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

　　随着社會經濟的發展，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(xiàn)在到2035年全球能源需求将增長1/3以上，其中，60％的需求增長來自中國、印度和中東地區。世界能源特别是(shì)我國能源在可見(jiàn)的未來将更加緊缺，石油、煤、電價格将持續上升，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(shì)利用一種産量很高的多年生草本植物巨菌草壓制的顆粒燃料氣化産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将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(xiàn)實意義。

　　1菌草生物質燃料特點

　　菌草生物質燃料與木屑、稭稈等生物質燃料相(xiàng)比，其物理及化學成分與稭稈類生物質相(xiàng)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(shì)：高揮發份、低灰分、低硫、熱值較低(一般隻爲常用燃煤的80％左右)，容易着火(huǒ)，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産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(huǒ)，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(xiàn)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後以氣态的方式送入鍋爐燃燒，是(shì)目前生物質燃料高效清潔燃燒最有效的方法之一。但(dàn)氣化燃燒應用也存在其缺點：在生物質氣化過程中會産生大量焦油，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(xià)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(shì)由于焦油是(shì)一種複雜(zá)的可凝結烴類物質的混合，其在低溫下(xià)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，同時焦油燃燒時産生炭黑等顆粒對鍋爐設備損害相(xiàng)當嚴重，且焦油及其燃燒後産生的氣味對人體也是(shì)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(shì)以生物質顆粒爲原料，以氧氣(主要是(shì)空氣)、水蒸氣爲氣化劑，在高溫條件下(xià)通過熱化學反應将生物質中可燃的部分轉換爲可燃氣體的過程。生物質氣化時産生的氣體，主要燃燒成分爲CO、H₂、CH₄和部分烴類等，稱爲生物質燃氣。氣化和燃燒過程是(shì)密不可分的，燃燒是(shì)氣化的基礎，氣化是(shì)部分燃燒或缺氧燃燒。固體燃料中碳的燃燒爲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(fàng)熱狀況。實際上，氣化是(shì)爲了增加可燃氣體的産量而在高溫狀态下(xià)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幹燥等四個過程，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爲氣化層。在實際氣化過程中上述四個區域是(shì)沒有明顯邊界，是(shì)相(xiàng)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(yuán)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(xià)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(huǒ)和火(huǒ)焰檢測器、燃燒器配套鼓風機、水封裝置、CO檢測儀和燃氣放(fàng)散管、點火(huǒ)和小槍管路、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(xià)：菌草生物質顆粒燃料通過料鬥進入氣化爐(氣化爐内設有料位檢測裝置，實現(xiàn)給料自動控制)，氣化爐點火(huǒ)，開動鼓風機，菌草生物質燃氣産生，鼓風機變頻(pín)控制産氣量。産生的燃氣經CO分析儀檢測，成分比例符合要求後沿管道經水封控制閥後由燃燒器點火(huǒ)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(shì)配套容量相(xiàng)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、複合式内部結構，進一步發展了焦油裂解技術。

　　氣化爐爐體複合式内部結構主要包括：三段式、雙爐篦、兩級供風下(xià)出氣結構。氣化爐的頂部安裝有鍾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(huǒ)門，燃料在此處點燃，點火(huǒ)後該門關閉。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内，由鼓風機統一從爐體中部進風管供風，其配風比例約爲3：2。爐體設有内爐壁和外爐壁，内爐壁内襯耐火(huǒ)混凝土，内爐壁和外爐壁之間形成夾套，爲提高生物質産氣率，在夾套内布置有蒸汽排放(fàng)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(xià)部的兩爐篦中間的爐壁上布置有燃氣出氣口，氣化生産的生物質燃氣由此口噴出。爐體的下(xià)部還設有除灰裝置，經氣化反應後的灰渣落到爐底，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産生的焦油具有相(xiàng)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。國内外主要沿用爐外淨化處理、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(xiàn)去(qù)除焦油，雖然其效果較好，但(dàn)其工業路線(xiàn)、設備複雜(zá)，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(xià)，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(jiàn)高溫焦炭對焦油催化裂解作用是(shì)比較明顯的。因此本系統氣化爐采用下(xià)出氣，爐内一體式焦油催化裂解技術，利用下(xià)出氣結構優勢使熱裂解區分離(lí)出來的富含焦油的熱解氣在通過熾熱炭層爲主的還原區時，氣體中的焦油被高溫焦炭催化裂解，在爐體内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，優化氣化爐内部的溫度分布，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。賴豔華等的研究證實在相(xiàng)同的氣化強度下(xià)，采用兩級供風技術的氣化爐的燃氣焦油含量約爲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(xià)降到10mg/m³。

　　3.4燃燒器

　　生物質燃氣是(shì)一種特殊的燃氣，其熱值較低(低位發熱量爲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(xiàng)同熱負荷時，生物質燃料體積消耗大，火(huǒ)焰溫度低，單位容積熱負荷強度低，火(huǒ)焰穩定性差，因此傳統的燃氣燃燒機并不适應于生物質燃氣燃燒。根據生物質燃氣的燃燒特性，我院白行設計了适合其燃燒的生物質低熱值氣化氣體燃燒器(燃氣量爲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，特别适用于低熱值燃氣的燃燒。同時本燃燒機還采用小槍點火(huǒ)技術，具備自動點火(huǒ)程序控制功能和火(huǒ)焰監測及熄火(huǒ)連鎖保護功能，能夠實現(xiàn)自動點火(huǒ)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(fàng)散管管道和燃燒器點火(huǒ)小槍管道 主燃氣管道設有快速切斷閥門和CO檢測儀，可實現(xiàn)在線(xiàn)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(fàng)散管閥門，關閉主燃氣管道上的快速切斷閥門，燃氣自動放(fàng)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(xiàn)檢測，當燃氣洩露時可在3s内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内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，其不僅适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産品，适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(dàn)節省了國家寶貴的石油資源消耗，同時其熱值相(xiàng)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(fàng)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(fàng)量均較燃煤減少90％以上。可見(jiàn)，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。