《生物質氣化爐熱工性能試驗規程》的研究

江洪明 李新愛 喻孟全 郭捷昕?楊澤榕?陳英紅

近年來，隨著國家環保形勢的日益嚴峻，燃煤排放所產生的氮氧化物、二氧化硫、粉塵等大氣污染物對環境造成嚴重的污染，中小型燃煤鍋爐、窯爐的淘汰已經成為趨勢。當前，珠三角地區已經基本淘汰了10t/h以下的燃煤鍋爐，而生物質直燃鍋爐由于粉塵和氮氧化物的排放問題也受到越來越多的限制。生物質氣化爐可將秸稈、稻草、木屑、木片、玉米芯、稻殼等多種生物質原料氣化產生生物質燃氣，燃氣再通入鍋爐或者窯爐進行燃燒。通過嚴格的原料控制和合理的氣化工藝，生物質燃氣燃燒產物中氮氧化物和二氧化硫含量可以降至極低的水平，可以達到天然氣排放標準。

作為一種燃氣發生設備，氣化爐設備本身具有獨立性，對其進行獨立的能源平衡分析和熱工性能試驗具有其必要性。2006年，農業部發布了《秸稈氣化裝置和系統測試方法》（NY/T 1017—2006），該標準規定了以秸稈為原料（木質、稻殼等原料參照執行）的氣化裝置和系統的主要性能試驗方法。該標準操作簡單，試驗數據量少，可操作性強，可用于快速判斷生物質氣化系統的主要性能參數。其局限性在于：（1）試驗僅考慮了冷燃氣效率，不夠全面；（2）對于試驗工況的限制條件少，操作簡便但結果重復性較差、準確度較低。

2017年，廣東省質監局下達了起草廣東省地方標準《生物質氣化爐熱工性能試驗規程》的任務，目前該標準已報批。標準起草組對此展開了一系列的研究。

1試驗準備工作

試驗準備工作包括編制試驗大綱，分解試驗任務、確定試驗項目、試驗儀表和試驗人員組織等。此外，試驗應在系統處于正常、穩定運行狀態下進行，氣化爐進出爐的物料流和能量流應與其他氣化爐系統隔絕以便于準確計量這些物料流和能量流。為全面檢查試驗儀表是否正常工作、試驗人員是否熟悉試驗操作程序及試驗人員之間相互配合程度，并確定合適的運行工況，可進行預備性試驗。

2 現場試驗

2.1 試驗類型

該標準中將試驗分為兩種：氣化爐定型產品熱效率試驗和氣化爐運行工況熱效率試驗，兩者對試驗條件的要求有所不同。前者是在氣化爐出廠或者驗收時進行的試驗，反映了氣化爐在設計工況下的熱工性能，試驗要求嚴格，需在氣化爐主要熱力參數在許可波動范圍內而且其平均值已不隨時間不斷變化的狀態下進行試驗。而后者則主要針對在用生物質氣化爐進行的試驗，反映的是在用生物質氣化爐的運行性能，試驗工況要求較為寬泛。

2.2 試驗時間

熱工況穩定所需的時間（自冷態點火開始）根據各生物質氣化爐氣化工藝、原料成分和各廠家的生產技術水平等因素所需時間長短不一。從實際情況來看，大部分生物質氣化爐從冷態啟爐到能產出成分較為穩定的燃氣供應燃燒的時間從半個小時到三四個小時不等。該標準選取一般不少于4h，一方面是參考《工業鍋爐熱工性能試驗規程》（GB/T 10180）中的無磚墻燃煤鍋爐的要求；另一方面，生物質氣化爐從冷爐啟爐到爐膛溫度穩定，再到散熱穩定需要一定的時間。綜上，該標準選擇4h作為推薦值，能減少現場靠經驗工況穩定所產生的不確定性，是能滿足試驗要求的。

2.3 試驗穩定性指標的選擇

試驗時間綜合參考了GB/T 10180和NY/T 1017，實際操作中因為當前生物質氣化爐大多為自動化連續運行，4h的試驗時間已經可以反映生物質氣化爐的工況。該標準主要選取了產氣溫度和產氣速率2個指標來反映氣化的穩定性，主要是因為該2個指標容易控制、可以實時檢測，且基本能反映實際情 況；而更能直觀反映氣化穩定性的氣體成分指標，因為現場實時分析氣體難度較大，故未采納。

2.4 試驗次數和重復性要求

氣化爐定型產品熱效率試驗是氣化爐出廠、交工驗收時所做的試驗，需要嚴格要求，準確反應氣化爐的性能，所以該標準要求做兩次試驗，且兩次試驗效率差不超過4%。

對于氣化爐運行工況熱效率試驗是針對生物質氣化爐在用工況條件下的試驗，在用工況下生物質氣化爐多后接鍋爐、窯爐實時產氣實時燃燒，主要目的是為了判斷氣化爐在實際操作工況下的性能、分析氣化爐的熱損失、改進氣化爐的操作工況。工況受需求端的影響較大，難以保持穩定的運行工況，且工況也難以重復，所以該標準規定氣化爐運行工況熱效率試驗僅進行1次。

3 試驗方法

3.1 燃氣的計量

在燃氣流量的計量方面，由于出爐的燃氣為高溫且含有焦油等雜質，直接測量比較困難。目前測量有兩種方式：（1）將燃氣冷卻、凈化后測量； （2）通過惰性物質守恒的方法間接測量。將燃氣冷卻、凈化后測量無疑結果更加準確，但是燃氣的冷卻、凈化均需要相關設備，對于某些對熱態粗燃氣直接利用的在用生物質氣化爐，就需要額外增加冷卻凈化設備，操作難度較大。

有人提出，可以采用旁通管引出少量粗燃氣進行冷卻凈化，精確計量旁通管中的燃氣體積，再根據旁通管和主管的管徑比計算產氣量。這種方法操作難度大，不可控因素較多，主要是因為生物質粗燃氣根據工藝不同可能含有較多的焦油等物質，這些物質黏度大、容易黏附在管壁上，這就導致了主管和旁通管的實際管徑和管道內表面粗糙度難以精確測算。當然，惰性氣體物質守恒方法的應用應考慮氣化爐的漏風問題，這就要求測試時應嚴格限制氣化爐的漏風，否則誤差就會很大。綜上，在生物質氣化爐定型產品熱效率測試中，該標準要求出口燃氣經冷卻、凈化后直接測量；而在在用生物質氣化爐熱效率測試中，可以有限制地使用惰性物質守恒進行間接計量燃氣產量。

3.2 粗燃氣中水分的計量

粗燃氣中水分含量的計算一般根據氫平衡進行計算。這是因為燃氣冷卻后，焦油和水分凝出混合在一起，分別測量比較困難。利用燃料中的氫（使用蒸汽作為氣化劑時還要考慮氣化劑中的氫）和燃氣、焦油、水分中的氫平衡可以較為容易計算出燃氣中的水分含量。

3.3 粗燃氣中焦油和飛灰的采樣

標準中對焦油和飛灰的檢測規定參照了歐盟委員會制定的生物質氣化中分別測定焦油和灰塵含量的標準[1]。該方法可以準確地將生物質粗燃氣中的焦油、灰塵分離并分別計量。當然，對于一些要求并不精確的場合，可以采用經驗數據來取合適的焦油含量數據。

3.4 燃氣熱值的計量

燃氣的熱值化驗目前主要有直接化驗和間接計算兩種方法：直接化驗是利用《城市燃氣熱值和相對密度測定方法》（GB/T 12206），該方法準確、直觀，但是檢測需要專用的儀器。間接計算方法主要是用氣相色譜儀測定成分后，再進行計算。氣相色譜儀是一種常規的檢測儀器，目前各檢測機構非常常見；而且生物質燃氣的成分本身就是一個重要的性能指標，一般均需要測量。已知各成分以及含量后再計算燃氣熱值就非常簡單，所以該標準推薦采用間接計算法，這樣可以減少工作量，精度也可以接受。關于具體檢測哪些燃氣成分的問題，《秸稈氣化裝置和系統測試方法》（NY/T 1017）僅CO、CH4、O2和H2這4種氣體。一般來說，僅化驗這4種氣體是可以反映燃氣的熱值的，一般誤差不超過4%；重要的是，僅化驗這4種氣體可以僅采用2種色譜柱即可，降低了化驗設備的成本。該標準在以上4種氣體的基礎上，還化驗N2、CO2、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6，這是因為N2是作為氮平衡計算燃氣流量的重要指標，CO2的含量對于碳轉化率的測算也必不可少。C2H6、C2H4、C3H8、C3H6雖然含量較少，但是其熱值較高，增加了這幾種成分的化驗可以有效提高燃氣熱值計算的準確度，且只需要多增加一根色譜柱即可完成化驗，對化驗成本的增加較少。至于C4以及以上的烴類，無論從文獻報道還是實際操作來看，含量已經非常微量幾乎不可檢測；由于生物質原料N、S含量非常低，小分子的NH3和H2S等可燃物也未檢出。

3.5 燃料、殘炭的計量和采樣

燃料采樣制樣、計量主要參照目前應用較為成熟的GB/T 10180、《生物質固體成型燃料采樣方法》（NY/T 1879）、《生物質固體成型燃料樣品制備方法》（NY/T 1880）和《固體生物質燃料樣品制備方法》（GB/T 28730）中的方法，燃料、焦油和燃氣的發熱量分析方法分別采用目前廣泛應用的《固體生物質燃料發熱量測定方法》（GB/T 30727）、《火力發電廠燃料試驗方法 第8部分：燃油發熱量的測定》（DL/T 567.8）、《人工煤氣和液化石油氣常量組分氣相色譜分析法》（GB/T 10410），殘炭和飛灰的可燃物含量分析方法采用《飛灰和爐渣可燃物測定方法》（DL/T 567.6）。

焦油的熱值化驗當前沒有成熟的標準。當前電力行業對于燃油的化驗比較成熟，燃油的化驗分為輕油和重油，輕油和重油的化驗方法大致相同，但是在試樣的處理方面有各自的規定。對于輕油，在試樣保存、化驗的過程中需要注意防止其揮發；對于重油，需要預熱，充分混勻后取樣化驗。焦油是一種混合物，既有輕質易揮發組分也有重質組分，實際操作中既需要注意混勻后測量也需要注意防止揮發，所以該標準綜合了DL/T 567.8中有關輕油、重油的試驗要求進行焦油的熱值測定。

4 氣化爐效率的計算

該標準中的燃氣效率分為冷燃氣效率和氣化熱效率。前者對應的是出爐經過冷卻、凈化后的不含水冷燃氣低位熱值與輸入熱量的比值，該指標對于需要貯存、長距離運輸和對于燃氣品質要求嚴格的場合很重要。由于該指標僅考慮燃氣中常溫下氣態成分的化學反應熱，所以降低氣化爐出口燃氣溫度，降低焦油、飛灰含量就顯得尤為重要。

后者對應的是氣化爐出口未經冷卻、凈化處理的粗燃氣熱量（除凈燃氣低位熱值外，還包含焦油、飛灰的低位熱值和粗燃氣中各組分的顯熱）與輸入熱量的比值。該指標主要針對氣化爐出口燃氣直接可以就地利用，且對燃氣品質要求不高的場合，燃氣的顯熱可以作為鍋爐或者窯爐的輸入熱量，焦油、飛灰也可以直接噴入爐膛燃燒。

5 其他量的計算

其他量的計算包括焦油熱、氣體熱、飛灰熱、散熱損失和殘炭熱損失等。

5.1 焦油熱

對于焦油熱的計算，主要包括焦油含量的檢測和焦油熱值的化驗。焦油含量的檢測參見本文3.3，考慮到檢測焦油含量較為繁瑣，該標準推薦了一些經驗值，對上吸式氣化爐每千克燃料可取0.05千克焦油，對流化床氣化爐每千克燃料可取0.02千克焦油，對下吸式氣化爐和其他低焦油氣化工藝可忽略。在對結果準確度要求不高的場合，這樣的估算不會造成太大的誤差。但是在生物質氣化爐驗收試驗、定型試驗等精度要求較高的場合，還是應該以實測值為準。焦油在取樣溫度和基準溫度下的焓值差計算，該標準采用苯的焓值差來估算。主要是因為，焦油含量高的氣化工藝，氣化爐出口燃氣溫度一般較低（一般上吸式氣化爐出口溫度不高于120℃）；而出口燃氣溫度高的氣化工藝，氣化爐出口焦油含量極低，這就造成了焦油的焓值差本身非常小。另一方面，焦油的成分非常復雜多樣，直接試驗其比熱容或者焓值差難度較大，所以建議用苯的焓值差來代替焦油在取樣溫度和基準溫度下的焓值差不會產生較大誤差，且大大降低了工作量和對試驗設備的要求。

5.2 氣體熱

對于氣體熱的計算，主要包括凈燃氣氣體顯熱和燃氣中水分的熱量。燃氣中水分含量的計算可以通過氫平衡來計算，然后通過查表的方式可以計算出水分的焓值差；燃氣氣體的顯熱也可以通過燃氣中各組分的比熱容來進行計算。

5.3 飛灰熱

對于飛灰熱的計算，主要包括隨粗燃氣夾帶出氣化爐的碳粒和灰塵的化學熱及其顯熱。

5.4 散熱損失

對于散熱損失的計算，主要參考了GB/T 10180中的有關規定。熱流計法是檢測試驗散熱損失比較直觀、準確的方法，但是在實際操作中由于比較繁瑣，應用較少。計算法認為氣化爐的散熱取決于氣化爐的外表面溫度以及散熱面積，數據容易獲得，計算精度尚可。其中散熱公式中的常數取自參考文獻[2]。

5.5 水冷熱損失

有部分生物質氣化爐對爐體外表面進行了水冷卻，這些氣化爐的外表面實測溫度較低，直接散熱的損失較小，冷卻水帶出的熱量較多，且冷卻水帶出的熱量計算方法與表面散熱的計算方法不同，該標準給予單獨考慮。計算該種情況下的散熱損失時，應計算其冷卻水的流量和進出口溫度來計算氣化爐的水冷熱損失。

5.6 殘炭熱損失

對于殘炭熱損失的計算，包括了殘炭的化學熱（通過檢測可燃物含量計算）和顯熱。部分氣化爐中的殘炭是直接排入水中冷卻的，這種情況下直接測量殘炭的溫度比較困難，該標準給出了一些經驗數據。

5.7 氣化強度

氣化強度一般有3種表達方式：分別為單位時間內氣化爐單位有效截面積上，氣化的燃料量、產生的燃氣量或者燃氣的熱量。考慮到實際中3種方式均有應用，該標準給出了這3種表達方式的公式。應該指出，氣化強度的比較只在爐型相同時才有意義。對于不同爐型，由于爐膛形狀不同，截面積的定義可能是不同的。例如，下吸式氣化爐，爐膛中有一個縮口，其氣化強度定義在縮口段的最小截面積上，這個截面積僅相當于爐膛直段截面積的1/5～1/4，其氣化強度比沒有縮口段的上吸式氣化爐和層式下吸爐高得多；再比如流化床氣化爐和固定床氣化爐的反應機制差很多，在它們之間比較氣化強度也意義不大。

5.8 碳轉化率

碳轉化率是評價氣化過程中碳元素轉移到燃氣（常溫下氣態物質，包括CO、CO2、CH4、H2和CmHn等）中的比例。提高碳轉化率的方法，一是降低焦油的產生量，二是降低殘炭中的碳含量，這樣可以盡可能提高燃氣中碳元素所占的份額。應該指出，碳轉化率并不代表氣化效率，因為在燃氣中還存在著不可燃燒的二氧化碳，它也計算在碳轉換率中。