生物質(zhì)熱解氣燃燒裝置設(shè)計與燃燒特性試驗

姚宗路 仉 利 趙立欣 賈吉秀 叢宏斌 胡二峰

(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

引言

以生物質(zhì)為原料的熱解技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)能源清潔高效地轉(zhuǎn)化[1-3]，生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的高溫氣體稱為生物質(zhì)熱解氣，經(jīng)除塵、冷凝、除焦等工藝過程分別得到不可冷凝氣(即生物質(zhì)燃氣)和可冷凝氣?？衫淠龤庵饕獮樯镔|(zhì)焦油、木醋液和水蒸氣，生物質(zhì)燃氣的主要成分是CO、CO2、H2、N2、CH4等，因還含有一定量的C2H6、C3H8、C2H4和C3H6等大分子高熱值氣體，較生物質(zhì)熱解氣化氣具有較高的熱值，可以直接燃燒用于供熱設(shè)備[4]。生物質(zhì)焦油作為一種熱解副產(chǎn)物，成分十分復(fù)雜，多為苯的衍生物和多環(huán)芳烴[5]，在高溫下呈氣態(tài)，當溫度在200℃以下時，大部分焦油會凝結(jié)成黑褐色粘稠狀的液體，易堵塞管道，阻礙設(shè)備的正常運行，同時焦油中的有毒物質(zhì)對人的身體健康也會造成極大的傷害，熱解焦油的去除和再利用技術(shù)還需進一步研究。

現(xiàn)有生物質(zhì)能源技術(shù)中，美國、加拿大和英國等發(fā)達國家的研究較為先進，尤其燃氣燃燒器技術(shù)發(fā)展十分成熟，其結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件安裝方式和尺寸均有國際標準，具有代表性的有德國DUNGS公司、意大利BAITE、美國STEINEN公司、英國NUWAY公司，國外的燃燒機對空燃比的掌控十分精準，使燃燒機燃燒效率平均達到99.96%，較多用于發(fā)電和區(qū)域供熱并實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用[6-8]。我國20世紀80年代末開始對燃氣燃燒器進行開發(fā)研究，90年代中后期，在全國范圍內(nèi)陸續(xù)建立了多家制造燃燒器的企業(yè)，河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)部可再生能源重點開放實驗室、河南省科學院能源研究所、東北林業(yè)大學等各科研院所對生物質(zhì)燃氣燃燒器進行了研究，并取得了一定進展[9-10]，但是國內(nèi)外主要集中于研究熱解氣中可燃氣的燃燒，對含有焦油的粗熱解氣的直接燃燒研究較少。

針對目前生物質(zhì)熱解氣中焦油去除困難，熱解技術(shù)后端產(chǎn)業(yè)鏈不健全等問題，本文結(jié)合現(xiàn)有燃氣燃燒器相關(guān)技術(shù)，采用生物質(zhì)熱解氣直接燃燒原理，設(shè)計一種生物質(zhì)熱解氣燃燒設(shè)備，將熱解產(chǎn)生的高溫熱解氣直接通入燃燒器燃燒，此外，在燃燒過程中加入白云石催化劑，探索催化劑對生物質(zhì)熱解氣燃燒特性的影響。

1 生物質(zhì)熱解氣基本特性

1.1 組分分析

如表1所示，生物質(zhì)熱解氣的主要成分為生物質(zhì)燃氣和氣態(tài)下的液體產(chǎn)物，可燃物占氣態(tài)產(chǎn)物的比例達到68%。其中生物燃氣為主要成分，約占60%，生物燃氣主要由CO、H2、CH4等組成，并含有一定量的C2H6、C3H8、C2H4和C3H6等大分子高熱值氣體，熱值可達到20 MJ/m3，具有較好的可燃性[11-14]。輕重油約占8%，通過對油樣檢測發(fā)現(xiàn)，其組成多達上百種，多為苯的衍生物和多環(huán)芳烴等高分子物質(zhì)，熱值可達30 MJ/m3。木醋液占比33%，多為溶于水的酸性物質(zhì)，成分較為復(fù)雜。

表1 熱解氣組分Tab.1 Pyrolysis gas components

1.2 燃燒計算

進行熱解氣燃燒計算，首先確定燃燒所需空氣量，理論空氣需要量是指每立方米燃氣按燃燒反應(yīng)計量方程式完全燃燒所需要的空氣量，也是燃氣完全燃燒所需的最小空氣量[15-17]?？諝饬康拇_定用于風機的選型和閥門的選配，將熱解氣的組分代入

(1)

式中V0——理論空氣需要量，m3

VH2、VCO、VCmHn、VH2S、VO2——燃氣中各可燃組分體積分數(shù)，%

m、n——分子數(shù)

得穩(wěn)定燃燒所需空氣量理論值為1.13 m3。然后確定著火濃度的上限和下限，燃氣燃燒極限值是由生物質(zhì)熱解氣的化學反應(yīng)速度或釋放能量的速度決定的，常用體積分數(shù)(%)或體積密度(mg/L)表示。生物質(zhì)熱解氣含量高于著火極限的上限值或低于下限值，均不能著火燃燒。將各單一可燃氣的著火濃度的上限和下限分別代入

(2)

式中Xi——不考慮惰性氣體時各單一可燃氣體成分的體積分數(shù)，%，見表1

Li——不考慮惰性氣體時各單一可燃氣體的著火濃度極限，%

D——惰性氣體在生物質(zhì)熱解氣中所占的體積分數(shù)，取2.3%

得熱解氣的著火濃度的下限16.2%，上限為79.56%。還需確定燃氣供氣速度，燃氣供氣速度是影響燃氣燃燒過程中脫火和回火的主要原因[18-20]，鑒于生物質(zhì)燃氣供氣壓力的波動性，為保證穩(wěn)定燃燒，取供氣速度略大于燃氣燃燒時火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒏鲉我豢扇細獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣却?/p>

(3)

式中Um——燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，m/s

VN2——混合氣體中N2的體積分數(shù)，取1.72%

VCO2——混合氣體中CO2的體積分數(shù)，取24.95%

Lm——對于各單一可燃氣體，達到最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，該可燃氣占混合物的體積分數(shù)，%

可得火焰燃燒速度為0.913 m/s。

2 工作原理和整機結(jié)構(gòu)

2.1 工作原理與工藝流程

熱解氣燃燒試驗平臺的設(shè)計遵循適用性、安全性、穩(wěn)定性和維修簡便等原則，如圖1所示，主要由2個燃燒系統(tǒng)組成：熱解氣直接燃燒系統(tǒng)和催化燃燒系統(tǒng)，催化燃燒系統(tǒng)是在進行催化燃燒時，先將燃燒室溫度加熱至700℃，以便白云石發(fā)揮催化裂解的效果。在燃燒室的后端加設(shè)煙氣換熱裝置，用以降低煙氣溫度以便搭載煙氣檢測裝置。

圖1 設(shè)備流程圖Fig.1 Equipment flow chart

2.2 整機結(jié)構(gòu)與工作過程

生物質(zhì)熱解氣燃燒設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由供風系統(tǒng)、燃燒器、燃燒室、催化裂解器、冷卻器、排煙管道、控制柜及支架組成。供風系統(tǒng)由風機、液化氣供風管路、生物質(zhì)熱解氣供風管路及各管路的控制閥門組成。催化裂解裝置由310S不銹鋼加工而成，置于火焰外焰處，以獲得較高的催化溫度。換熱裝置采用風冷列管換熱器原理將高溫熱煙氣從800℃降到200℃以下，以滿足煙氣分析儀采樣時對溫度的要求。燃氣管路設(shè)置兩級電磁閥門保護，故障時及時切斷燃料。整個控制系統(tǒng)采用PLC總體控制，通過組態(tài)軟件開發(fā)了人機界面，操作方便，運行安全可靠。

圖2 生物質(zhì)熱解氣燃燒設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of combustion device of biomass pyrolysis gas1.供風系統(tǒng) 2.燃燒器 3.燃燒室 4.催化裂解器 5.排煙管道 6.冷卻系統(tǒng) 7.支架 8.控制柜

生物質(zhì)熱解氣燃燒器工作時，首先啟動風機，吹掃燃燒室，20 s后打開生物質(zhì)熱解氣燃氣管路閥門，生物質(zhì)熱解氣與空氣在燃燒器噴嘴處混合，同時高壓點火器打火，當光敏傳感器檢測到燃燒火焰存在時，關(guān)閉高壓點火，并經(jīng)控制器將生物質(zhì)熱解氣電磁閥鎖死，保證處于開啟狀態(tài)。在進行催化燃燒時先啟動液化氣燃燒系統(tǒng)，達到預(yù)定溫度后再進行熱解氣催化燃燒試驗，同時關(guān)閉液化氣燃燒系統(tǒng)。燃燒后的高溫煙氣進行風冷換熱，降溫后進行煙氣監(jiān)測并排空。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

生物質(zhì)熱解氣燃燒設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 生物質(zhì)熱解氣燃燒設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of biomasspyrolysis gas combustion equipment

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 燃燒器

圖3 生物質(zhì)燃氣燃燒器示意圖Fig.3 Schematic diagram of biomass gas burner1.空氣管道 2.燃氣管道 3.連接法蘭 4.導(dǎo)流盤 5.穩(wěn)焰板

綜合擴散式燃氣燃燒器運行溫度、不回火等優(yōu)點，并結(jié)合生物質(zhì)熱解氣本身的燃氣特性，如生物質(zhì)熱解氣溫度高、壓力低、燃氣中含有生物質(zhì)焦油等特性，生物質(zhì)熱解氣燃燒設(shè)備采用擴散式結(jié)構(gòu)。如圖3所示，擴散式燃燒器主要由生物質(zhì)熱解氣管道、空氣管道、連接法蘭、導(dǎo)流盤及穩(wěn)焰板等組成。

如表2所示，根據(jù)熱解氣產(chǎn)量2～5 m3/h，選定燃氣量3 m3/h進行設(shè)計計算，根據(jù)式(1)可確定燃燒所需空氣量為3.39 m3/h。燃氣和空氣出口截面速度和噴口直徑計算式為

(4)

(5)

式中v——燃氣在出口截面的流速,m/s

P——燃燒器前燃氣壓力,取50 Pa

ρ——密度，燃氣取0.82 kg/m3，空氣取1.29 kg/m3

T——燃氣溫度，取573 K

T0——開爾文溫度，取273 K

ζ——燃燒器阻力系數(shù)，取1.5

F——燃氣噴口截面積,mm2

L——燃氣用量，取3 m3/h

d——噴口直徑,mm

代入相關(guān)參數(shù)可確定燃氣流速為6.2 m/s，燃氣噴口直徑為13.1 mm?？諝饬魉贋?.5 m/s，空氣噴口直徑為14.8 mm[21]。其中，為將燃料與空氣進行稀態(tài)均相預(yù)混，避免局部出現(xiàn)富燃料區(qū)而產(chǎn)生高溫熾熱點，設(shè)計了空氣導(dǎo)流盤，使噴出的氣體具有軸向、徑向和切向3個分速度，最終形成熱解氣的旋轉(zhuǎn)運動，形成徑向和軸向壓力梯度，當劇烈旋轉(zhuǎn)時，氣體沿軸向發(fā)生反流動，產(chǎn)生內(nèi)部回流區(qū)，可以極大提高混合程度。引用燃氣輪機旋流器葉片設(shè)計原理，葉片的軸向長度可由葉片遮蓋度K表示，即

(6)

式中Sx——單個葉片在根圓上所遮蓋的弧長

Sf——鄰近2個葉片根部之間弧長

根據(jù)相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗[22-26]，當旋流器葉片遮蓋度為1.0～1.5，葉片角度為40°～55°，葉片數(shù)目為8～12時能夠獲得較好的燃燒性能，結(jié)合燃燒器實際尺寸，取導(dǎo)流盤的葉片為12片，葉片傾角40°，遮蓋度為0.94。

3.2 控制系統(tǒng)

生物質(zhì)熱解氣燃燒平臺的控制系統(tǒng)流程如圖4所示，根據(jù)設(shè)備需求開發(fā)兩種控制模式，模式1為熱解氣直燃系統(tǒng)，即在常溫狀態(tài)下，直接通入高溫熱解氣直接燃燒；模式2為熱解氣催化燃燒系統(tǒng)，其中先用液化氣將燃燒室溫度加熱至700℃后再接入熱解氣，以達到較好的催化燃燒效果。控制系統(tǒng)選用三菱FN1N-14MR-001 PLC，用于檢測火焰信號、控制燃氣閥門的開合以及流量計量等，通信線信息傳輸采用485串行總線通信，人機交互系統(tǒng)采用組態(tài)軟件MCGS開發(fā)的便于操作的設(shè)備畫面，用于數(shù)據(jù)的實時顯示和數(shù)據(jù)存儲及導(dǎo)出，手動控制系統(tǒng)主要是用于閥門的本地操作，防止因通信故障而造成設(shè)備損壞。

圖4 燃燒器控制系統(tǒng)流程圖Fig.4 Control system flow chart of burner

4 燃燒試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗材料與測試方法

試驗設(shè)備加工完成后，在農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室進行燃燒試驗，圖5所示為設(shè)備三維圖及燃燒試驗圖。

圖5 設(shè)備三維圖及燃燒試驗圖Fig.5 3D and test diagrams for combustion equipment

以花生殼為熱解炭化原料，在溫度500℃的條件下，熱解時間為30 min產(chǎn)生的熱解氣為燃氣原料，產(chǎn)生的高溫熱解氣約為3 m3/h。選擇粒徑為6～10 mm白云石為催化劑，進行催化裂解試驗，試驗過程中需要用的測試儀器有馬弗爐、電子水分分析儀、快速水分測量儀、英展計重防水秤、德國rbr益康多功能煙氣分析儀和嶗應(yīng)3012H型自動煙塵(氣)測試儀等檢測儀器。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1過?？諝庀禂?shù)對燃燒效率的影響

燃燒效率是指燃氣燃燒后實際放出的熱量占其完全燃燒后放出熱量的比值，是反映燃氣燃燒程度的重要指標。圖6a、6b分別為熱解氣直接燃燒和催化燃燒條件下不同過?？諝庀禂?shù)與生物質(zhì)熱解氣燃燒效率的關(guān)系曲線。由圖6a看出，隨過?？諝庀禂?shù)增大，燃燒效率先升高后降低，當過?？諝庀禂?shù)從1增加到1.16時，燃燒效率從93%增加到98.5%，達到峰值，隨著過?？諝庀禂?shù)繼續(xù)增大時，燃燒效率呈下降趨勢，當過剩空氣系數(shù)為1.5時，燃燒效率降落至93.5%。分析可知，隨著空氣的供給增加，燃燒反應(yīng)越完全，效率越高。但過多的空氣進入燃燒室，表現(xiàn)為空氣流速過快，而將部分未充分燃燒的燃料帶走，進而導(dǎo)致燃燒效率降低。

由圖6b看出，在催化劑作用下曲線規(guī)律與圖6a類似，不同的是燃燒效率的峰值出現(xiàn)了向右偏移，即當過?？諝庀禂?shù)為1.21時催化燃燒效率達到最大，為98.9%。由此推斷部分生物質(zhì)熱解氣與催化劑反應(yīng)，大分子焦油等被裂解為小分子易燃物質(zhì)，進而增加了燃燒所需的空氣量。因此，白云石作為催化劑促進了生物質(zhì)熱解氣的催化燃燒反應(yīng)，燃燒效率提高了0.4個百分點，在加入催化劑后供風量相應(yīng)調(diào)大，保證燃燒過程的充分進行。

4.2.2過?？諝庀禂?shù)對NOx排放的影響

圖6 生物質(zhì)熱解氣的過?？諝庀禂?shù)與燃燒效率關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between excess air coefficient and thermal efficiency of biomass pyrolysis gas

圖7 生物質(zhì)熱解氣的過?？諝庀禂?shù)與NOx排放量關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between excess air coefficient of biomass pyrolysis gas and NOx emission

圖7a、7b為熱解氣的過?？諝庀禂?shù)與NOx排放量關(guān)系曲線，由7a可以看出，隨著α的增大，燃燒越充分，火焰溫度隨之增加，煙氣中NOx的含量也逐漸增多，當α為1.16時，NOx的質(zhì)量濃度由130 mg/m3達到最大，為170 mg/m3，之后隨過?？諝庀禂?shù)α增大而減小。由此可以看出，當過?？諝庀禂?shù)達到1.16時，燃燒最充分，使得燃燒室溫度升高，造成NOx達到最大值，但隨著供給的冷空氣量增加，降低了燃燒溫度，從而減少了NOx的產(chǎn)生量。

對比催化燃燒反應(yīng)，催化劑作用下當過剩空氣系數(shù)在1.15時(圖7b)，NOx排放量達到最大值，為190 mg/m3，且α在1.0～1.4區(qū)間內(nèi)整體催化燃燒的NOx排放量高于直接燃燒。分析其原因主要是催化裂解裝置安裝在火焰的外焰處，致使局部高溫，從而增加了NOx的排放量，因此催化裂解裝置的安裝位置還需要進行研究改進。

4.2.3生物質(zhì)熱解氣燃燒設(shè)備基本性能指標

對生物質(zhì)熱解氣燃燒設(shè)備進行測試，結(jié)果如表3所示，在正常燃燒狀態(tài)和催化燃燒狀態(tài)下，燃燒設(shè)備性能較好，火焰為淡藍色、燃燒穩(wěn)定，燃燒效率可達到98.5%，在催化劑的作用下，燃燒效率提高到98.9%，滿足設(shè)計負荷。

表3 燃燒設(shè)備基本性能指標Tab.3 Basic performance indexes of combustion equipment

5 結(jié)論

(1)進行了生物質(zhì)熱解氣直接燃燒的研究，研制了熱解氣直燃燃燒器，安裝煙氣催化裂解裝置及煙氣檢測裝置，搭建了熱解氣燃燒試驗平臺，測試結(jié)果表明該設(shè)備燃燒效率能夠達到98.9%，能穩(wěn)定運行并滿足設(shè)計負荷。

(2)通過生物質(zhì)熱解氣直接燃燒試驗，得到了過量空氣系數(shù)與燃燒效率、NOx排放量的關(guān)系曲線，測試結(jié)果表明，當過?？諝庀禂?shù)為1.16時燃燒效率達到最大，為98.5%，同時NOx的排放量也為最高值170 mg/m3。

(3)對比有/無催化催化劑(白云石)燃燒試驗，結(jié)果表明在催化劑作用下燃燒效率有一定程度提高，由98.5%提高到98.9%，但是由于催化裂解裝置附近產(chǎn)生局部高溫，導(dǎo)致了NOx的大幅增加，這也是該設(shè)備需要改進研究的重點。

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