10.8 MW農(nóng)林廢棄物循環(huán)流化床氣化裝置 性能試驗研究

劉三舉，朱德敖，王勤輝，陳 超，楊 濤，解桂林

（1.湖北華電襄陽發(fā)電有限公司，湖北 襄陽 441000； 2.浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

在碳達峰碳中和的大背景下，生物質作為一種零碳可再生能源，其能源化利用日益受到關注。我國農(nóng)林廢棄物類生物質資源開發(fā)潛力巨大[1-3]，但目前能源利用率嚴重不足[4-5]，大量丟棄和露天焚燒對環(huán)境造成嚴重污染，亟需能夠大量處理的能源利用技術。

生物質氣化技術是一種趨于成熟且應用廣泛的高效能源利用技術，其能夠將生物質轉變成多種燃料。生物質氣化技術按氣化裝置的不同可分為固定床氣化、流化床氣化以及氣流床氣化[6-7]。由于循環(huán)流化床氣化具有原料適應性強、氣固接觸好及氣化效率高的特點，適用于大規(guī)模應用等優(yōu)勢[8-10]，故日益受到重視。

在模擬研究方面，Xi等人[11]開發(fā)了一個CFD框架來評估循環(huán)流化床氣化爐的流體力學性能和熱轉換可行性，經(jīng)與實驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)框架與實驗數(shù)據(jù)符合較好；Miao等人[12]建立了一個一維綜合穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型對生物質循環(huán)流化床穩(wěn)態(tài)運行下的氣化性能進行了預測，結果發(fā)現(xiàn)仿真結果與已發(fā)表數(shù)據(jù)吻合良好；Kartal等人[13]利用Aspen Plus軟件和深度學習方法構建了一個可預測任一種生物質氣化后合成氣低位熱值的神經(jīng)網(wǎng)絡模型；G. Mirmoshtaghi等人[14]依據(jù)生物質循環(huán)流化床氣化的 運行數(shù)據(jù)利用多元分析工具給出了輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)間的相關性，并基于遺傳算法對不同目標氣體產(chǎn)品質量的輸入?yún)?shù)進行了優(yōu)化。在實驗研究方面，F(xiàn)an等人[15]以單一稻殼為原料在工業(yè)循環(huán)流化床氣化爐中開展了不同溫度和氣化爐負荷對氣化性能的影響研究，結果表明在814 ℃時氣化效率最高，在30 MW負荷時氣化狀態(tài)最佳。高峰等[16]在1 MW循環(huán)流化床試驗臺上對成型棉花桿顆粒的氣化特性進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)氣化狀態(tài)良好且焦油產(chǎn)率較少；Mallick等人[17]以木屑、稻殼和竹粉及這3種生物質的二元混合物為原料，在不同當量比和溫度下對50 kW循環(huán)流化床氣化性能進行實驗研究，結果表明混合生物質的協(xié)同效應有助于提高氣化性能。

目前在大型生物質循環(huán)流化床氣化爐中進行 非成型農(nóng)林廢棄物混合氣化試驗研究極少。某 10.8 MW生物質氣化耦合燃煤發(fā)電廠在全國首次實現(xiàn)不同比例非成型農(nóng)林廢棄物混合氣化，本文對該電廠不同氣化溫度下的混合農(nóng)林廢棄物生物質循環(huán)流化床氣化性能進行了試驗研究，為混合生物質燃料下的工業(yè)運行優(yōu)化提供相應的參考依據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)及方法

1.1 試驗系統(tǒng)

該農(nóng)林廢棄物類生物質氣化耦合燃煤發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，2種生物質由2個平行皮帶送入爐前給料裝置并通過螺旋給料送入循環(huán)流化床氣化爐內(nèi)氣化，氣化后的高溫燃氣依次通過旋風分離器和旋風除塵器進行氣固分離，除塵后的高溫燃氣經(jīng)燃氣冷卻裝置冷卻至430 ℃左右再通過燃氣風機直接送入鍋爐燃燒，以替代部分煤并依托原有煤電大機組進行高效發(fā)電[18]。

氣化爐農(nóng)林廢棄物設計處理量為8 t/h，最大處理量為10 t/h；燃煤鍋爐為上海鍋爐廠有限公司制造的超臨界640 MW變壓運行、一次中間再熱、螺旋管圈直流鍋爐、四角切圓燃燒方式、固態(tài)排渣鍋爐[19]。

1.2 試驗原料及床料

試驗所采用的2種生物質原料分別為稻殼和林業(yè)廢棄物，其中林業(yè)廢棄物是林業(yè)加工的廢料，包括樹皮、樹葉和木屑等，2種生物質原料的成分分析見表1，床料為粒徑不大于1 mm的河沙。

表1 生物質原料成分分析 Tab.1 Component analysis of biomass materials

1.3 試驗方法及步驟

1）通過2個平行輸送皮帶分別將等給料量的稻殼和林業(yè)廢棄物送入循環(huán)流化床氣化爐內(nèi)，并在額定負荷下分別將氣化爐的氣化溫度調(diào)至指定溫度，同時將鍋爐負荷維持在400 MW左右，待其穩(wěn)定即可開始取樣。

2）焦油和飛灰取樣位置在燃氣風機后的主燃氣管道上，取樣裝置如圖2所示。取樣系統(tǒng)采樣點溫度在430 ℃左右，吸收瓶3、7和8中裝有至瓶半高處的6 mm玻璃球和40 mL二氯甲烷溶液，吸收瓶4、5和6中裝有70 mL二氯甲烷溶液，取樣過程持續(xù)20 min，每個氣化溫度工況分別取2個樣，為保證焦油的完整性和數(shù)據(jù)的正確性，取樣結束后，取樣管和各連接處硅膠管也用二氯甲烷進行清洗。

3）在焦油取樣前、后及取樣間隙利用取樣裝置在原料輸送皮帶上進行生物質原料取樣，在二級旋風分離器下的水冷螺旋冷灰器中進行飛灰取樣，取樣后的生物質原料進行工業(yè)分析、元素分析和熱值分析，取樣后的飛灰進行含碳量分析。

4）燃氣成分和熱值分別由Danalyzer 700XA型熱值分析儀和Gasboard-3100型在線紅外煤氣分 析儀進行檢測，燃氣流量由德爾塔巴流量計在線測量[18]，每個工況的燃氣成分、熱值、溫度和流量及一次風、返料風和流化風溫度、流量等機組表盤數(shù)據(jù)均在DCS上進行調(diào)取后做進一步分析。

1.4 性能指標計算

試驗結束后，根據(jù)試驗測試與化驗分析結果計算生物質氣化裝置有關性能指標，計算方法如下：

1）給料量計算為驗證下料階段內(nèi)稱量倉質量變化所求取的給料量，本次給料量計算采用正反平衡法。在獲取試驗期間DCS數(shù)據(jù)及燃料、灰分等分析數(shù)據(jù)后，根據(jù)生物質灰平衡（給料量×燃料灰含量=飛灰量+外排灰量）和能量平衡（給料量×生物質低位熱值+進入系統(tǒng)邊界的熱量=干燃氣顯熱+水 蒸氣顯熱+干燃氣低位熱值×干燃氣流量+焦油所含熱量+含碳飛灰所含熱量+含碳外排灰所含熱量+散熱量2%）迭代計算出給料量，計算有效性由分別計算出的熱效率對比確定。

2）產(chǎn)氣率產(chǎn)氣率指單位質量的生物質原料氣化后所產(chǎn)生的燃氣在標準狀態(tài)下的體積。

3）燃氣熱值燃氣熱值指單位體積燃氣所包含的化學能，可根據(jù)燃氣中可燃組分低位熱值計算求取，燃氣低位熱值計算公式如下：

式中：Qrd為濕燃氣低位發(fā)熱量，kJ/m3；Xj為濕燃氣中可燃組分j（H2、CO、CH4、CnHm）的體積分數(shù)，%；qjd為組分j的氣體低位發(fā)熱量，kJ/m3。

4）濕燃氣物理顯熱濕燃氣物理顯熱為濕燃氣中的干燃氣組份顯熱與水蒸氣組分顯熱之和。

式中：Qrx為濕燃氣物理顯熱，kJ/m3；T為燃氣溫度，℃；Xj為濕燃氣中組分j（H2、CO、CH4、CnHm、O2、N2等）的體積分數(shù)，%；Cjt為濕燃氣中組分j（H2、CO、CH4、CnHm、O2、N2等）在燃氣溫度狀態(tài)下的定壓比熱，kJ/m3。

5）氣化效率氣化效率指單位時間內(nèi)生物質氣化裝置產(chǎn)生燃氣中所包含的化學能與焦油所含熱量之和與相同時間內(nèi)加入燃料所包含的熱量之比，計算公式如下：

式中：ηq為生物質氣化裝置氣化效率，%；V0為濕燃氣體流量，m3/h；Qrd為濕燃氣低位發(fā)熱量，kJ/m3；Qjy為濕燃氣中焦油熱，kJ/h；Qwd為生物質燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg；Gd為生物質燃料消耗量，kg/h。

6）氣化熱效率氣化熱效率指單位時間內(nèi)氣化裝置產(chǎn)生氣體燃料及氣化氣中飛灰所包含的熱量占輸入熱量的百分比，計算公式如下：

式中：ηr為生物質氣化裝置熱效率，%；V0為濕燃氣體流量，m3/h；Qrd為濕燃氣低位發(fā)熱量，kJ/m3；Qrx為濕燃氣物理顯熱，kJ/h；Qfh為濕燃氣中飛灰所含熱量，kJ/h；Qxb為進入系統(tǒng)邊界熱量，kJ/h；Qwd為生物質燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg；Gd為生物質燃料消耗量，kg/h；Qsrx為生物質燃料物理顯熱，kJ/h。

2 試驗結果與討論

2.1 碳平衡計算

為驗證試驗的準確性，對試驗結果進行碳平衡計算，具體見表2。由表2可知，生物質總碳輸入質量與氣化氣、生物炭、飛灰及焦油中所含碳質量間的誤差在5%以內(nèi)，故試驗測量結果可信。

表2 碳平衡計算 Tab.2 The carbon balance calculation

2.2 氣化氣成分、熱值及產(chǎn)氣率

不同溫度下混合農(nóng)林廢棄物類生物質氣化氣成分、熱值及產(chǎn)氣率的變化規(guī)律如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可見，當在額定負荷，50%稻殼-50%林業(yè)廢棄物為燃料時，CO體積分數(shù)隨溫度升高先升后降，在725 ℃時達到最大值，后隨溫度升高而降低，CO2體積分數(shù)隨溫度升高無明顯變化，這與陳雨佳等[20]提出的變溫度空氣氣化秸稈的變化規(guī)律一致。其原因可解釋為：由于CO主要來源于放熱反應2C+O2→2CO，溫度的升高使反應平衡左移，CO生成受阻，同時隨著溫度的上升，還原反應C+CO2→2CO反應速率加大，促使CO體積分數(shù)升高，在這2個反應的作用下，最終使反應后的CO體積分數(shù)隨溫度呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律；而對于CO2，一方面由于燃燒反應C+O2→CO2、2CnHm+(2n+m/2)O2→2nCO2+mH2O 及CH4+2O2→ CO2+2H2O隨著溫度的上升，其反應速率增加使CO2不斷升高，而另一方面當溫度繼續(xù)上升，還原反應C+CO2→2CO的反應速率也不斷增加，使CO2不斷減少，2種作用下CO2體積分數(shù)無明顯變化。

烴類CnHm體積分數(shù)隨溫度上升而先升后降，一方面是烴類CnHm主要來自原料的熱解，當溫度升高時，其體積分數(shù)有一定上升，另一方面當溫度繼續(xù)升高，二次分解反應的反應速率加大，在還原階段與氧化階段產(chǎn)生的H2O發(fā)生的蒸汽重整反應CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2的反應速率也會增大，故后續(xù)體積分數(shù)有所下降。CH4隨溫度的變化規(guī)律與烴類CnHm一樣，其原因也相似，一方面原料熱解和烴類的分解會產(chǎn)生甲烷，其產(chǎn)生速率隨溫度上升而不斷增加，另一方面蒸汽重整反應CH4+H2O→CO+3H2及CH4+2H2O→CO2+4H2隨溫度上升而加快且使反應平衡向左移動，所以在2方面效應的抗衡作用下，甲烷體積分數(shù)隨溫度上升出現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律。由于可燃氣體均呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，故氮氣體積分數(shù)先減后增。

對于熱值，由于可燃氣體先增后減，故濕燃氣低位熱值隨溫度升高也呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，在725 ℃時，濕燃氣低溫熱值達4.40 MJ/m3，對于產(chǎn)氣率，隨溫度的升高，呈現(xiàn)先降后增的變化規(guī)律。

2.3 氣化燃氣中焦油含量

不同氣化溫度下混合農(nóng)林廢棄物類生物質氣化燃氣中焦油質量濃度的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可見，隨著氣化溫度的上升，氣化燃氣中焦油含量有微小上升但變化不明顯，且在725～750 ℃溫度區(qū)段的增加速率稍大于700～725 ℃溫度區(qū)段的增加速率。對于單種生物質氣化氣中焦油，其主要來源于原料的熱解，故在溫度較低時，焦油質量濃度隨溫度的升高不斷上升，但當溫度升至一定程度，焦油會發(fā)生二次裂解，溫度繼續(xù)上升焦油質量濃度會不斷下降，故在這2種效應的相互作用下，一般焦油質量濃度在大范圍溫度域內(nèi)會隨溫度升高呈現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律[21-25]。推測混合農(nóng)林廢棄物類生物質氣化氣中焦油質量濃度發(fā)生上述變化規(guī)律的原因是，一方面稻殼氣化產(chǎn)生的焦油下降的溫度轉折點低，故稻殼氣化產(chǎn)生的焦油質量濃度在700～750 ℃溫度區(qū)段內(nèi)隨溫度升高而不斷下降，但下降不明顯；另一方面當溫度在725～750 ℃區(qū)間時，林業(yè)廢棄物氣化反應不充分，熱解占主導，焦油增率大。在這2種作用的驅動下，725～750 ℃溫度區(qū)段氣化氣中焦油質量濃度的增加速率要大于700～725 ℃溫度區(qū)段。

2.4 氣化效率及熱效率

不同氣化溫度下混合農(nóng)林廢棄物類生物質氣化裝置氣化效率和熱效率的變化規(guī)律如圖6、圖7所示。由圖6可知，隨著氣化溫度不斷升高，氣化效率也不斷升高，在溫度為750 ℃時氣化效率達到70.16%，推測原因是溫度的升高促使氣化反應速率不斷增大，故使氣化效率隨溫度上升而不斷增加，氣化熱效率采用正反平衡對比計算驗證，經(jīng)驗證，2種方法計算的誤差幾乎為零，故熱效率計算數(shù)據(jù)有效。由圖7可知，當氣化溫度從700 ℃升高至750 ℃時，氣化裝置熱效率變化規(guī)律和氣化效率相似，均隨溫度升高而不斷上升，在溫度為750 ℃時氣化裝置熱效率可達到89.16%，推測原因和氣化效率類似。

3 結 論

該大型農(nóng)林廢棄物循環(huán)流化床氣化裝置在額定負荷，以50%稻殼-50%林業(yè)廢棄物為原料時可穩(wěn)定安全運行，其性能試驗研究主要結論如下：

1）當氣化溫度從700 ℃升至750 ℃時，混合生物質氣化氣中的CO、CH4、CnHm和CO2體積分數(shù)都先增加后減小，H2體積分數(shù)顯微下降，產(chǎn)氣率先減小后增加，氣化氣熱值先增加后減小。

2）當氣化溫度從700 ℃升至750 ℃時，混合生物質氣化氣中的焦油質量濃度有微小增加但變化不明顯。

3）當氣化溫度從700 ℃升至750 ℃時，混合生物質氣化效率和氣化熱效率不斷增加，在溫度為750 ℃時，氣化效率達到70.16%，熱效率達到89.16%。