淺談生物質氣化-有機載體爐爐膛溫度升高的原因分析及對策

張飛飛

【摘?要】生物質氣化-有機載體爐應用于精細化工裝置單元，以導熱油為中間循環(huán)介質供應裝置精餾單元取熱，導熱油供熱控制指標275℃-285℃，在工藝指標滿足的條件下，有機載體爐爐膛溫度偏高，超出工藝指標（600℃-700℃）范圍，針對當前工藝情況，系統(tǒng)排查可能存在原因，并對其進行改進，通過對生物質氣原料質量把控、更換燃燒噴嘴、調整鼓風和引風比例、增加氧化鋯氧含量分析儀等措施，有機載體爐爐膛溫度明顯下降。

【關鍵詞】生物質氣化;導熱油;焦油;殘?zhí)?燃燒噴嘴

生物質氣化-有機載體爐是一種新型應用于中小型生產裝置組合工藝，是以生物質為原料，通過復雜的熱化學反應生成一氧化碳、甲烷、氫氣等可燃氣體，送入鍋爐燃燒器在有機載體爐中點燃后燃燒，有機載體爐通過熱輻射和熱對流將熱量傳遞導熱油作為中間循環(huán)介質供熱供暖。

生物質氣化原理

生物質氣化是以生物質顆粒為原料，以氧氣（空氣、富氧或純氧）、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑（或稱氣化介質），在高溫條件下通過熱化學反映將生物質中可燃的部分轉化為可燃氣的過程。生物質氣化時產生的氣體，主要有效成分為CO、H2和CH4 等，稱為生物質燃氣。氣化和燃燒過程是密不可分的，燃燒是氣化的基礎，氣化是部分燃燒或缺氧燃燒。實際上，氣化是為了增加可燃氣的產量而在高溫狀態(tài)下發(fā)生的熱解過程。生物質氣化反應過程包含有燃料的干燥、裂解反應、氧化反應和還原反應。

生物質氣化-有機載體爐主要工藝流程

1、工藝流程圖

2、工藝流程圖簡介

簡單破碎后的生物質原料（水份高的需經過干燥處理），用上料機輸送至氣化爐頂，再由螺旋給料機輸送入爐內。氣化爐設有自動點火裝置和緊急排空裝置，在生產啟動時，通過自動點火裝置點燃氣化爐內燃料，產生高溫煙氣對爐內生物質原料進行加熱升溫，原料在爐內分別經過氧化、裂解和還原反應，生產的可燃氣體經過氣化爐引風機送入鍋爐燃燒器點燃后燃燒，產生高溫煙氣供生物質氣化爐產生蒸汽。

當前工藝存在問題

該生物質氣化爐為中低溫常壓操作，以生物質木片為原料，氣化效率為72%，消耗生物原料3.75t/h，產氣量輸出功率1080×104Kcal/h（1080萬大卡），額定產氣量8250m?/h，與生物質氣化系統(tǒng)配套的有機載體爐設計熱負荷800萬大卡，爐膛溫度指標600℃-700℃，有機載體爐有效利用熱量根據(jù)導熱油熱量檢測儀計算，每小時熱值約20-22GJ/h，有機載體爐爐膛溫度偏高，存在安全運行風險。

從以上兩個表中明顯看出，當有機載體爐熱值基本穩(wěn)定的情況下，運行后期爐膛溫度明顯高于運行初期，運行后期爐膛溫度接近指標上限，排煙溫度較高，爐膛中熱量未被循環(huán)導熱油取走，導致爐膛溫度偏高，針對當前工況主要從以下幾個方面進行分析。

一、生物質氣化原料問題。

燃料規(guī)格要求：燃料為木片形式，長度30mm-80mm，含水率為15～20%，灰分≤5%。

生物質原料以木柴為主，對現(xiàn)場進行取樣、外觀觀察，水含量≥30%，灰分>5%，因原料中水含量較大勢必造成氣化氣中組分水蒸氣含量偏高，較多的水蒸氣進入有機載體爐膛中，在輻射室和對流室中與爐管接觸，將部分爐管熱量（中間介質導熱油）帶走，進而以提高爐膛溫度來滿足供熱量，造成爐膛溫度偏高，供熱熱值偏低。

原料中灰分含量較高，進入有機載體爐內，在水蒸氣作用下，灰分沉積在爐管（中間介質導熱油）表面，影響了傳熱系數(shù)，同樣以提高爐膛溫度來滿足供熱量，造成爐膛溫度偏高，供熱熱值偏低。

二、有機載體爐燃燒器燃氣偏流或燃燒火焰不穩(wěn)定。

本系統(tǒng)有機載體爐火嘴采用直流式通氣燃燒方式，火焰在爐膛底部呈分散形狀，從現(xiàn)場看窗觀察火焰呈傾斜狀，較爐膛北側墻面噴射，進而在局部形成渦流，造成輻射段爐管取熱面不均造成熱量損失。下圖為爐膛兩側處測溫分布表，從數(shù)據(jù)觀察，爐膛北側溫度較高，該爐膛墻面設計溫度不超60℃。

三、有機載體爐中間循環(huán)介質導熱油性質變差。

與生物質配套選用YLW9300MA型導熱油爐，選用320#BD型導熱油。主要用于芳構化裝置供熱和產生低壓蒸汽，供罐區(qū)和裝置區(qū)伴熱及吹掃用。以氣化氣為燃料，以導熱油為熱載體，利用熱油循環(huán)泵強制液相循環(huán)，將熱能輸送給用熱設備后，繼而返回重新加熱的載體爐。起初判斷爐管內部結焦或者油質變化引起取熱不佳，從導熱油循環(huán)泵供油、回油壓力觀察，無明顯變化，然后對其取樣分析，四項指標都滿足性能要求，故導熱油性質變差的原因予以排除。

粘度：指在規(guī)定的條件下，有機載體的粘稠度及流動性。粘度越大，流動性越差，導熱系數(shù)越小，管道傳輸所需的循環(huán)泵功率也就越大。當粘度增大較多時，循環(huán)流速變慢，雷諾系數(shù)降低，爐管中的導熱油流體逐漸由湍流變?yōu)閷恿?，導致靠近管壁的邊界層厚度不斷增大，進而加速導熱油分解成粘度更大的膠質物，結果形成殘?zhí)砍练e于管壁，從而影響傳熱，嚴重時易造成管壁過熱，引發(fā)事故。

閃點：指在加熱條件下，當火焰接近導熱油蒸氣與空氣組成的混合性氣體時，發(fā)生短促閃燃的最低溫度。閃點越低，運行時導熱油的蒸發(fā)率就越大，安全性也就越差，且在使用過程中損耗也越大。

殘?zhí)浚菏侵冈诔瑴貤l件下導熱油受熱分解或聚合而形成沉淀的殘?zhí)苛?。殘?zhí)康闹饕煞质菍嵊椭械哪z質、瀝青及多環(huán)芳香烴。由殘?zhí)恐档拇笮】膳袛鄬嵊徒Y焦的傾向性，在一定的使用時間內，殘?zhí)恐翟隽吭酱?，說明該導熱油的熱穩(wěn)定性和抗氧化性越差，越易在受熱面上積焦，直接影響傳熱效率。

酸值：是指導熱油中有機酸的總含量。因油品氧化變質所產生的酸性物質，與金屬作用生產皂類沉淀或其他氧化物，易堵塞加熱系統(tǒng)管路、散熱器及閥門，造成取熱效率下降。

四、供熱用戶調整波動。

導熱油在循環(huán)泵作用下，依次進入有機載體爐，吸收熱量，分別至裝置單元各個用戶，當用戶需求熱量有波動時，進而影響導熱油循環(huán)料波動，爐膛溫度隨之波動，出現(xiàn)取熱不匹配、熱量損失等情況。圖中，蒸汽發(fā)生器利用導熱油回油溫度加熱脫鹽水產蒸汽，蒸汽作為用戶使用波動情況下，也影響取熱負荷的變化。

五、有機載體爐燃氣配比、鼓引風配比不合理。

正常調整時，有機載體爐若增加負荷，在生物質氣化爐運行穩(wěn)定時，首先加大原料進料量，緩慢加大鼓風機和引風機頻率，同時注意燃氣溫度，生產負荷達到有機載體爐生產要求。有機載體爐若降低負荷，反之亦然。在生產調節(jié)過程中，下面這幾種情況將可能導致爐膛溫度偏高。

1、燃氣壓力高或者燃氣CO含量較高時，鼓風量不變或者增加較小的情況下，爐膛溫度升高，燃氣未完全燃燒，煙氣出口氧含量明顯下降，嚴重時煙囪出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象。鼓風量增加較多情況下，爐膛溫度增加較快甚至出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

2、引風量相對較小，爐膛中熱量未及時被煙氣帶走，爐膛溫度升高。

六、有機載體爐中間介質取熱管附著積灰。

燃氣未完全燃燒產生的炭黑集聚在爐管表面或者燃氣中顆粒物附著爐管表面影響傳熱效率，在裝置取熱負荷不變的情況下，爐膛溫度升高。

改進措施

在確保裝置取熱不變的情況下，對有機載體爐爐膛溫度升高的原因分析與確認的基礎上，提出并制定了降低爐膛溫度的措施，主要從以下幾方面進行改進。

1、把控原料質量，提高產氣效率

通過加大原料取樣頻次，堅決制止不合格原料入廠，確保原料中水含量和灰分在指標范圍內。增加除焦油凈化系統(tǒng)，燃氣通過凈化裝置經自降除塵后，使燃氣中絕大部分的灰塵、焦油沉降，系統(tǒng)凈化后的燃氣供鍋爐使用，沉降后的焦油經過焦油循環(huán)打到氣化爐本體內進行重復氣化，大大降低了燃氣中焦油及灰塵含量。

2、選型合理的燃燒噴嘴

停工后更換新型噴嘴后，對現(xiàn)場爐膛中火焰觀察，燃燒穩(wěn)定，均衡有力，爐膛壁溫度測點基本都維持50℃左右，達到預期目的。

3、穩(wěn)定調整供熱用戶

在正常調整操作中，通過微調節(jié)、勤調整，事前做好預判。因裝置在結晶單元生產中，蒸汽調整幅度較大，增加或降低用量過程中，做好計劃調整，避免大幅度波動。

4、調整鼓引風配比

1）在正常調整的基礎上，爐膛內部增加氧化鋯氧分析儀，時時在線檢測煙氣中氧含量。

2）通過摸索對比，燃氣壓力控制-30Pa～-40Pa，有機載體爐膛壓力-20Pa～-30Pa，鼓風機頻率19HZ-22HZ，引風機頻率25HZ-27HZ，導熱油出口油溫283℃以上，排煙溫度相對較低，爐膛溫度已達到指標之內，達到預期要求。

5、增加手動吹灰設施。

定期對爐膛通過工廠風進行爐膛爐管表面吹灰，通過吹灰前后對比，吹灰后爐膛溫度及出口煙氣溫度明顯下降。

參考文獻：

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（作者單位：中陜核陜西華浩軒新能源科技開發(fā)有限公司）