基于爐煙的生物質炭化系統研究

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，對于未來我國實現能源利用綠色低碳發展具有重要意義。研究生物質的大規模、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，難以規模化發展。生物質炭化的規模通常較小，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%。生物質發酵制沼氣的占地面積較大，我國北方地區冬季溫度低，無法保證發酵溫度。

文章提出基于爐煙的生物質炭化系統，在傳統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可持續發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炭化程度的需要進行設定，一般高于氣化反應溫度。

根據升溫速率、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；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，同時生成揮發分氣體，原料的內在水分進一步蒸發；③全面炭化階段：生物質物料全部分解，水分幾乎全部蒸發，揮發分氣體和焦油等氣、液態副產物全部析出，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間較寬，一般認為在200 ℃時開始炭化，達到300 ℃時低熱量的揮發分大量析出；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，實現能量的梯級利用。

生物質炭化系統流程如圖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，干燥后的生物質隨煙氣進入生物質炭化爐。繼續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)脫硝催化劑中毒現象。與傳統生物質摻燒不同的是，生物質炭化系統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 系統參數和性能

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，不會改變系統的主要研究結果。

3.1 燃料及煙氣參數

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，工業分析和元素分析結果見表1所列。

表1 秸稈顆粒工業分析和元素分析表 %

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見表2所列。

表2 干燥反應過程的物料流量及介質參數表

在干燥過程中，秸稈顆粒的外在水分蒸發至煙氣中，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分，生物質炭化系統設定炭化環境溫度為600 ℃。根據以往試驗研究結果，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見表3所列。

表3 炭化反應過程的物料流量及介質參數

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進行分析，得到該系統的性能指標結果，見表4所列。

表4 炭化系統出力及減碳能力

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

炭化產物初始狀態為顆粒度較小的炭顆粒，可根據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改造，新建生物質炭化系統相關設備及管道，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%)，綜合經濟效益優于傳統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改造為例，研究認為基于爐煙的生物質炭化系統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脫硝系統易中毒等問題。炭化過程中生物質的揮發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，年節約標準煤0.91萬t。

需要指出的是，該系統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。