生物質熱解氣燃燒裝置設計與燃燒特性試驗

姚宗路 仉 利 趙立欣 賈吉秀 叢宏斌 胡二峰

(農業部規劃設計研究院農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

引言

以生物質為原料的熱解技術能夠實現能源清潔高效地轉化[1-3]，生物質熱解產生的高溫氣體稱為生物質熱解氣，經除塵、冷凝、除焦等工藝過程分別得到不可冷凝氣(即生物質燃氣)和可冷凝氣。可冷凝氣主要為生物質焦油、木醋液和水蒸氣，生物質燃氣的主要成分是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，較生物質熱解氣化氣具有較高的熱值，可以直接燃燒用于供熱設備[4]。生物質焦油作為一種熱解副產物，成分十分復雜，多為苯的衍生物和多環芳烴[5]，在高溫下呈氣態，當溫度在200℃以下時，大部分焦油會凝結成黑褐色粘稠狀的液體，易堵塞管道，阻礙設備的正常運行，同時焦油中的有毒物質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還需進一步研究。

現有生物質能源技術中，美國、加拿大和英國等發達國家的研究較為先進，尤其燃氣燃燒器技術發展十分成熟，其結構設計、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%，較多用于發電和區域供熱并實現了商業化應用[6-8]。我國20世紀80年代末開始對燃氣燃燒器進行開發研究，90年代中后期，在全國范圍內陸續建立了多家制造燃燒器的企業，河南農業大學農業部可再生能源重點開放實驗室、河南省科學院能源研究所、東北林業大學等各科研院所對生物質燃氣燃燒器進行了研究，并取得了一定進展[9-10]，但是國內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。

針對目前生物質熱解氣中焦油去除困難，熱解技術后端產業鏈不健全等問題，本文結合現有燃氣燃燒器相關技術，采用生物質熱解氣直接燃燒原理，設計一種生物質熱解氣燃燒設備，將熱解產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熱解氣燃燒特性的影響。

1 生物質熱解氣基本特性

1.1 組分分析

如表1所示，生物質熱解氣的主要成分為生物質燃氣和氣態下的液體產物，可燃物占氣態產物的比例達到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%，通過對油樣檢測發現，其組成多達上百種，多為苯的衍生物和多環芳烴等高分子物質，熱值可達30 MJ/m3。木醋液占比33%，多為溶于水的酸性物質，成分較為復雜。

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]。空氣量的確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，%

m、n——分子數

得穩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熱解氣的化學反應速度或釋放能量的速度決定的，常用體積分數(%)或體積密度(mg/L)表示。生物質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，%，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——惰性氣體在生物質熱解氣中所占的體積分數，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]，鑒于生物質燃氣供氣壓力的波動性，為保證穩定燃燒，取供氣速度略大于燃氣燃燒時火焰傳播速度。將各單一可燃氣的火焰傳播速度代入

(3)

式中Um——燃氣的火焰傳播速度，m/s

VN2——混合氣體中N2的體積分數，取1.72%

VCO2——混合氣體中CO2的體積分數，取24.95%

Lm——對于各單一可燃氣體，達到最大火焰傳播速度時，該可燃氣占混合物的體積分數，%

可得火焰燃燒速度為0.913 m/s。

2 工作原理和整機結構

2.1 工作原理與工藝流程

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

圖1 設備流程圖Fig.1 Equipment flow chart

2.2 整機結構與工作過程

生物質熱解氣燃燒設備結構如圖2所示，主要由供風系統、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。供風系統由風機、液化氣供風管路、生物質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。燃氣管路設置兩級電磁閥門保護，故障時及時切斷燃料。整個控制系統采用PLC總體控制，通過組態軟件開發了人機界面，操作方便，運行安全可靠。

圖2 生物質熱解氣燃燒設備結構簡圖Fig.2 Schematic diagram of combustion device of biomass pyrolysis gas1.供風系統 2.燃燒器 3.燃燒室 4.催化裂解器 5.排煙管道 6.冷卻系統 7.支架 8.控制柜

生物質熱解氣燃燒器工作時，首先啟動風機，吹掃燃燒室，20 s后打開生物質熱解氣燃氣管路閥門，生物質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，關閉高壓點火，并經控制器將生物質熱解氣電磁閥鎖死，保證處于開啟狀態。在進行催化燃燒時先啟動液化氣燃燒系統，達到預定溫度后再進行熱解氣催化燃燒試驗，同時關閉液化氣燃燒系統。燃燒后的高溫煙氣進行風冷換熱，降溫后進行煙氣監測并排空。

2.3 主要技術參數

生物質熱解氣燃燒設備的主要技術參數如表2所示。

表2 生物質熱解氣燃燒設備的主要技術參數Tab.2 Main technical parameters of biomasspyrolysis gas combustion equipment

3 關鍵部件設計

3.1 燃燒器

圖3 生物質燃氣燃燒器示意圖Fig.3 Schematic diagram of biomass gas burner1.空氣管道 2.燃氣管道 3.連接法蘭 4.導流盤 5.穩焰板

綜合擴散式燃氣燃燒器運行溫度、不回火等優點，并結合生物質熱解氣本身的燃氣特性，如生物質熱解氣溫度高、壓力低、燃氣中含有生物質焦油等特性，生物質熱解氣燃燒設備采用擴散式結構。如圖3所示，擴散式燃燒器主要由生物質熱解氣管道、空氣管道、連接法蘭、導流盤及穩焰板等組成。

如表2所示，根據熱解氣產量2～5 m3/h，選定燃氣量3 m3/h進行設計計算，根據式(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，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

代入相關參數可確定燃氣流速為6.2 m/s，燃氣噴口直徑為13.1 mm。空氣流速為5.5 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均相預混，避免局部出現富燃料區而產生高溫熾熱點，設計了空氣導流盤，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運動，形成徑向和軸向壓力梯度，當劇烈旋轉時，氣體沿軸向發生反流動，產生內部回流區，可以極大提高混合程度。引用燃氣輪機旋流器葉片設計原理，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

根據相關設計經驗[22-26]，當旋流器葉片遮蓋度為1.0～1.5，葉片角度為40°～55°，葉片數目為8～12時能夠獲得較好的燃燒性能，結合燃燒器實際尺寸，取導流盤的葉片為12片，葉片傾角40°，遮蓋度為0.94。

3.2 控制系統

生物質熱解氣燃燒平臺的控制系統流程如圖4所示，根據設備需求開發兩種控制模式，模式1為熱解氣直燃系統，即在常溫狀態下，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，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，人機交互系統采用組態軟件MCGS開發的便于操作的設備畫面，用于數據的實時顯示和數據存儲及導出，手動控制系統主要是用于閥門的本地操作，防止因通信故障而造成設備損壞。

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

4 燃燒試驗與結果分析

4.1 試驗材料與測試方法

試驗設備加工完成后，在農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室進行燃燒試驗，圖5所示為設備三維圖及燃燒試驗圖。

圖5 設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產生的熱解氣為燃氣原料，產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3012H型自動煙塵(氣)測試儀等檢測儀器。

4.2 結果分析

4.2.1過剩空氣系數對燃燒效率的影響

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剩空氣系數與生物質熱解氣燃燒效率的關系曲線。由圖6a看出，隨過剩空氣系數增大，燃燒效率先升高后降低，當過剩空氣系數從1增加到1.16時，燃燒效率從93%增加到98.5%，達到峰值，隨著過剩空氣系數繼續增大時，燃燒效率呈下降趨勢，當過剩空氣系數為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，燃燒反應越完全，效率越高。但過多的空氣進入燃燒室，表現為空氣流速過快，而將部分未充分燃燒的燃料帶走，進而導致燃燒效率降低。

由圖6b看出，在催化劑作用下曲線規律與圖6a類似，不同的是燃燒效率的峰值出現了向右偏移，即當過剩空氣系數為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熱解氣與催化劑反應，大分子焦油等被裂解為小分子易燃物質，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熱解氣的催化燃燒反應，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調大，保證燃燒過程的充分進行。

4.2.2過剩空氣系數對NOx排放的影響

圖6 生物質熱解氣的過剩空氣系數與燃燒效率關系曲線Fig.6 Relationship curves between excess air coefficient and thermal efficiency of biomass pyrolysis gas

圖7 生物質熱解氣的過剩空氣系數與NOx排放量關系曲線Fig.7 Relationship between excess air coefficient of biomass pyrolysis gas and NOx emission

圖7a、7b為熱解氣的過剩空氣系數與NOx排放量關系曲線，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的質量濃度由130 mg/m3達到最大，為170 mg/m3，之后隨過剩空氣系數α增大而減小。由此可以看出，當過剩空氣系數達到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的產生量。

對比催化燃燒反應，催化劑作用下當過剩空氣系數在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區間內整體催化燃燒的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生物質熱解氣燃燒設備基本性能指標

對生物質熱解氣燃燒設備進行測試，結果如表3所示，在正常燃燒狀態和催化燃燒狀態下，燃燒設備性能較好，火焰為淡藍色、燃燒穩定，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%，滿足設計負荷。

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

5 結論

(1)進行了生物質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，測試結果表明該設備燃燒效率能夠達到98.9%，能穩定運行并滿足設計負荷。

(2)通過生物質熱解氣直接燃燒試驗，得到了過量空氣系數與燃燒效率、NOx排放量的關系曲線，測試結果表明，當過剩空氣系數為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生局部高溫，導致了NOx的大幅增加，這也是該設備需要改進研究的重點。

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