焦油燃燒試驗平臺現(xiàn)場Fig.6 Site of pyrolysis tar combustion test platform

4.2 參數(shù)標(biāo)定測試

在穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下，進行了設(shè)備的處理量標(biāo)定，分別設(shè)定熱解焦油壓力為0.2 MPa和0.4 MPa，設(shè)定熱解氣壓力為0.3 kPa和0.5 kPa，共4組試驗，進行燃油燃燒量和熱解氣處理量的參數(shù)標(biāo)定，試驗結(jié)果如表1所示，由表1可知該燃燒器的熱解焦油燃燒量和熱解氣燃燒量與設(shè)計值基本吻合。

表1 燃燒參數(shù)測定結(jié)果Tab.1 Measurement results of combustion parameters

4.3 燃料配比燃燒試驗

為了探索最佳溫度燃燒工況的熱解油、氣配比，進行了熱解焦油與熱解氣配比的燃燒試驗，在穩(wěn)定燃燒情況下采用德國rbr益康煙氣分析儀進行煙氣組分檢測，試驗結(jié)果如表2所示。

燃燒過程中，爐膛外壁采用變頻風(fēng)機進行降溫調(diào)控，所以4組試驗過程中爐膛外壁的溫度和煙氣溫度的變化不大。從燃料配比情況來看，隨著油氣燃料比的增大，CO排放量和NOx排放量均是增大的趨勢，而且當(dāng)油氣燃料比大于10.9 kg/m3時，氮氧化物已經(jīng)超過了國家標(biāo)準(zhǔn)，說明在該配比情況下由于熱解焦油的燃燒量較大時火焰溫度會急劇升高，造成NOx排放增高，并且熱解焦油采用的預(yù)混式霧化原理，霧化空氣的提前預(yù)熱也會使NOx的排放升高。另外，從試驗結(jié)果看，燃燒過程中即使保持充足的氧氣，CO的排放濃度仍然過高，分析原因一是熱解焦油中含有C元素占64.07%，且通過GC-MS分析其多為大分子的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，燃燒過程中分子鏈難以斷裂為小分子結(jié)構(gòu)，其自身特性導(dǎo)致一次燃燒不充分，未能達到較好的燃燒效果；二是由于燃燒室為單煙道設(shè)計，結(jié)構(gòu)較為簡單，燃燒后的煙氣直接排空，導(dǎo)致了燃料與火焰的接觸時間不充分，未能將煙氣中的CO再次燃燒，而造成了CO排放量較高的問題。

表2 不同燃料配比下燃燒情況Tab.2 Combustion conditions at different fuel ratios

5 結(jié)論

(1)熱解焦油燃燒回用工藝技術(shù)完善了整個熱解系統(tǒng)工藝鏈條，實現(xiàn)了熱解焦油的能源化利用，有效推動了外源式熱解工程技術(shù)的推廣。針對焦油含水率較高、難以穩(wěn)定燃燒的問題，提出了一種生物質(zhì)焦油伴熱解氣燃燒的技術(shù)工藝，設(shè)計了油氣混合燃燒器及熱解焦油二次霧化噴頭，并搭建了生物質(zhì)焦油燃燒試驗平臺。

(2)燃燒試驗表明，在霧化空氣壓力為0.6 MPa、熱解焦油壓力為0.2～0.4 MPa、熱解氣壓力為0.3～0.5 kPa時，燃燒器可以持續(xù)穩(wěn)定燃燒。燃料配比燃燒試驗表明，熱解焦油在伴熱解氣燃燒過程中，熱解焦油的比重不宜過大，建議油氣燃料比小于10.9 kg/m3。

(3)通過燃燒試驗過程中的煙氣成分分析發(fā)現(xiàn)，CO排放量和NOx排放量都較大，表明在燃燒室中的一次燃燒并未達到理想的燃燒效果。