摘 要：介紹了菌草生物質(zhì)燃料特性和氣化原理，并根據(jù)其燃燒特性開發(fā)了一種新型的菌草生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的燃燒。

　　0前言

　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，全世界對能源的需求日益增加，據(jù)國際能源署(IEA)2012年世界能源展望從現(xiàn)在到2035年全球能源需求將增長1/3以上，其中，60％的需求增長來自中國、印度和中東地區(qū)。世界能源特別是我國能源在可見的未來將更加緊缺，石油、煤、電價格將持續(xù)上升，尋求替代傳統(tǒng)能源迫在眉睫，因此各國普遍需要開發(fā)和利用可再生能源，其中如何利用生物質(zhì)能源受到極大重視。而由我院承擔(dān)的國家質(zhì)監(jiān)總局科技項目“生物質(zhì)燃料應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的研究和推廣”，就是利用一種產(chǎn)量很高的多年生草本植物巨菌草壓制的顆粒燃料氣化產(chǎn)生生物質(zhì)燃氣應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的燃燒，該項目研究成果的應(yīng)用將有利用城市燃油氣工業(yè)鍋爐節(jié)能改造，對于增加我國的能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保護環(huán)境，促進經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展具有很大的現(xiàn)實意義。

　　1菌草生物質(zhì)燃料特點

　　菌草生物質(zhì)燃料與木屑、秸稈等生物質(zhì)燃料相比，其物理及化學(xué)成分與秸稈類生物質(zhì)相似。其顆粒燃料的燃料特性如表1所示。

　　從表1中可看成其主要特性是：高揮發(fā)份、低灰分、低硫、熱值較低(一般只為常用燃煤的80％左右)，容易著火，燃點低，燃燒溫度低，其化學(xué)成分中草木灰含堿金屬較大，容易結(jié)焦和發(fā)生堿腐蝕。

　　生物質(zhì)燃料工業(yè)鍋爐燃燒應(yīng)用主要采用直燃和氣化燃燒兩種方法。采取鍋爐直接燃燒容易產(chǎn)生黑煙及在受熱面上沉積焦油，其燃燒迅速，難以合理配風(fēng)，燃燒溫度較難控制，且需要的爐膛容積較大，容易結(jié)焦，不易壓火，因此采用直燃燃燒方式難以組織穩(wěn)定燃燒，而且燃燒效率較低，不利于實現(xiàn)生物質(zhì)燃料的高效利用。

　　而利用生物質(zhì)氣化技術(shù)和裝備，使菌草生物質(zhì)顆粒燃料氣化后以氣態(tài)的方式送入鍋爐燃燒，是目前生物質(zhì)燃料高效清潔燃燒最有效的方法之一。但氣化燃燒應(yīng)用也存在其缺點：在生物質(zhì)氣化過程中會產(chǎn)生大量焦油，通常焦油中的能量一般占生物質(zhì)燃氣總能量的5-15％，其在低溫下難以與可燃氣一道被燃燒利用，降低了生物質(zhì)燃料的氣化效率。更重要的是由于焦油是一種復(fù)雜的可凝結(jié)烴類物質(zhì)的混合，其在低溫下凝結(jié)成液體，容易和水、炭粒等結(jié)合在一起，堵塞輸氣管道和閥門、腐蝕金屬，同時焦油燃燒時產(chǎn)生炭黑等顆粒對鍋爐設(shè)備損害相當(dāng)嚴(yán)重，且焦油及其燃燒后產(chǎn)生的氣味對人體也是有害的，因此在生物質(zhì)氣化燃燒過程中必須解決焦油裂解的問題，同時還應(yīng)對氣化燃氣的輸送和燃燒安全加以考慮。

　　2生物質(zhì)氣化反應(yīng)機理

　　生物質(zhì)氣化是以生物質(zhì)顆粒為原料，以氧氣(主要是空氣)、水蒸氣為氣化劑，在高溫條件下通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)中可燃的部分轉(zhuǎn)換為可燃氣體的過程。生物質(zhì)氣化時產(chǎn)生的氣體，主要燃燒成分為CO、H₂、CH₄和部分烴類等，稱為生物質(zhì)燃氣。氣化和燃燒過程是密不可分的，燃燒是氣化的基礎(chǔ)，氣化是部分燃燒或缺氧燃燒。固體燃料中碳的燃燒為氣化過程提供了能量，氣化反應(yīng)其它過程的進行取決于碳燃燒階段的放熱狀況。實際上，氣化是為了增加可燃氣體的產(chǎn)量而在高溫狀態(tài)下發(fā)生的熱解過程。

　　生物質(zhì)氣化反應(yīng)包含氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、熱裂解反應(yīng)和燃料的干燥等四個過程，而生物質(zhì)氣化的主要反應(yīng)發(fā)生在氧化層和還原層，因此稱氧化層和還原層為氣化層。在實際氣化過程中上述四個區(qū)域是沒有明顯邊界，是相互滲透和交錯的。

　　3菌草生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)的開發(fā)

　　3.1菌草生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)流程

　　針對生物質(zhì)顆粒燃料的生物特性和燃燒特點，我院技術(shù)人員開發(fā)出一種新型生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)，使其能很好地應(yīng)用于工業(yè)鍋爐燃燒，該系統(tǒng)包括生物質(zhì)燃料顆粒的制氣、輸送和燃燒應(yīng)用的整個過程。系統(tǒng)主要設(shè)備有固定床氣化爐、下料裝置、氣化爐配套鼓風(fēng)機、燃氣輸送管道、鍋爐燃燒機及其點火和火焰檢測器、燃燒器配套鼓風(fēng)機、水封裝置、CO檢測儀和燃氣放散管、點火和小槍管路、自動控制裝置等。本系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)運行過程如下：菌草生物質(zhì)顆粒燃料通過料斗進入氣化爐(氣化爐內(nèi)設(shè)有料位檢測裝置，實現(xiàn)給料自動控制)，氣化爐點火，開動鼓風(fēng)機，菌草生物質(zhì)燃氣產(chǎn)生，鼓風(fēng)機變頻控制產(chǎn)氣量。產(chǎn)生的燃氣經(jīng)CO分析儀檢測，成分比例符合要求后沿管道經(jīng)水封控制閥后由燃燒器點火噴入鍋爐燃燒。

　　3.2固定床氣化爐

　　生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)中難度最大的是配套容量相當(dāng)于2t/h工業(yè)鍋爐使用的生物質(zhì)固定床氣化爐的設(shè)計，而本技術(shù)所開發(fā)的氣化爐在遵循一般氣化原理的基礎(chǔ)上，獨立設(shè)計出了獨特的、圓形爐體、復(fù)合式內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進一步發(fā)展了焦油裂解技術(shù)。

　　氣化爐爐體復(fù)合式內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：三段式、雙爐篦、兩級供風(fēng)下出氣結(jié)構(gòu)。氣化爐的頂部安裝有鐘罩式雙重鎖氣加料裝置，生物質(zhì)燃料由此進入。爐體中部設(shè)有密封點火門，燃料在此處點燃，點火后該門關(guān)閉。爐壁上部和中部均設(shè)有進氣管，燃燒所需要的空氣由此處吹入爐內(nèi)，由鼓風(fēng)機統(tǒng)一從爐體中部進風(fēng)管供風(fēng)，其配風(fēng)比例約為3：2。爐體設(shè)有內(nèi)爐壁和外爐壁，內(nèi)爐壁內(nèi)襯耐火混凝土，內(nèi)爐壁和外爐壁之間形成夾套，為提高生物質(zhì)產(chǎn)氣率，在夾套內(nèi)布置有蒸汽排放管，通過與爐外的蒸汽發(fā)生器連接引入蒸汽供氣化反應(yīng)需要。在爐體下部的兩爐篦中間的爐壁上布置有燃氣出氣口，氣化生產(chǎn)的生物質(zhì)燃氣由此口噴出。爐體的下部還設(shè)有除灰裝置，經(jīng)氣化反應(yīng)后的灰渣落到爐底，由此處排出。

　　3.3燃氣的焦油裂解

　　如前所述生物質(zhì)氣化過程中產(chǎn)生的焦油具有相當(dāng)大的危害性，因此在可燃氣燃燒使用前，必須盡量降低其焦油含量。國內(nèi)外主要沿用爐外凈化處理、焦油催化裂解室、生物質(zhì)氣化爐鎳基催化劑這樣的二次法工藝路線去除焦油，雖然其效果較好，但其工業(yè)路線、設(shè)備復(fù)雜，投資成本高，并不利用工業(yè)鍋爐節(jié)能改造應(yīng)用。有關(guān)焦油催化裂解的研究表明，含焦油氣體在800℃木炭的催化作用下，接觸時問0.5s時，轉(zhuǎn)換率達到91％，而在900℃時，轉(zhuǎn)化率則達到99.5％。由此可見高溫焦炭對焦油催化裂解作用是比較明顯的。因此本系統(tǒng)氣化爐采用下出氣，爐內(nèi)一體式焦油催化裂解技術(shù)，利用下出氣結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使熱裂解區(qū)分離出來的富含焦油的熱解氣在通過熾熱炭層為主的還原區(qū)時，氣體中的焦油被高溫焦炭催化裂解，在爐體內(nèi)基本完成焦油的分解，提高氣化率。同時我們還在氣化爐中部還原區(qū)增加一個空氣進口，采用兩級式供氣技術(shù)，優(yōu)化氣化爐內(nèi)部的溫度分布，使還原區(qū)的溫度提高到了1000℃以上，進一步提高了焦炭的催化裂解能力。賴艷華等的研究證實在相同的氣化強度下，采用兩級供風(fēng)技術(shù)的氣化爐的燃氣焦油含量約為一級供風(fēng)焦油含量的1/10，明顯低于一級供風(fēng)時燃氣的焦油含量。在實際應(yīng)用中通過以上優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)的措施可使燃氣中的焦油含量下降到10mg/m³。

　　3.4燃燒器

　　生物質(zhì)燃氣是一種特殊的燃氣，其熱值較低(低位發(fā)熱量為4600~6560kJ/m³)，比重大，含有一定量的氧氣，可燃成分少，因而要達到相同熱負荷時，生物質(zhì)燃料體積消耗大，火焰溫度低，單位容積熱負荷強度低，火焰穩(wěn)定性差，因此傳統(tǒng)的燃氣燃燒機并不適應(yīng)于生物質(zhì)燃氣燃燒。根據(jù)生物質(zhì)燃氣的燃燒特性，我院白行設(shè)計了適合其燃燒的生物質(zhì)低熱值氣化氣體燃燒器(燃氣量為1000m³/h)，采用預(yù)混式旋流擴散燃燒技術(shù)，即燃氣與空氣在燃燒前進行全部預(yù)混，其空氣系數(shù)α1≥1。該燃燒技術(shù)具有燃燒完全，化學(xué)不完全燃燒損失小，過剩空氣少，用于工業(yè)鍋爐直接加熱時不會引起過分氧化，燃燒溫度高，容易滿足高溫工藝要求等優(yōu)點，特別適用于低熱值燃氣的燃燒。同時本燃燒機還采用小槍點火技術(shù)，具備自動點火程序控制功能和火焰監(jiān)測及熄火連鎖保護功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動點火和燃燒安全控制。

　　3.5燃氣管道

　　本系統(tǒng)燃氣管道主要有三條；氣化爐到燃燒機之間的主燃氣管道，氣化爐燃氣出口的放散管管道和燃燒器點火小槍管道 主燃氣管道設(shè)有快速切斷閥門和CO檢測儀，可實現(xiàn)在線檢測CO濃度，在燃氣CO濃度不符合要求和燃燒器意外停止工作時，自動打開放散管閥門，關(guān)閉主燃氣管道上的快速切斷閥門，燃氣自動放空，保證氣化系統(tǒng)運行安全。同時燃氣管道邊上設(shè)有可燃氣體檢測器進行在線檢測，當(dāng)燃氣泄露時可在3s內(nèi)自動關(guān)閉主燃氣管道上的快速切斷閥門，保證了系統(tǒng)的燃氣輸送安全。

　　4結(jié)論

　　“生物質(zhì)燃料應(yīng)用于工業(yè)鍋爐的研究和推廣”科技項目所開發(fā)應(yīng)用的菌草生物質(zhì)固定床氣化燃燒系統(tǒng)開拓性地解決了國內(nèi)生物質(zhì)氣化燃燒中溫度場布置不合理、氣密性差、焦油含量多、煤氣輸送易燃易爆和燃燒不完全等問題，其不僅適用于燃菌草生物質(zhì)顆粒，其它農(nóng)、林業(yè)的廢棄物等生物質(zhì)燃料也可運用于鍋爐燃燒。通過該項目成果的應(yīng)用可形成系列產(chǎn)品，適用于不同容量燃油氣工業(yè)鍋爐的節(jié)能改造，企業(yè)采用其代替燃油鍋爐，不但節(jié)省了國家寶貴的石油資源消耗，同時其熱值相當(dāng)于柴油的40％，可降低燃油成本1/3。而且其減排效益顯著，研究表明生物質(zhì)氣化應(yīng)用于鍋爐燃燒可減少CO₂排放量94％以上，同時由于菌草含硫量低、灰渣量很少，煙塵及SO2的排放量均較燃煤減少90％以上?？梢姡擁椖康拈_發(fā)應(yīng)用符合我國的大政方政，可減少我國對化石能源的依賴，促進循環(huán)經(jīng)濟，保持經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，具有良好的經(jīng)濟和環(huán)保效益。