高效節(jié)能型生物質(zhì)氣化爐新工藝設(shè)備選型設(shè)計(jì)創(chuàng)新要點(diǎn)

2021-08-16 05:44:42呂宜德金敬龍談治水

工業(yè)爐 2021年3期

呂復(fù)，呂元，呂宜德，許軍，金敬龍，談治水

（武漢奧杰科技股份有限公司，湖北武漢 430223）

在我國(guó)能源多樣化的今天，生物質(zhì)再生資源來(lái)源主要是已木質(zhì)化的，不可回收的生物質(zhì)。如小型的樹枝、稻殼、玉米秸稈、花生殼、椰子殼、小麥秸稈、芝麻秸稈、家具廠的下腳料或其它木質(zhì)化的、不易腐爛的木質(zhì)廢料，均可作為產(chǎn)氣原料。

目前，生物質(zhì)一般均制成顆粒狀，通過(guò)壓縮機(jī)壓制成20 mm×10 mm，25 mm×30 mm等不同大小的顆粒狀，送入爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生熱能供熱。這樣造成生物質(zhì)顆粒的成本居高不下，且爐渣還得不到綜合利用。如爐內(nèi)溫度控制過(guò)高還會(huì)容易結(jié)焦（鉀、鈉及其化合物熔點(diǎn)過(guò)低所致），同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

經(jīng)濟(jì)上，以供熱能力平均2.09×104kJ/kg以上的煤和供熱能力（0.67～1.02）×104kJ/kg的生物質(zhì)比較，幾乎兩噸生物質(zhì)的供熱能力才能替代一噸煤的供熱能力。對(duì)于同一型號(hào)的工業(yè)鍋爐，使用生物質(zhì)的用量幾乎是用煤量的兩倍。其采購(gòu)價(jià)生物質(zhì)一般為800～1 200元/t，燃煤煙煤一般為700元/t左右，無(wú)形之中對(duì)于生物質(zhì)燃燒鍋爐而言其燃料成本上升了3倍多，這對(duì)于企業(yè)而言簡(jiǎn)直是苦不堪言。如何降低生物質(zhì)燃料燃燒的成本，是每一個(gè)企業(yè)面臨的問(wèn)題之一。降低生物質(zhì)能源燃燒成本，是當(dāng)務(wù)之急。

1 高效節(jié)能型全自動(dòng)化的生物質(zhì)層燃?xì)饣癄t新工藝生產(chǎn)線

生物質(zhì)氣化熱解產(chǎn)氣與煤制氣的原理大致一致，只是生物質(zhì)氣化原理中的煅燒溫度、還原區(qū)的形成、鼓風(fēng)量與抽風(fēng)量的平衡要求更加嚴(yán)格[1]。這是要通過(guò)各類溫度、壓力、流量，CO檢測(cè)等儀表，嚴(yán)格測(cè)定與控制入爐前的生物質(zhì)化學(xué)分析中碳、鉀與鈉的含量進(jìn)行分析，最好是一爐用同一種生物質(zhì)燃料，這樣更方便控制。同時(shí)也可以總結(jié)不同的生物質(zhì)，不同的燃料特性，便于推廣與應(yīng)用。

高效節(jié)能型全自動(dòng)化生物質(zhì)層燃?xì)饣癄t新工藝生產(chǎn)線如圖1所示。本新工藝生產(chǎn)線是專門應(yīng)用于生物質(zhì)燃?xì)獾漠a(chǎn)生與應(yīng)用。它的優(yōu)勢(shì)有：①生物質(zhì)燃?xì)馊紵?，所排放煙氣中的CO2是一種生物級(jí)CO2，能夠被海洋與森林快速吸收，以達(dá)到自然界的平衡，不會(huì)在地球兩極的大氣層中形成空洞，以至影響大氣變暖，造成氣候異常。②氣化爐外排爐渣可以全部回收再利用，是良好的活性炭或制造鉀肥的主要原料之一。③極大地降低了生產(chǎn)成本。從圖1可以看出，該工藝上產(chǎn)線是不需要把生物質(zhì)制成顆粒狀的，只需要簡(jiǎn)單的破碎與干燥即可入爐，而有些細(xì)小顆粒（如稻殼、花生殼等），可直接入爐，克服了生物質(zhì)再生能源不能大面積推廣的瓶頸。④生物質(zhì)氣化爐通過(guò)計(jì)算可以帶動(dòng)多個(gè)受熱爐使用，采用多管道輸氣在受熱爐內(nèi)燃燒，避免結(jié)焦現(xiàn)象發(fā)生。⑤煙氣排放等輔助設(shè)施與天然氣一樣簡(jiǎn)單方便。生物質(zhì)燃?xì)獠缓颍捎昧说偷紵魅紵?煙氣中的NOx排放可以達(dá)標(biāo)。

圖1 高效節(jié)能型全自動(dòng)化生物質(zhì)層燃?xì)饣癄t新工藝生產(chǎn)線示意圖

1.1 生物質(zhì)氣化爐外形創(chuàng)新與工作原理

由于生物質(zhì)的主要化學(xué)成分為碳（C），在727℃的環(huán)境下2C+O2=2CO，生成CO。在這一理論溫度時(shí)，是C的不完全燃燒的反應(yīng)。但實(shí)際生產(chǎn)中，CO2的還原反應(yīng)才是氣化爐的主要反應(yīng)：2C+CO2=2CO。布林阿爾查特和泰勒以及其他學(xué)者的研究成果說(shuō)明了對(duì)于生物質(zhì)燃料燃燒的氧化層受熱溫度，在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)生物質(zhì)自身鉀、鈉含量的高低來(lái)確定[2]。為了防止在爐內(nèi)結(jié)焦，其氧化層溫度只能控制在750～850℃（理論值）。同時(shí)由于生物質(zhì)含有大量的堿金屬（K、Na），也是氣化爐產(chǎn)氣的良好催化劑。因此，不同種類的生物質(zhì)氣化爐基本是相同的，只是根據(jù)不同的生物質(zhì)而設(shè)定出不同的燃燒溫度而已。同時(shí)，還必須設(shè)計(jì)爐內(nèi)的燃燒空間與還原區(qū)的還原空間。

生物質(zhì)氣化爐的外形，應(yīng)根據(jù)空氣流體力學(xué)的原理，采用花瓶式的外殼。圖2是生物質(zhì)氣化爐工作原理示意圖。可以看出，在氧化層中鼓風(fēng)機(jī)鼓入的助燃空氣，應(yīng)根據(jù)不同的海拔高度來(lái)選擇不同的鼓風(fēng)量與風(fēng)壓。當(dāng)生物質(zhì)燒著后，其火焰溫度應(yīng)在1 000℃左右。當(dāng)大量的CO2氣體進(jìn)入還原層時(shí)，其溫度應(yīng)控制在650～750℃進(jìn)行還原反應(yīng)。由于花瓶式的外殼，可燃?xì)鈴臄U(kuò)散區(qū)進(jìn)入花瓶式喉口區(qū)，這些可燃?xì)庥缮⒙蜖顟B(tài)改變成集中噴出，使燃?xì)猱a(chǎn)生的速度迅速提高。其燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)饽瘏^(qū)，也有利于加大燃?xì)獾哪c輸送強(qiáng)度，因此，這種花瓶外形結(jié)構(gòu)是全國(guó)首創(chuàng)。

圖2 生物質(zhì)氣化爐工作原理示意圖

1.2 高效型兩級(jí)除水、除油、除粉塵的渦旋型高溫分離器與自帶收集焦油型燃?xì)廨斔偷囊L(fēng)機(jī)

高效型兩級(jí)除水、除油、除粉塵的渦旋型高溫分離器（見(jiàn)圖3）與自帶收集焦油型燃?xì)廨斔鸵L(fēng)機(jī)（見(jiàn)圖4）的應(yīng)用，是氣化爐能得到成功應(yīng)用的關(guān)鍵。生物質(zhì)氣化爐在產(chǎn)氣過(guò)程中伴隨著大量的焦油、水與粉塵，比煉鐵高爐所產(chǎn)生的高爐煤氣或煉焦?fàn)t產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣要多得多。這些有害物占整個(gè)燃?xì)獾捏w積幾乎達(dá)到10%左右。從經(jīng)濟(jì)性與可操作性來(lái)比較，目前只能選用上述設(shè)備來(lái)達(dá)到燃?xì)獾某汀⒊?、除塵的目的。因此，對(duì)于生物質(zhì)氣化爐工藝流程生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，這兩種設(shè)備的選型與應(yīng)用太重要了。

圖4 新型除油、除水、除塵多功能燃?xì)鈨艋L(fēng)機(jī)示意圖

從圖3可以看出，生物質(zhì)燃?xì)獠捎梦氖瞎茉O(shè)計(jì)形式作為燃?xì)馊肟诠?，其燃?xì)庵械姆蹓m、焦油、水霧經(jīng)過(guò)喉管后，燃?xì)庵械姆蹓m，焦油，水霧經(jīng)氣流的壓縮、擴(kuò)張、凝結(jié)[3]，像滾雪球一樣形成小的顆粒狀，被分離器內(nèi)側(cè)設(shè)置的與氣流相向而行的擋板收集下來(lái)；當(dāng)氣流通過(guò)鵝卵石層時(shí)，燃?xì)饬髦胁糠值乃F、焦油與粉塵又被捕集下來(lái)，使得燃?xì)饬鞯玫竭M(jìn)一步凈化；燃?xì)庵刑右莸乃F、焦油與粉塵又被燃?xì)庵行墓艿纳稀⑾聯(lián)跛宀都聛?lái)，使得燃?xì)獾膬艋玫竭M(jìn)一步提高。采用渦旋型外殼的設(shè)計(jì)，燃?xì)饬髯枇ψ钚?，離心力最大，進(jìn)而氣流的旋轉(zhuǎn)力度最強(qiáng)，這樣十分有利于燃?xì)馑F、焦油與粉塵的收集。

圖3 新型除油、除水、除塵多功能渦旋型高溫分離器示意圖

本產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有出現(xiàn)與之一樣的結(jié)構(gòu)，應(yīng)屬首次創(chuàng)新。收集下來(lái)的泥渣經(jīng)雙層電動(dòng)閥門的聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)，可達(dá)到零泄漏的效果，因?yàn)橄略幹灰╋L(fēng)5%，其除塵效率就會(huì)大減30%。因此，下渣處的設(shè)計(jì)也十分重要。

同時(shí)，對(duì)于一般高溫分離器機(jī)殼的內(nèi)部，應(yīng)設(shè)置一定厚度的耐火材料來(lái)隔熱，而我們的這種設(shè)計(jì)可省掉大量的耐火材料，這是由于高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)文氏管時(shí)與高壓水霧凝結(jié)的降溫效果所致。

從圖1可知，生物質(zhì)燃?xì)馔ㄟ^(guò)第一級(jí)高溫分離器凈化后，在燃?xì)庵腥赃€存在不少水霧、焦油及粉塵，并沒(méi)有徹底凈化干凈，仍不能滿足生物質(zhì)燃?xì)馊紵囊?。因此，我們?cè)诔龎m器后布置了自帶收集焦油型燃?xì)廨斔鸵L(fēng)機(jī)。這種風(fēng)機(jī)采用特殊結(jié)構(gòu)，即風(fēng)機(jī)葉片采用直形葉片。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，直型葉片出風(fēng)力大，產(chǎn)生的離心力越大，葉片中心能夠出現(xiàn)極大的負(fù)壓區(qū)，唯一的缺陷是，該引風(fēng)機(jī)所需要的動(dòng)力比同類型號(hào)的風(fēng)機(jī)動(dòng)力要稍高一些。

在風(fēng)機(jī)外殼下部開(kāi)出一個(gè)長(zhǎng)方形的小孔，并設(shè)置與燃?xì)饬飨嘞蚍较虻膿醢?，在?qiáng)大離心力的作用下，比燃?xì)獾谋戎厣灾氐挠泻ξ镱w粒均拋向機(jī)殼的內(nèi)部，被相向方向的擋板所阻擋，流入風(fēng)機(jī)下方的集渣桶，以達(dá)到二級(jí)燃?xì)鈨艋哪康?。從而保證了生物質(zhì)燃?xì)忭樌M(jìn)入生物質(zhì)燃?xì)馊紵鳎瑵M足了受熱體燃燒的要求。

1.3 高效節(jié)能型低氮生物質(zhì)燃?xì)馊紵?/h3>
生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)過(guò)燃?xì)鈨艋?，仍比不上一般凈化的天然氣、石油液化氣、高爐煤氣或焦?fàn)t煤氣，其發(fā)熱值仍是一種低熱值的燃?xì)?，其發(fā)熱值一般在（0.3～0.51）×104kJ/m3，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生物質(zhì)燃?xì)?。這種低熱值燃?xì)馐遣荒苡酶邏弘娮哟蚧瘘c(diǎn)燃的，必須采用高熱值的明火引燃。
生物質(zhì)燃?xì)饧词故墙?jīng)歷了二級(jí)凈化，燃?xì)庵腥匀淮嬖诓簧匐s質(zhì)，其燃?xì)馔ǖ辣仨毑捎么笮偷闹毙型ǖ?，并采用液化氣點(diǎn)火，明火引燃生物質(zhì)燃?xì)?。根?jù)上述特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型低熱值低氮型燃?xì)馊紵鳎ㄒ?jiàn)圖5）。該新型生物質(zhì)燃?xì)馊紵髦饕幸韵碌膭?chuàng)新要點(diǎn)：
圖5 生物質(zhì)氣燃燒器燃燒原理示意圖
（1）生物質(zhì)燃?xì)獠捎么笸ǖ?/p>
由于大通道內(nèi)風(fēng)翅的作用，其燃?xì)庑纬扇跣⒃谕ǖ纼?nèi)擴(kuò)散錐的作用下，在噴口處形成了負(fù)壓區(qū)（低氧還原區(qū)），并形成向四周的擴(kuò)散式火焰，以便在二次風(fēng)葉輪作用下，形成強(qiáng)旋風(fēng)氣流，并在強(qiáng)弱風(fēng)的撞擊下達(dá)到非常均勻的混合。在此混合作用下，其總體出風(fēng)口的風(fēng)速可達(dá)30～35 m/s，在燃?xì)馊紵鞒隹诟浇纬晌慈嫉母咚贇饬鳎ㄒ簿褪俏覀兺ǔＫv的黑火頭），從而保護(hù)燃?xì)馊紵鞅倔w安全運(yùn)行，真正做到抗粉塵、抗油、抗水等，從而延長(zhǎng)了火焰在爐內(nèi)的停留時(shí)間，保證了生物質(zhì)燃?xì)獾娜急M率，也抑制了NOx的生成。
（2）循環(huán)煙氣再利用控制技術(shù)
當(dāng)生物質(zhì)燃?xì)獬浞秩紵龝r(shí)，與其供應(yīng)的助燃空氣產(chǎn)生激烈的熱化學(xué)反應(yīng)，空氣中的氧氣含量基本上消耗殆盡。其煙氣中的氧氣量也只有3%～6%，這種低氧煙氣在進(jìn)入燃燒系統(tǒng)后對(duì)于抑制NOx的生成帶來(lái)了極大的好處，是降低NOx的有效手段之一。
因此，循環(huán)煙氣分成兩種形式。一種是外循環(huán)煙氣進(jìn)入燃?xì)馊紵到y(tǒng)（如圖1），即從工業(yè)爐（鍋爐）爐后的引風(fēng)機(jī)出口處通過(guò)閥門與循環(huán)風(fēng)機(jī)按適當(dāng)比例進(jìn)入中央燃燒器的通風(fēng)道內(nèi)，生物質(zhì)氣在中央通道內(nèi)噴槍頭部的擴(kuò)散錐處形成低溫的還原區(qū)燃燒，從而抑制了NOx的生成；另一種是循環(huán)煙氣按比例進(jìn)入帶有強(qiáng)旋葉輪的風(fēng)道內(nèi)，與生物質(zhì)燃?xì)鈴?qiáng)烈地?fù)饺刖欤纬奢^強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)火焰。主要可適當(dāng)降低煙氣中的含氧量，也能抑制NOx的生成。
（3）空氣分級(jí)供應(yīng)控制技術(shù)
生物質(zhì)燃?xì)馐且环N低熱值的可燃?xì)?，其發(fā)熱值約為（0.3～0.51）×104kJ/m3。通常提供的助燃空氣量為1∶1～1∶1.5之間。在生產(chǎn)當(dāng)中，為了使燃?xì)馊紵油耆?，所采用的空氣總量最好分?jí)供應(yīng)。這樣可使燃燒火炬的內(nèi)外溫度一致，以減少NOx的產(chǎn)生。否則燃燒形成的大火，在火炬的內(nèi)部（即中心部）形成高溫區(qū)（＞1 350℃），必然會(huì)產(chǎn)生大量的NOx。
具體辦法是在兩個(gè)助燃空氣入口，均摻入不同比例的外循環(huán)煙氣（含氧量3%～6%），當(dāng)石油液化氣完成了點(diǎn)火任務(wù)后，其中心風(fēng)管不能關(guān)掉，繼續(xù)供風(fēng)。這時(shí)，外噴火焰柱即可形成中空火焰，其外循環(huán)煙氣與助燃空氣仍按一定的比例進(jìn)行供風(fēng)。中空火焰形成后，可使火焰中部與外部溫度一致，從而抑制了NOx的產(chǎn)生。
另一個(gè)助燃空氣入口通過(guò)風(fēng)輪會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高速旋轉(zhuǎn)氣流，與弱旋的生物質(zhì)燃?xì)庑纬山徊鎿饺?，從而帶?dòng)火焰高速旋轉(zhuǎn)，使空氣與生物質(zhì)燃?xì)獾幕旌细泳鶆?，以使火焰燃燒更加完全?/p>
（4）放散管的控制閥門與爐后的引風(fēng)機(jī)連鎖安全控制技術(shù)
一般來(lái)講，工業(yè)爐（鍋爐）的爐膛均采用負(fù)壓操作（特殊情況除外），這是由爐后引風(fēng)機(jī)來(lái)完成操作的。引風(fēng)機(jī)一旦壞了或失效，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)形成正壓操作。特別是爐膛，可能會(huì)帶來(lái)一系列的安全問(wèn)題，如爐膛爆炸、人身安全事故等。若及時(shí)打開(kāi)爐前的放散管閥門，讓可燃?xì)怏w向外排出，即可避免這一安全事故的發(fā)生。
（5）助燃空氣的加熱控制技術(shù)
對(duì)于工業(yè)鍋爐而言，助燃風(fēng)機(jī)一般設(shè)在燃?xì)馊紵髋浴＿@對(duì)于天然氣燃燒還可以，但由于生物質(zhì)燃?xì)馐且环N低熱值燃?xì)?，其發(fā)熱量為（700～1 200）×4.18 kJ/m3，是很難點(diǎn)著的，必須有其他燃?xì)猓缫夯蜌?、柴油、焦?fàn)t煤氣等加以點(diǎn)火助燃。因此，供風(fēng)溫度越高越好，特別是北方。
因此，其助燃空氣一般安裝在鍋爐后，空氣預(yù)熱器下方，將空氣加熱其助燃效果更好。加熱后的助燃空氣與生物質(zhì)燃?xì)饩旌?，可?jié)約燃?xì)庾钌僭?0%以上（與同類型的生物質(zhì)燃?xì)馊紵飨啾龋?/p>

2 高效節(jié)能型生物質(zhì)氣化爐新工藝設(shè)備選型設(shè)計(jì)的創(chuàng)新要點(diǎn)

（1）系列型抗油、抗水、抗粉塵高效節(jié)能低氮型生物質(zhì)燃?xì)夤に嚿a(chǎn)線。

（2）花瓶式生物質(zhì)層燃?xì)饣癄t外形結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)氣、凝結(jié)有害物，集中產(chǎn)生可燃?xì)饬鳎瑯O大減少氣流阻力，通暢無(wú)阻地進(jìn)入文氏管型的第一級(jí)除油、除水、除粉塵高溫分離器。

（3）采用文氏管預(yù)混型氣化爐爐下點(diǎn)火方式[4]。

（4）采用新式蝸殼型高溫固氣分離器，并將文氏管洗滌器應(yīng)用于進(jìn)氣口連接管，在高壓水霧的作用下使生物質(zhì)燃?xì)膺_(dá)到降溫的目的。省去原設(shè)計(jì)的在高溫旋風(fēng)收塵器內(nèi)為隔熱設(shè)置的耐火高溫澆注料，減輕了重量，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

（5）采用新式的固氣分離器替代老式的旋風(fēng)收塵器，新式的固氣分離器內(nèi)設(shè)置了垂直于內(nèi)壁并與燃?xì)鈿饬飨嘞蛞欢ń嵌鹊膿醢?。垂直于?nèi)壁的擋板均勻布置，這樣有利于更加快捷收集燃?xì)庵械乃F、焦油與粉塵。并在筒內(nèi)的下部設(shè)置氣流凝集區(qū)，這樣有助于灰、油、水加速凝聚，有助于除去燃?xì)庵械挠泻ξ?，提高了除塵效率。

（6）下灰除渣進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)置二次相互連鎖的電動(dòng)閥門，有助于除渣并嚴(yán)防漏風(fēng)。

（7）第二級(jí)除油、除水、除粉塵中的引風(fēng)機(jī)采用了新型的直型葉片，這種葉片在高速回轉(zhuǎn)情況下，產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，并在葉片中部產(chǎn)生強(qiáng)而有力的負(fù)壓區(qū)，使燃?xì)庵械挠泻ξ飹佅蛩闹埽敝溜L(fēng)機(jī)機(jī)殼的內(nèi)側(cè)處。

（8）在風(fēng)機(jī)底部設(shè)置有除油、除水、除塵的長(zhǎng)方形小孔，與燃?xì)鈿饬飨嘞蛱幵O(shè)置的擋板能讓燃?xì)庵械挠泻ξ镔|(zhì)順著擋板流進(jìn)小孔下方的灰渣小桶，并通過(guò)閥門定期加以清除。

（9）當(dāng)生物質(zhì)燃?xì)馔ㄟ^(guò)相關(guān)燃?xì)忾y門組進(jìn)入燃?xì)馊紵鹘M織燃燒供熱時(shí)，應(yīng)國(guó)家環(huán)保要求設(shè)計(jì)成一種抗油、抗水、抗粉塵系列型全自動(dòng)化生物質(zhì)燃?xì)獾偷腿紵鳌?/p>

3 結(jié)語(yǔ)