基于爐煙的生物質炭化系統(tǒng)研究

王澤鵬，張云蘭，王文君，張明堯

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021)

0 引言

生物質能源屬于零碳燃料，對于未來我國實現(xiàn)能源利用綠色低碳發(fā)展具有重要意義。研究生物質的大規(guī)模、高效率、低成本利用路線，是目前雙碳背景下的重要課題。

目前，生物質利用技術路線包括生物質直燃、生物質炭(氣)化、生物質與化石能源摻燒、生物質發(fā)酵制沼氣等。生物質直燃技術受到燃料收集成本高、生物質灰熔點低等因素的制約，難以規(guī)?；l(fā)展。生物質炭化的規(guī)模通常較小，其熱源通常來自于生物質燃燒釋熱，綜合效率低。生物質氣化成本較高，主產物生物質氣的熱值低，副產物焦油也很難處理。生物質與化石能源摻燒同樣受灰熔點低的影響，摻燒比例一般低于30%。生物質發(fā)酵制沼氣的占地面積較大，我國北方地區(qū)冬季溫度低，無法保證發(fā)酵溫度。

文章提出基于爐煙的生物質炭化系統(tǒng)，在傳統(tǒng)生物質炭化技術基礎上，利用爐煙制取生物質炭，拓展了生物質的利用方式，對促進生物質資源化高效利用、耕地質量提升及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義和價值[1]。

1 生物質炭化技術

生物質炭化是指在缺氧和高溫環(huán)境下，生物質原料受熱脫水、熱解，產生一系列副產物后，形成固體炭化產物的過程。生物質炭化過程的影響因素較多，不同的因素之間也會互相影響，主要的影響因素有升溫速率、炭化溫度、炭化時間等[2]。與生物質氣化不同的是，炭化反應的壓力較低，而反應溫度可以根據(jù)炭化程度的需要進行設定，一般高于氣化反應溫度。

根據(jù)升溫速率、炭化溫度的影響，生物質炭化可分為3個階段：①干燥階段：生物質原料迅速升溫，表面水分快速蒸發(fā)；②初始炭化階段：隨著反應溫度進一步升高，生物質原料內的纖維素和木質素開始熱解，同時生成揮發(fā)分氣體，原料的內在水分進一步蒸發(fā)；③全面炭化階段：生物質物料全部分解，水分幾乎全部蒸發(fā)，揮發(fā)分氣體和焦油等氣、液態(tài)副產物全部析出，固定碳和灰分在高溫下干餾成炭。

初始炭化階段和全面炭化階段的過渡區(qū)間較寬，一般認為在200 ℃時開始炭化，達到300 ℃時低熱量的揮發(fā)分大量析出；在300 ℃～500 ℃溫度段，生物質炭逐步分解成生物質油和燃氣；高于500 ℃后，大量高熱值燃氣繼續(xù)析出，炭產率相應降低；溫度進一步升高時，炭產率基本保持不變，達到全面炭化。

2 系統(tǒng)流程和特點

爐煙通常指燃煤鍋爐燃燒產生的煙氣，其含氧量較低，非常適用于生物質炭化所需的缺氧氣氛。通過在鍋爐不同位置抽取爐煙，可以對生物質分級預熱和炭化，實現(xiàn)能量的梯級利用。

生物質炭化系統(tǒng)流程如圖1所示。冷爐煙自引風機后抽出，與爐膛出口抽出的高溫爐煙混合后對生物質進行干燥。生物質的表面水分受熱蒸發(fā)，干燥后的生物質隨煙氣進入生物質炭化爐。繼續(xù)向炭化爐內補充高溫爐煙，逐步提高反應溫度，確保炭化反應完全。初始炭化階段和全面炭化階段均在炭化爐內完成，生物質氣隨煙氣回到爐內燃燒，生物質油經底部匯油口收集后經燃燒器噴入爐膛，生物質炭由底部渣斗收集后壓縮為機制炭成品，對外出售。

圖1 生物質炭化系統(tǒng)流程圖

炭化過程改變了生物質內部的結構，生物質炭具有脆性大、易壓縮、水分含量極低的特點，其主要成分是固定碳和灰分，以鈉、鉀為主的堿金屬以碳酸鹽或磷酸鹽的形式存在于灰分中[3]。因此，生物質炭化系統(tǒng)不會因為生物質灰熔點低于燃煤鍋爐的燃燒溫度而產生爐內結焦，也不存在堿金屬導致的選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝催化劑中毒現(xiàn)象。與傳統(tǒng)生物質摻燒不同的是，生物質炭化系統(tǒng)出力只取決于可抽取鍋爐煙氣量的多少，而不受燃煤與生物質的摻燒比例影響。

3 系統(tǒng)參數(shù)和性能

本文研究以某超超臨界燃煤鍋爐為例，抽取不同溫度的爐煙炭化秸稈顆粒，該鍋爐的高溫爐煙含氧量低于4%，冷爐煙的含氧量略高，可以達到約6%，滿足秸稈炭化所需的缺氧環(huán)境。為了簡化計算，本文暫按煙氣中的氧氣在秸稈炭化過程中不參與反應，即秸稈的固定碳不會與氧氣燃燒產生CO。這種設定與實際過程有所差異，但是只對炭化產物的各成分比例有較小影響，不會改變系統(tǒng)的主要研究結果。

3.1 燃料及煙氣參數(shù)

以壓縮成型的玉米秸稈顆粒為例，秸稈顆粒的熱值為13 760 kJ/kg，最大粒徑不超過12 mm，工業(yè)分析和元素分析結果見表1所列。

表1 秸稈顆粒工業(yè)分析和元素分析表 %

高溫爐煙抽取自省煤器入口，煙氣溫度為600 ℃；中溫爐煙接自空預器入口，煙氣溫度為381 ℃；冷爐煙接自于引風機后、脫硫入口前的煙道，煙氣溫度為142 ℃。

3.2 干燥階段

在不高于200 ℃的煙氣環(huán)境下對秸稈顆粒進行干燥，脫除其表面水分。由于冷爐煙溫度較低，因此，采用中溫爐煙與冷爐煙混合的方式，以提高干燥效果。干燥反應過程的物料流量及介質參數(shù)見表2所列。

表2 干燥反應過程的物料流量及介質參數(shù)表

在干燥過程中，秸稈顆粒的外在水分蒸發(fā)至煙氣中，顆粒進一步脫水爆裂后隨煙氣進入顆粒收集器，采用分級過濾的方式實現(xiàn)氣固分離，低溫煙氣排至除塵器入口煙道，秸稈顆粒落入旋風炭化爐中。

3.3 初始及全面炭化階段

為了充分利用煙氣熱量，最大限度提取秸稈顆粒的揮發(fā)分，生物質炭化系統(tǒng)設定炭化環(huán)境溫度為600 ℃。根據(jù)以往試驗研究結果，此時炭化率為32.86%，炭能源得率為44.29%[4]。炭化反應過程的物料流量及介質參數(shù)見表3所列。

表3 炭化反應過程的物料流量及介質參數(shù)

旋風炭化爐的工作原理與旋風分離器相似，來自省煤器入口的高溫爐煙進入旋風分離器后，與干燥后的秸稈顆粒進行高溫炭化反應。炭化后的顆粒落入渣斗并收集儲存，焦油經底部集油盤收集后回噴至鍋爐內，反應后的高溫煙氣攜帶秸稈炭化產生的揮發(fā)分回到鍋爐再次參與燃燒。

3.4 性能分析

通過對輸入物料及輸出產品的參數(shù)進行分析，得到該系統(tǒng)的性能指標結果，見表4所列。

表4 炭化系統(tǒng)出力及減碳能力

增加的入爐熱值主要來自于揮發(fā)分和焦油的熱值與煙氣焓降的差值，雖然揮發(fā)分和焦油的熱值僅略高于燃煤，但其燃點更低，有助于調節(jié)爐內燃燒溫度場，以彌補爐內煙氣循環(huán)帶來的影響。

炭化產物初始狀態(tài)為顆粒度較小的炭顆粒，可根據(jù)下游用戶的需要壓制為密度較高的機制炭，或進一步磨碎為細度更小的炭粉。

4 財務評價

以某超超臨界燃煤鍋爐為基礎進行煙氣系統(tǒng)改造，新建生物質炭化系統(tǒng)相關設備及管道，按照秸稈顆粒550元/t、生物質炭1 400元/t、標準煤1 300元/t進行財務評價。其他邊界條件見表5所列。

表5 改造工程邊界條件

經過計算，改造工程的財務評價主要指標見表6所列。由表6可知，采用生物質炭化系統(tǒng)的改造工程可在10 a內收回改造投資，資本金財務內部收益率為25.23%，高于資本金基準收益率(即：7%)，綜合經濟效益優(yōu)于傳統(tǒng)生物質直燃或摻燒工程。生物質利用可以不再依賴政府補貼，有利于拓展生物質資源的利用范圍和消耗量。隨著未來碳交易的價格日趨上升，采用該系統(tǒng)的收益將進一步擴大。

表6 改造工程的財務評價主要指標

5 結語

以某超超臨界燃煤鍋爐進行生物質炭化系統(tǒng)改造為例，研究認為基于爐煙的生物質炭化系統(tǒng)能夠有效解決生物質燃料側耦合常見的爐內易結渣、NOx排放超標、SCR脫硝系統(tǒng)易中毒等問題。炭化過程中生物質的揮發(fā)分和焦油隨煙氣入爐燃燒，灰分和固定碳全部留存在生物質炭中。燃煤鍋爐的煙氣經炭化流程后溫度降低，但整體入爐熱量增加。按照年利用小時數(shù)2 000 h考慮，每年消耗生物質顆粒4萬t，產出生物質炭成品1.31萬t，年節(jié)約標準煤0.91萬t。

需要指出的是，該系統(tǒng)注重于探討煙氣對生物質炭化過程的分析，對炭化副產物(焦油和揮發(fā)分)的成分和特性未做深入分析，直接回噴至爐內燃燒，對鍋爐效率的影響也暫未考慮。該系統(tǒng)中的燃料采用生物質成型顆粒，下階段將針對成本更低的生物質散料進行分析，與鍋爐制造廠深入配合，進一步細化生物質炭化系統(tǒng)。