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陳飛
(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建福州350008)
摘 要：介紹了菌草生物質燃料特性和氣化原理，并根據其燃燒特性開發了一種新型的菌草生物質固定床氣化燃燒系統應用于工業鍋爐的燃燒。
0前言
隨著社會經濟的發展，全世界對能源的需求日益增加，據國際能源署(IEA)2012年世界能源展望從現在到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。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、電價格將持續上升，尋求替代傳統能源迫在眉睫，因此各國普遍需要開發和利用可再生能源，其中如何利用生物質能源受到極大重視。而由我院承擔的國家質監總局科技項目“生物質燃料應用于工業鍋爐的研究和推廣”，就是利用一種產量很高的多年生草本植物巨菌草壓制的顆粒燃料氣化產生生物質燃氣應用于工業鍋爐的燃燒，該項目研究成果的應用將有利用城市燃油氣工業鍋爐節能改造，對于增加我國的能源供應，改善能源結構，保護環境，促進經濟和社會的可持續發展具有很大的現實意義。
1菌草生物質燃料特點
菌草生物質燃料與木屑、秸稈等生物質燃料相比，其物理及化學成分與秸稈類生物質相似。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，其化學成分中草木灰含堿金屬較大，容易結焦和發生堿腐蝕。
生物質燃料工業鍋爐燃燒應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生黑煙及在受熱面上沉積焦油，其燃燒迅速，難以合理配風，燃燒溫度較難控制，且需要的爐膛容積較大，容易結焦，不易壓火，因此采用直燃燃燒方式難以組織穩定燃燒，而且燃燒效率較低，不利于實現生物質燃料的高效利用。
而利用生物質氣化技術和裝備，使菌草生物質顆粒燃料氣化后以氣態的方式送入鍋爐燃燒，是目前生物質燃料高效清潔燃燒最有效的方法之一。但氣化燃燒應用也存在其缺點：在生物質氣化過程中會產生大量焦油，通常焦油中的能量一般占生物質燃氣總能量的5-15％，其在低溫下難以與可燃氣一道被燃燒利用，降低了生物質燃料的氣化效率。更重要的是由于焦油是一種復雜的可凝結烴類物質的混合，其在低溫下凝結成液體，容易和水、炭粒等結合在一起，堵塞輸氣管道和閥門、腐蝕金屬，同時焦油燃燒時產生炭黑等顆粒對鍋爐設備損害相當嚴重，且焦油及其燃燒后產生的氣味對人體也是有害的，因此在生物質氣化燃燒過程中必須解決焦油裂解的問題，同時還應對氣化燃氣的輸送和燃燒安全加以考慮。
2生物質氣化反應機理
生物質氣化是以生物質顆粒為原料，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反應將生物質中可燃的部分轉換為可燃氣體的過程。生物質氣化時產生的氣體，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。固體燃料中碳的燃燒為氣化過程提供了能量，氣化反應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量而在高溫狀態下發生的熱解過程。
生物質氣化反應包含氧化反應、還原反應、熱裂解反應和燃料的干燥等四個過程，而生物質氣化的主要反應發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域是沒有明顯邊界，是相互滲透和交錯的。
3菌草生物質固定床氣化燃燒系統的開發
3.1菌草生物質固定床氣化燃燒系統流程
針對生物質顆粒燃料的生物特性和燃燒特點，我院技術人員開發出一種新型生物質固定床氣化燃燒系統，使其能很好地應用于工業鍋爐燃燒，該系統包括生物質燃料顆粒的制氣、輸送和燃燒應用的整個過程。系統主要設備有固定床氣化爐、下料裝置、氣化爐配套鼓風機、燃氣輸送管道、鍋爐燃燒機及其點火和火焰檢測器、燃燒器配套鼓風機、水封裝置、CO檢測儀和燃氣放散管、點火和小***管路、自動控制裝置等。本系統流程圖如圖1所示。
系統運行過程如下：菌草生物質顆粒燃料通過料斗進入氣化爐(氣化爐內設有料位檢測裝置，實現給料自動控制)，氣化爐點火，開動鼓風機，菌草生物質燃氣產生，鼓風機變頻控制產氣量。產生的燃氣經CO分析儀檢測，成分比例符合要求后沿管道經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
生物質固定床氣化燃燒系統中難度最大的是配套容量相當于2t/h工業鍋爐使用的生物質固定床氣化爐的設計，而本技術所開發的氣化爐在遵循一般氣化原理的基礎上，獨立設計出了獨特的、圓形爐體、復合式內部結構，進一步發展了焦油裂解技術。
氣化爐爐體復合式內部結構主要包括：三段式、雙爐篦、兩級供風下出氣結構。氣化爐的頂部安裝有鐘罩式雙重鎖氣加料裝置，生物質燃料由此進入。爐體中部設有密封點火門，燃料在此處點燃，點火后該門關閉。爐壁上部和中部均設有進氣管，燃燒所需要的空氣由此處吹入爐內，由鼓風機統一從爐體中部進風管供風，其配風比例約為3：2。爐體設有內爐壁和外爐壁，內爐壁內襯耐火混凝土，內爐壁和外爐壁之間形成夾套，為提高生物質產氣率，在夾套內布置有蒸汽排放管，通過與爐外的蒸汽發生器連接引入蒸汽供氣化反應需要。在爐體下部的兩爐篦中間的爐壁上布置有燃氣出氣口，氣化生產的生物質燃氣由此口噴出。爐體的下部還設有除灰裝置，經氣化反應后的灰渣落到爐底，由此處排出。
3.3燃氣的焦油裂解
如前所述生物質氣化過程中產生的焦油具有相當大的危害性，因此在可燃氣燃燒使用前，必須盡量降低其焦油含量。國內外主要沿用爐外凈化處理、焦油催化裂解室、生物質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，但其工業路線、設備復雜，投資成本高，并不利用工業鍋爐節能改造應用。有關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，轉換率達到91％，而在900℃時，轉化率則達到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。因此本系統氣化爐采用下出氣，爐內一體式焦油催化裂解技術，利用下出氣結構優勢使熱裂解區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時，氣體中的焦油被高溫焦炭催化裂解，在爐體內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增加一個空氣進口，采用兩級式供氣技術，優化氣化爐內部的溫度分布，使還原區的溫度提高到了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，采用兩級供風技術的氣化爐的燃氣焦油含量約為一級供風焦油含量的1/10，明顯低于一級供風時燃氣的焦油含量。在實際應用中通過以上優化爐體結構的措施可使燃氣中的焦油含量下降到10mg/m3。
3.4燃燒器
生物質燃氣是一種特殊的燃氣，其熱值較低(低位發熱量為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，火焰穩定性差，因此傳統的燃氣燃燒機并不適應于生物質燃氣燃燒。根據生物質燃氣的燃燒特性，我院白行設計了適合其燃燒的生物質低熱值氣化氣體燃燒器(燃氣量為1000m3/h)，采用預混式旋流擴散燃燒技術，即燃氣與空氣在燃燒前進行全部預混，其空氣系數α1≥1。該燃燒技術具有燃燒完全，化學不完全燃燒損失小，過剩空氣少，用于工業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點，特別適用于低熱值燃氣的燃燒。同時本燃燒機還采用小***點火技術，具備自動點火程序控制功能和火焰監測及熄火連鎖保護功能，能夠實現自動點火和燃燒安全控制。
3.5燃氣管道
本系統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***管道 主燃氣管道設有快速切斷閥門和CO檢測儀，可實現在線檢測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，保證氣化系統運行安全。同時燃氣管道邊上設有可燃氣體檢測器進行在線檢測，當燃氣泄露時可在3s內自動關閉主燃氣管道上的快速切斷閥門，保證了系統的燃氣輸送安全。
4結論
“生物質燃料應用于工業鍋爐的研究和推廣”科技項目所開發應用的菌草生物質固定床氣化燃燒系統開拓性地解決了國內生物質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顆粒，其它農、林業的廢棄物等生物質燃料也可運用于鍋爐燃燒。通過該項目成果的應用可形成系列產品，適用于不同容量燃油氣工業鍋爐的節能改造，企業采用其代替燃油鍋爐，不但節省了國家寶貴的石油資源消耗，同時其熱值相當于柴油的40％，可降低燃油成本1/3。而且其減排效益顯著，研究表明生物質氣化應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。可見，該項目的開發應用符合我國的大政方政，可減少我國對化石能源的依賴，促進循環經濟，保持經濟的可持續發展，具有良好的經濟和環保效益。
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