改進型生物質上吸式固定床氣化爐的應用與效益分析

陸長清，王世芬，劉光華

(1.江西省科學院能源研究所，江西 南昌330096;2.江西省環境保護廳環境評估中心，江西 南昌330039; 3.東莞市百大新能源股份有限公司，廣東 東莞523808)

0 引言

目前，我國在用燃煤工業鍋爐約48萬臺，每年消耗原煤約6.5億t，占煤炭消費總量約20%，由燃煤鍋爐造成的環境污染非常嚴重，許多地區都開始限制燃煤鍋爐的使用;盡管油氣燃料為潔凈能源，但我國油氣資源缺乏，如推廣使用燃油、燃氣鍋爐，其能源供應難以得到長期穩定的保證。生物質能源具有可再生性、低污染性(S、N含量低，CO2凈排放量近似于零)、廣泛的分布性等特點，不僅是一種理想的可再生能源，對改善大氣酸雨環境、減少大氣中二氧化碳含量從而減少“溫室效應”具有重要的意義，也是一種重要的環境友好型的新能源。我國擁有豐富的生物質資源，開發和優化生物質作為鍋爐燃料轉化利用技術，對節約常規能源、優化我國能源結構，減輕環境污染將有積極意義［1～3］。

生物質通常包括農業廢棄物、木材及森林工業廢棄物、禽畜糞便、城鎮生活垃圾以及能源作物等幾種類型，生物質的揮發份含量一般在76%～86%，生物質受熱后在相對較低的溫度下就能使大量的揮發份物質析出。生物質能轉化利用技術可分為燃燒技術、熱化學轉化和生化轉化技術等3類，與熱能利用相關的主要有燃燒技術、氣化技術和液化技術等，其中生物質氣化是生物質轉化過程最新的技術之一;生物質氣化是利用空氣中的氧氣或含氧物做氣化劑，在高溫條件下將生物質燃料中的可燃部分轉化為可燃氣(主要是H2、CO和CH4)的熱化學反應。為了提供反應的熱力學條件，氣化過程需要供給空氣或氧氣，使原料發生部分燃燒，盡可能將能量保留在反應后得到的可燃氣中，氣化后的產物含有H2、CO及低分子的CmHn等可燃性氣體。生物質氣化采用的技術路線種類繁多，根據采用的氣化反應器的不同可分為固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化，其中固定床氣化爐又分為上吸式、下吸式氣化爐［3～5］。國內生物質氣化裝置普遍存在產出可燃氣中焦油與氮氣含量較高、熱值較低、氣化效率較低和自身熱損失較大等問題。針對上述問題，本文對生物質上吸式固定床氣化爐進行了改進，對用農業秸桿、廢木料等廢棄物經烘干、制粒、成型生產工藝制得的生物質顆粒燃料進行氣化，以解決降低可燃氣中焦油含量、氮氣含量和提高熱值等問題;研制的燃用生物質顆粒燃料的上吸式固定床氣化爐在現有燃煤、燃油鍋爐的節能減排改造中進行了應用，達到優化生物質能轉化利用、減少燃燒污染物排放、保護環境的目的，具有明顯的節能減排效應。

1 工藝流程及氣化爐的改進

1.1 生物質能轉化利用工藝流程

原料由自動加料裝置，經加料斗從頂部進入氣化爐，空氣從爐體底部進入氣化爐，經過順流與逆流的雙向反應，剩余少量灰燼從底部排出，可燃氣化氣從中部排出，經過濾后進入該氣化爐氣化氣燃燒器中燃燒，尾氣從鍋爐排出后進入廢生物質顆粒加熱裝置，如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

1.2 上吸式固定床氣化爐的改進

1.2.1 氣化劑和出氣口位置 采用空氣-水蒸汽混合氣化劑代替現有的空氣氣化劑，研究空氣-水蒸汽氣化劑的配比，開發氣化劑輸入及自動控制裝置;優化調整可燃氣出氣口位置。通過對氣化劑和出氣口位置的研究和優化，達到減少可燃氣中的焦油與氮氣含量，提高可燃氣的氣化強度、氣化效率及熱值的目的。

1.2.2 開發新型燃燒器 采用流場結構和旋流技術，研制開發旋流燃燒器，使可燃氣燃燒更充分、火力更集中、更穩定、更均勻，減少了NOx、SO2和煙塵燃燒污染物的排放，提高了氣化爐的節能減排效應。

1.2.3 開發余熱利用裝置 開發研制了氣化爐爐體外圍水循環控溫裝置和利用鍋爐尾氣烘干生物質顆粒燃料裝置。在氣化爐大部分高溫區的爐體的外圍形成一個環形水套，設置控溫器和智能閥，將符合鍋爐供水水質要求的水從氣化爐的底部入水口輸入，逆流經設于氣化爐中上部的出水口排出再輸入到鍋爐中，有效控制了爐體外圍溫度的進一步上升，同時達到節能、節水的目的。在鍋爐排出的尾氣處設置生物質顆粒燃料加熱裝置，充分利用鍋爐尾氣的余熱對擬固化成型的生物質顆粒進行烘干，減少在制作生物質顆粒燃料的能源消耗。

1.2.4 開發自動加料裝置 將原來的方形加料裝置改為圓形加料裝置，并設置自動控制裝置，以減少卡料及冒煙等機械故障。

2 應用效果及效益分析

2.1 應用效果及技術指標分析

改進型的燃用生物質顆粒燃料的上吸式固定床氣化爐，在現有燃煤、燃油鍋爐的改造應用后，經廣東省科技廳組織驗收，其改進前后各項技術指標對比分析如表1所示。

表1 改進前后各項技術指標對比分析

2.2 應用效益分析

2.2.1 環境效益 經對應用改進型上吸式固定床氣化爐改燒生物質的鍋爐、燃煤和燃油鍋爐的尾氣污染物含量測試，其測試結果如表2所示。

表2 生物質與燃煤、燃油鍋爐尾氣污染物含量測試

從表2可知，應用改進型上吸式固定床氣化爐改燒生物質的鍋爐尾氣中的SO2含量較燃煤、燃油鍋爐分別減少99.2%和99.1%，NOx含量較燃煤、燃油鍋爐分別減少98%和98.2%。

經環保監測部門對改燒生物質鍋爐煙氣排放口的尾氣測試，檢測方法依據《空氣和廢氣監測分析方法》(第四版)［6～8］，鍋爐煙氣中的 SO2、NOx、煙塵排放濃度和黑度測定結果如表3所示。

從表3可以看出，鍋爐使用該上吸式固定床氣化爐后，鍋爐煙氣中的SO2、NOx、煙塵排放濃度和黑度不僅能達標排放，且均低于GB13271-2001中燃氣鍋爐Ⅱ時段最高允許排放濃度限值，不需對鍋爐煙氣中污染物進行治理就可直接排放。

表3 鍋爐煙氣排放口廢氣污染物排放情況

2.2.2 節能及經濟效益 用改進型生物質上吸式固定床氣化爐對20余臺的燃煤、燃油鍋爐進行改造的運行統計結果表明，每3.5 t和1.375 t廢木料可分別代替1 t柴油和1 t煤，整體節能(標煤)達50%以上。所用的生物質燃料成本僅為柴油的25%，鍋爐改造工程的總投資只需1－2年內可全部回收，經濟效益十分顯著。

2.2.3 社會效益 利用廢棄的廢木料、秸桿等生物質資源進行氣化利用，不僅減少了固廢產生的二次污染，同時也提高了生物質能的利用率，也可為農村和邊遠山區就近提供廉價能源，形成完整的生物質產業鏈，促進當地經濟發展。與燃煤作燃料相比，可改善操作人員的勞動強度，減少燃煤對操作人員身體健康的影響。

3 結論

針對目前國內生物質氣化裝置普遍存在產出可燃氣中焦油含量較高、熱值較低、氮氣含量較高和自身熱損失較大等問題，對生物質上吸式固定床氣化爐進行了改進，研制的燃用生物質顆粒燃料的上吸式固定床氣化爐在現有燃煤、燃油鍋爐的節能減排改造中進行了應用，改進型生物質氣化爐的氣化效率、可燃氣熱值、氣化強度分別達90%、6.7 MJ/m3和18 kg/m2·h，可燃氣中的含焦油量和含氮量減至2%和30%，均符合或高于Q/BD1-2013《生物質氣化裝置》標準［10］的要求;應用改進型上吸式固定床氣化爐改燒生物質的鍋爐尾氣中的SO2含量較燃煤、燃油鍋爐分別減少99.2%和99.1%，NOx含量較燃煤、燃油鍋爐分別減少98%和98.2%;鍋爐所排放煙氣中的SO2、NOx、煙塵排放濃度和黑度均低于國標GB13271-2001中燃氣鍋爐Ⅱ時段最高允許排放濃度限值，不需對鍋爐煙氣中污染物進行治理就可直接排放，具有顯著的環境效益、經濟效益和社會效益及節能減排效應。

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［6］ 國家環境保護總局.空氣和廢氣監測分析方法(第四版)［M］.北京:中國環境科學出版社，2003.

［7］ HJ/T43-1999.固定污染源排氣中氮氧化物的測定［S］.

［8］ GB/T16157-1996.固定污染源排氣中顆粒物和氣態污染物采樣方法［S］.

［9］ GB13271-2001.鍋爐大氣污染物排放標準［S］.

［10］Q/BD1-2013.生物質氣化裝置標準［S］.東莞市百大新能源股份有限公司企業標準，2013.