生物質氣高溫燃燒器研究

王 智，田新民，王 韜，唐 暢，張志銀

（湖北省電力勘測設計院有限公司，武漢 430040）

碳中和、碳達峰是我國“十四五”時期污染防治攻堅戰的主攻目標，十四五規劃對二者提出了具體要求。十四五規劃發布以來，各類清潔能源技術得到政策支持[1]，發展迅速。傳統生物質直燃技術設備投資較高，但熱效率低且焦油污染嚴重[2]，發展受限。生物質氣化多聯產技術作為傳統直燃技術的升級版，具備廣闊的市場前景。本文針對生物質氣化技術中的焦油處理問題，設計了一種新型高溫燃燒器，在保證生物質氣中焦油完全燃燒的同時，降低NOx的排放量。

1 生物質氣化技術概述

目前，國內主流的生物質氣化技術是利用空氣作為氧化劑，將原料中的纖維素和木質素在一定條件下轉化為一氧化碳、氫氣及甲烷[3-5]等可燃氣體。可燃氣體既可供生產、生活直接燃用，又可通過內燃機或燃氣輪機發電進行熱電聯產，從而實現生物質的高效清潔利用。現階段，該技術存在三大主要問題。一是燃氣質量不穩定[6]，雜質較多。生物質氣化溫度較低，會產生大量成分非常復雜的焦油[7]。二是CO含量高，不符合城市居民使用燃氣標準[8]。三是燃氣凈化及焦油處理工藝有待改進。早期生物質氣化產生的燃氣主要采用冷燃氣利用方式，氣化爐出來的高溫燃氣需要經過冷卻、水洗等凈化設施，效率較低[9]，處理后的燃氣焦油含量仍較高，且產生的大量廢水需要處理。

為避免冷燃氣利用存在的諸多問題，近年來，生物質氣化多聯產項目開始采用熱燃氣利用技術，將氣化爐生產的高溫燃氣直接輸送至燃氣鍋爐，燃燒產生蒸汽發電或供熱。氣化爐出口燃氣溫度為650 ℃左右，焦油呈氣態[10]，不會凝結導致設備及管道堵塞。該技術既回收了燃氣的顯熱和焦油的化學能，提高了能量利用率，又避免了二次污染，降低了運行成本。

2 高溫燃燒器

2.1 研發背景

目前，常規的燃氣燃燒器只適用于常溫燃氣，無法滿足高溫燃氣的運行要求。燃氣溫度高，要求燃燒器采用耐高溫合金材料，使制造成本升高。燃氣壓力低，要求燃燒器具有較低的阻力，結構要求提高，其難以采用旋流燃燒方式，造成NOx排放量增大。若對燃氣進行增壓，高溫增壓風機選型困難，且設備投資較高。現有的高溫燃氣燃燒器存在實際使用溫度達不到設計溫度要求、配套附件不全、未進行型式試驗等問題，不能滿足《鍋爐安全技術規程》（TSG 11—2020）的要求。

由于沒有合適的高溫燃燒器，部分項目未直接選用燃氣鍋爐，而是先通過絕熱爐膛（見圖1），利用簡易燃燒器將高溫燃氣燃燒產生煙氣，再通過余熱鍋爐產生蒸汽供熱或發電。高溫燃燒器已成為限制熱燃氣利用技術發展的重要因素。

圖1 絕熱爐膛示意圖

2.2 技術路線選擇

綜合考慮技術和政策因素，可行的技術路線有兩條。方案一是通過換熱設備，將氣化爐出口燃氣溫度降到350 ℃左右，配燃氣鍋爐。方案二是研發專用高溫燃燒器，配燃氣鍋爐。方案一可以選用成熟的燃燒器和閥組，燃燒器及閥組價格相對較低，但增加了換熱設備和增壓設備，占地面積大且設備投資較高，同時冷卻介質選擇比較困難。方案二系統可靠，占地面積小，能源利用率高，但無適用的成熟燃燒器和閥組，要重新進行研發，燃燒器和閥組價格相對較高。綜合考慮兩種方案的優缺點，選擇方案二作為本次研究的技術路線。

2.3 輸入條件及設計原則

高溫生物質燃氣成分如表1所示。高溫生物質氣和高爐煤氣有很多相似之處，發熱量較低，著火溫度為530～650 ℃，含有約70%的惰性氣體和水蒸氣。同時，高溫生物質氣攜帶焦油、未燃盡的焦炭粒子、H2S以及HCl，低溫下會腐蝕設備和管道。

表1 高溫生物質燃氣成分

高溫燃燒器設計原則如下：采用高溫生物質氣直流+內外二次風旋流結構；在保證生物質氣穩定燃燒的前提下，最大程度降低NOx的生成量；在滿足運行要求的前提下，選擇成本較低的耐高溫材料；選擇滿足運行要求的耐高溫閥門組件。

2.4 設計方案

湖北省電力勘測設計院有限公司與武漢鍋爐股份有限公司合作，依托安徽某生物質氣化項目，共同研發了一款高溫燃燒器（見圖2），并進行了燃燒試驗（見圖3）。

圖2 高溫燃燒器示意圖

圖3 高溫燃燒器試驗現場

高溫燃燒器采用二級點火，即高能點火器點燃小氣槍，小氣槍再點燃生物質氣。點火燃料采用常溫天然氣，氣壓為8～15 kPa，耗量為30 Nm3/h。該燃燒器具有四大特點。

一是點火燃料和點火助燃風布置在中心風管內。點火時，點火燃料火焰引燃外圈的高溫生物質氣。點火完成后，生物質氣燃燒器正常運行，可通過調節中心風風量來調節回流區，以保證生物質氣穩定燃燒，同時降低NOx的生成。二是高溫生物質氣管道布置在中心風管外側，并包裹耐火保溫材料，避免熱量損失。考慮到高溫生物質氣的氣壓較低，本燃燒器生物質氣管道采用直流布置，以減少局部阻力。三是二次風采用分級供風工藝。二次風分成內、外兩股，內二次風旋流強度高，和直流的高溫生物質氣混合，有利于高溫生物質氣穩定著火；外二次風采用風量分配盤直流供風，可拉長高溫生物質氣火焰長度，降低高溫生物質氣火焰中心溫度，有利于降低NOx的生成。四是本燃燒器調節方便，負荷適應范圍廣，低負荷穩定性好。通過內、外二次風風門調節，可以改變內、外二次風風量分配。由于內二次風旋流強度大，外二次風直流布置，隨著風量的改變，整個燃燒器的旋流強度改變，可達到改變著火區位置及火焰形狀的目的。

經初步試驗檢測，單臺燃燒器最大生物質氣流量為7 050 Nm3/h，單臺燃燒器功率為3 MW，內外二次風風量比例為6∶4。燃燒后的煙氣中，NOx含量為94.3 mg/Nm3，CO含量為59.5 mg/m3。以上數據證明，該燃燒器運行工況已達到設計要求。

3 結論

生物質氣高溫燃燒器提高了能源利用效率，解決了焦油處理問題，同時降低了NOx的生成量，推進了生物質氣化多聯產技術的發展，極具市場前景。目前，該研發項目已完成了設計、加工和初步燃燒試驗，下一步需要進行燃氣適應性和壽命試驗，并根據試驗調整設計方案。方案定型后，還需要委托有資質的第三方進行型式試驗，合格后進入市場推廣階段。