詹 昊，蘇德仁?，潘賢齊，張家平，李新愛，湯廣穩(wěn)，周 意

（1. 廣東正鵬生物質(zhì)能源科技有限公司，廣州 511340；2. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640）

生物質(zhì)氣化技術(shù)鍋爐供熱的工業(yè)化應(yīng)用特性*

詹 昊1，蘇德仁1?，潘賢齊2，張家平1，李新愛1，湯廣穩(wěn)1，周 意2

（1. 廣東正鵬生物質(zhì)能源科技有限公司，廣州 511340；2. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640）

以某工業(yè)化應(yīng)用示范項目為對象，研究并討論了生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱的系統(tǒng)運行特性及能耗情況，分析了示范項目的環(huán)境影響及經(jīng)濟性。結(jié)果表明：相比其他生物質(zhì)原料，紅木應(yīng)用于示范項目表現(xiàn)出最佳運行特性；基于紅木的系統(tǒng)能耗分析得出排煙損失、循環(huán)冷卻水熱損及爐體散熱約占總能量的16%，為項目可節(jié)能的方向；示范項目低污染物排放和CO2零排放的環(huán)境友好性，低投資回收期和高投資收益的經(jīng)濟性，表明項目運行具有很好的前景。同時，指出了蒸汽銷售價格是保證類似規(guī)模項目經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。

示范項目；生物質(zhì)氣化；能耗；紅木；環(huán)境影響；經(jīng)濟性

0 前 言

工業(yè)鍋爐是重要的熱能動力設(shè)備，需求量大。據(jù)統(tǒng)計，截至2011年，我國有工業(yè)鍋爐61.06萬臺，總?cè)萘?51.29萬MW，占在用鍋爐總量的98.44%。其中，燃煤鍋爐約占85%，燃油（氣）鍋爐約占15%[1]。隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的不斷發(fā)展，2015年工業(yè)鍋爐總臺數(shù)和總?cè)萘繉⒃鲋?7萬臺和400萬 MW，到2020年將增至72萬臺和450萬MW。工業(yè)鍋爐為高耗能和高污染特種設(shè)備，年耗能源占我國能源消耗總量的1/4，僅次于電站鍋爐[2]。目前，我國燃油（氣）鍋爐實際熱效率平均為80%～85%（設(shè)計效率一般為85%～90%），燃煤鍋爐實際熱效率平均為60%～65%（設(shè)計效率一般為72%～80%），每年額外消耗燃料達千萬噸[3,4]。同時，工業(yè)鍋爐排放大量煙塵、SO2及NOx等污染物，污染物每年排放約為：煙塵800萬t、SO2900萬t、CO212.5億t[5]。針對工業(yè)鍋爐高能耗高污染現(xiàn)狀，國家出臺嚴格的工業(yè)鍋爐污染物排放標準[6]，使區(qū)域內(nèi)燃煤燃油鍋爐企業(yè)被迫面臨3種選擇：①改用傳統(tǒng)清潔燃料（天然氣、石油液化氣、煤氣等）；②整體搬遷至環(huán)保相對寬松地區(qū)（內(nèi)陸、郊區(qū)等）；③小型鍋爐企業(yè)被迫停產(chǎn)。從企業(yè)經(jīng)濟性或社會環(huán)保性出發(fā)，這3種選擇皆非優(yōu)選。此外，生物質(zhì)直燃在鍋爐實際應(yīng)用中，因排放需按燃氣標準，加之原料不易監(jiān)管，推廣過程受到相關(guān)環(huán)保政策限制[7]。鑒于工業(yè)鍋爐節(jié)能減排的迫切需求，本文介紹并探討一種新型生物質(zhì)氣化工業(yè)鍋爐供熱技術(shù)。

生物質(zhì)氣化工業(yè)鍋爐供熱技術(shù)是通過能量利用方式的轉(zhuǎn)變，將固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)可燃氣，可燃氣通過凈化、輸送、燃燒供熱于鍋爐的技術(shù)。目前，國外生物質(zhì)氣化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要以供熱、發(fā)電和合成液體燃料為主，部分技術(shù)已實現(xiàn)商業(yè)化，形成規(guī)?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營[8,9]；國內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要以氣化發(fā)電和農(nóng)村氣化供氣為主，氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱應(yīng)用剛剛起步，實際運行項目較少[10,11]。本文以某生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱工業(yè)化應(yīng)用示范項目為對象，結(jié)合生物質(zhì)氣化技術(shù)與工業(yè)鍋爐供熱技術(shù)的特點，研究了該項目的運行特性及能耗情況，通過分析項目系統(tǒng)環(huán)境影響及經(jīng)濟性，提出了生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱應(yīng)用發(fā)展的相關(guān)建議。

1 應(yīng)用技術(shù)基本特征

1.1 技術(shù)原理及工藝系統(tǒng)

應(yīng)用技術(shù)原理是在一定熱力學(xué)條件下，借助于氣化介質(zhì)（空氣、氧氣或水蒸氣等）作用，生物質(zhì)碳水化合物在氣化裝置（氣化爐）中發(fā)生熱解、氧化、還原、重整反應(yīng)，熱解伴生的焦油進一步熱裂化或催化裂化成小分子碳氫化合物，產(chǎn)生含CO、H2及CH4等組分的生物質(zhì)可燃氣?？扇細饨?jīng)高溫凈化、輸送至鍋爐燃燒器燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能供應(yīng)鍋爐生產(chǎn)，以滿足其工藝要求。

工藝系統(tǒng)如圖1所示，包括生物質(zhì)自動進料系統(tǒng)、生物質(zhì)氣化系統(tǒng)、生物質(zhì)燃氣凈化輸送系統(tǒng)、生物質(zhì)燃氣鍋爐燃燒系統(tǒng)、主輔設(shè)備控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。①生物質(zhì)原料由生物質(zhì)自動進料系統(tǒng)（皮帶輸送機、斗式提升機、進料螺旋）輸送，電子皮帶秤計量進料量，氣化介質(zhì)（空氣）由羅茨風(fēng)機輸送，渦街流量計監(jiān)控進風(fēng)量，根據(jù)配風(fēng)及溫度控制，原料與空氣在氣化爐內(nèi)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫生物質(zhì)燃氣，反應(yīng)后產(chǎn)生的炭渣由爐底排出，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對氣化爐體進行保護。氣化系統(tǒng)配置有多個測溫測壓元件，監(jiān)控各區(qū)域溫度和壓力。②在高溫引風(fēng)機作用下，燃氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器除塵后，由燃氣管道輸送至鍋爐生物質(zhì)燃氣燃燒器，管道采用多層保溫，減少燃氣顯熱損失。③在煙氣氧含量監(jiān)控和合理配風(fēng)調(diào)節(jié)下，生物質(zhì)燃氣通過燃燒器燃燒，加熱軟水，生產(chǎn)蒸汽。煙氣通過省煤器預(yù)熱軟水后，經(jīng)布袋除塵器除塵，由引風(fēng)機排至煙囪，鍋爐燃燒系統(tǒng)儀器儀表按相關(guān)規(guī)定[12]配置，確保生產(chǎn)運行安全。④系統(tǒng)通過參數(shù)采集、反饋及調(diào)節(jié)，實現(xiàn)生產(chǎn)運行半自動控制，所有運行參數(shù)均可實時在線采集。

圖1 生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)鍋爐供熱工藝系統(tǒng)圖Fig. 1 Flow sheet of biomass gasification technology applied in industrial boiler heat-supply

1.2 主要設(shè)備特征

生物質(zhì)氣化爐是燃氣生產(chǎn)的核心設(shè)備。本文采用混流式固定床氣化爐[13]，區(qū)別于傳統(tǒng)上吸式、下吸式氣化爐，該氣化爐通過多級配風(fēng)、分層反應(yīng)，可有效提升原料處理能力、提高氣化效率、拓寬原料適應(yīng)性。氣化爐通過爐頂溫度控制進料，爐底溫度控制排渣，進料及排渣均采用間歇方式，氣化爐示意圖見圖2。

爐底測溫點距爐排約300 mm，爐中測溫點距爐排約2 600 mm，爐頂測溫點距爐頂約200 mm，氣化爐技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 混流式固定床氣化爐示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the fixed-bed gasifier

表1 混流式固定床氣化爐技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the fixed-bed gasifier

2 示范項目運行特性

2.1 示范項目基本情況

本研究的示范項目使用1臺生物質(zhì)氣化爐生產(chǎn)生物質(zhì)燃氣，供熱于2臺鍋爐。氣化爐額定輸出熱容量為7 MW，鍋爐一用一備，型號為WNS8-1.25-YQ。項目于2012年投產(chǎn)，目前持續(xù)生產(chǎn)運行中。

2.2 系統(tǒng)運行特性

通過考察示范項目24 h連續(xù)運行的“氣化爐?凈化及管道?鍋爐”耦合系統(tǒng)，以桉木、紅木、橡膠木及棕櫚殼為原料，研究了系統(tǒng)的生物質(zhì)氣化特性（碳轉(zhuǎn)化效率和熱氣化效率）及單耗規(guī)律。碳轉(zhuǎn)化效率ηC指生物質(zhì)原料中的碳轉(zhuǎn)化為燃氣中碳的比例。熱氣化效率ηhot指生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化的燃氣所攜帶熱量與原料熱值之比。單耗m指每生產(chǎn)1 t蒸汽所消耗的生物質(zhì)原料量。

碳轉(zhuǎn)換效率ηC計算式為：

式中：Gv為氣體產(chǎn)率，指單位原料（收到基）氣化后產(chǎn)生燃氣（標態(tài)）的體積，Nm3/kg；Cf為原料（收到基）中含碳量，%；2COV、COV、4CHV、nmCHV為燃氣（標態(tài)）中含碳元素各組分體積分數(shù)，%。

熱氣化效率ηhot計算式：

式中：Gv為氣體產(chǎn)率，Nm3/kg；Qv.f為單位原料收到基低位熱值，MJ/kg；Qv.hot為單位熱燃氣所攜帶熱量，MJ/Nm3。

單位熱燃氣攜帶熱量Qv.hot計算式：

式中：Qv.LHV為燃氣可測組分熱值，MJ/Nm3，Qv.Tar為燃氣不可測組分熱值，MJ/Nm3，值取0.075×Qv.LHV[14]；Qv.SH為熱燃氣顯熱，MJ/Nm3。

可測組分熱值Qv.LHV計算式為：

生物質(zhì)原料外觀及尺寸如圖3所示。

圖3 生物質(zhì)原料外觀圖Fig. 3 Appearance of biomass

本文工業(yè)分析采用煤的工業(yè)分析方法[15]，使用KH-45A電熱恒溫干燥箱（康恒儀器有限公司）、SX2-4-10NP箱式電阻爐（上海一恒科技有限公司）及5E-AC/PL自動量熱儀（長沙開元儀器股份有限公司）進行測定；元素分析采用vario EL cube元素分析儀（德國 elementar儀器公司）進行測定。采用文獻[16]的方法去除濕燃氣中焦油及顆粒，利用無水CaCl2吸收并測定濕燃氣含水量，得到的干燃氣采用Agilent氣相色譜HP7890A檢測。表2給出了氣化過程各生物質(zhì)原料及所產(chǎn)燃氣性質(zhì)。

本文討論了不同進風(fēng)量調(diào)節(jié)下，4種生物質(zhì)原料氣化特性規(guī)律，同時考察了氣化爐內(nèi)的溫度變化特性。4種原料氣化的原料消耗量、熱氣化效率、碳轉(zhuǎn)化效率隨進風(fēng)量的變化趨勢見圖4。

表2 生物質(zhì)原料及燃氣性質(zhì)Table 2 Characteristics of biomass and biomass gas fuel

圖4 不同生物質(zhì)原料氣化的原料消耗量（a），熱氣化效率（b）及碳轉(zhuǎn)化效率（c）隨進風(fēng)量變化Fig. 4 The change on the Biomass consumption ( a), hot gasification efficiency (b) and carbon conversion efficiency (c) vs. flow rate of air input, respectively

如圖4a所示，4種原料氣化的原料消耗量均隨進風(fēng)量的增加而增大，原料種類影響差別不大，這是因為氣化爐穩(wěn)定運行時當(dāng)量比及氣體產(chǎn)率穩(wěn)定在一定范圍。如圖4b所示，隨進風(fēng)量增大，紅木、桉木及橡膠木氣化的熱氣化效率先升高后降低，而棕櫚殼氣化的熱氣化效率持續(xù)上升。一方面，在進風(fēng)量超過1 400 Nm3/h時，繼續(xù)增加進風(fēng)量，前三種生物質(zhì)因參與燃燒份額增加，氣化效率降低；另一方面，棕櫚殼揮發(fā)分低、固定碳高，需要在較高溫度下達到高氣化效率。相比之下，紅木氣化效率最高，桉木與橡膠木次之，棕櫚殼最低。由圖4c可見，碳轉(zhuǎn)化效率隨進風(fēng)量增加而提高。這是由于增加進風(fēng)量會提高氣化爐反應(yīng)溫度，促進原料中固定碳轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物。此外，紅木氣化的碳轉(zhuǎn)化效率最高，桉木與橡膠木接近，棕櫚殼最低。一方面，棕櫚殼固定碳高，相比揮發(fā)分，固定碳轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物速率較慢，反應(yīng)溫度要求更高；另一方面，棕櫚殼尺寸較小，易從爐排間隙排出，在氣化停留時間較短，碳轉(zhuǎn)化效率較低。綜上所述，紅木在氣化效率及碳轉(zhuǎn)化效率方面均表現(xiàn)出較好的氣化特性，桉木及橡膠木效果次之，棕櫚殼氣化特性較差。

圖5為在進風(fēng)量為1 300～1 500 Nm3/h、連續(xù)運行48 h情況下，4種生物質(zhì)原料氣化過程爐內(nèi)的溫度（爐頂、爐中、爐底）分布情況。

圖5 不同原料氣化過程爐內(nèi)溫度變化分布圖Fig. 5 Temperature distribution of the reactor in different biomass gasification processes

如圖5所示，不同原料氣化時，氣化爐爐頂溫度（干燥熱解區(qū)）穩(wěn)定在130℃～150℃，爐中溫度（還原區(qū)）穩(wěn)定在550℃～650℃，爐底溫度（氧化區(qū)）穩(wěn)定在800℃～950℃，氣化過程可穩(wěn)定進行。棕櫚殼氣化過程爐內(nèi)溫度梯度較大，爐底溫度最高，為1 000℃以上，偏燒現(xiàn)象明顯。溫度分布特性主要由真密度、顆粒尺寸等原料特性決定，其中原料真密度：橡膠木＜桉木＜紅木＜棕櫚殼，原料顆粒尺寸：紅木≈橡膠木＞桉木＞棕櫚殼。棕櫚殼密度大，顆粒尺寸小，形成料層孔隙率小，阻力大，傳熱速率慢，反應(yīng)速率慢，導(dǎo)致爐底溫度偏高，爐中溫度偏低，穩(wěn)定性較差。紅木、桉木、橡膠木密度小，顆粒尺寸大，形成料層孔隙率大，阻力小，傳熱效果好，有利于爐內(nèi)溫度均布和調(diào)節(jié)，其中，紅木氣化過程穩(wěn)定性最高。

在相近氣化條件下，以連續(xù)運行20天為周期，統(tǒng)計日原料消耗量及日蒸汽產(chǎn)量，得4種原料系統(tǒng)單耗變化圖，見圖6。

圖6 不同生物質(zhì)原料氣化過程系統(tǒng)單耗變化圖Fig. 6 The change on biomass consumption per ton steam production under different biomass gasification

如圖6所示，不同原料單耗隨運行天數(shù)變化趨勢相同。系統(tǒng)運行初期，因其本身達到穩(wěn)定需一段時間，單耗偏高；隨著系統(tǒng)穩(wěn)定運行，單耗下降且趨于穩(wěn)定；運行時間延長，因管道及設(shè)備積灰、爐內(nèi)反應(yīng)不均等原因，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，單耗均有所升高。從長期運行來看，紅木、桉木、橡膠木、棕櫚殼氣化單耗分別約為230 kg/tsteam、242 kg/tsteam、250 kg/tsteam、253 kg/tsteam。相比收到基熱值相近的桉木和橡膠木，紅木氣化單耗最低，該結(jié)果與較優(yōu)的氣化特性相一致。此外，棕櫚殼因氣化特性較差，單耗最高，但由于其收到基熱值較高，單耗基本接近橡膠木。

2.3 系統(tǒng)能耗分析

示范項目系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程：生物質(zhì)原料經(jīng)氣化爐轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)熱燃氣，熱燃氣經(jīng)除塵凈化，管道輸送至鍋爐燃燒，產(chǎn)生蒸汽。本文基于紅木原料，以氣化爐、凈化及輸送管道、鍋爐為單元，分析示范項目實際生產(chǎn)系統(tǒng)能耗情況，圖7為系統(tǒng)能量流向圖。

圖7 系統(tǒng)能量流向圖Fig. 7 Details on system energy balance

各部分能量相關(guān)計算方法如下。

（1）氣化介質(zhì)及助燃空氣均為常溫空氣，Q2、Q10忽略不計。

（2）固（液）體物流顯熱計算式：

式中，mx、fx(T)分別為某固（液）體物流x質(zhì)量和顯熱函數(shù)。

（3）氣體物流顯熱計算式：

Vx、gx(T) 分別為某氣體物流x體積和顯熱函數(shù)。

（4）相關(guān)溫度數(shù)據(jù)：氣化爐出口燃氣溫度約550℃，炭渣溫度約850℃，鍋爐進口燃氣溫度約450℃，旋風(fēng)除塵器出口粉塵溫度約190℃，鍋爐進水溫度約50℃，排煙溫度約200℃。

（5）Q5為氣化爐爐體散熱量[17]。

式中，Ai為外壁散熱面積，Tow為外壁溫度，Tair為空氣溫度，ε為表面輻射率，取0.9，κ為爐壁方位修正系數(shù)，水平面朝下取1.1，水平面朝上取2.1，垂直面取1.5。

（6）Q8為凈化及輸送管道進出口物料（燃氣、粉塵）顯熱差。

（7）Q13為鍋爐系統(tǒng)散熱及不完全燃燒損失。

表3為系統(tǒng)各部分能量計算結(jié)果。

表3 系統(tǒng)各部分能量情況Table 3 Details on system energy distribution

從生物質(zhì)原料到蒸汽，系統(tǒng)熱損主要包括：①循環(huán)冷卻水、炭渣及粉塵帶走熱量；②管道及設(shè)備散熱損失；③煙氣帶走熱量。決定這些熱損的因素為熱氣化效率、管道及設(shè)備保溫效率、鍋爐效率。由表3可知，氣化爐輸出總熱量為367.75 GJ/d，與輸入總熱量偏差為0.7%，屬計量誤差。循環(huán)冷卻水熱損、爐底炭渣熱損、爐體散熱分別占4.8%、4.2%、2.8%，凈化及輸送管道段熱損占2.4%，鍋爐前熱氣化效率為84.2%；以鍋爐為對象，排煙損失占10.7%，散熱及不完全燃燒損失占4.5%，鍋爐效率偏低，為84.8%。原因在于省煤器換熱效率較低，排煙溫度較高，帶走了大部分熱量。由系統(tǒng)能量流向情況可知，提高系統(tǒng)整體效率的主要措施包括：①改善省煤器換熱效率，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率；②改變氣化爐循環(huán)冷卻水控溫方式，有效利用此部分熱量；③對爐體及設(shè)備進行保溫，降低散熱損失。

3 示范項目環(huán)境影響分析

3.1 污染物分析

本示范項目生產(chǎn)運行所涉及污染物包括揚塵、噪聲、炭渣及粉塵、鍋爐煙氣污染物（SO2、NOx、煙塵）。煙氣污染物采用嶗應(yīng)3012H型自動煙塵（氣）測試儀進行在線檢測。

生物質(zhì)原料機械強度不高，項目所使用原料含水量低（Mar≤18%）、顆粒尺寸小（P25～100mm≥90%），在運輸、裝卸或上料過程中，由于撞擊摩擦，會產(chǎn)生一定量揚塵。示范項目采用噸袋儲運及裝卸原料，使原料運輸、存儲、裝卸過程密封；同時上料過程全封閉，上料時揚塵通過風(fēng)機抽至布袋除塵器，收集揚塵量實測為25～35 kg/mon。

示范項目的噪聲主要由風(fēng)機、水泵等設(shè)備工作產(chǎn)生，運行時噪聲級約在60～70 dB(A)。噪聲源最強為70 dB(A)，采用消聲、基礎(chǔ)減震、墻體隔聲措施后，根據(jù)點源距離衰減公式[18]估算，噪聲等級符合工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準[19]。

氣化爐反應(yīng)產(chǎn)生一定量副產(chǎn)物炭渣，約0.65～0.75 t/d，熱燃氣凈化過程產(chǎn)生一定量粉塵，約100～120 kg/d，無組織堆放會污染環(huán)境。采用水封降溫裝袋、集中運送方式處理炭渣及粉塵，用于制取活性炭或炭基復(fù)合肥。

對于鍋爐煙氣SO2，各段工藝過程無硫元素引入，硫化物中硫來源于生物質(zhì)原料。本文計算并測定了系統(tǒng)的硫遷移過程，見表4。

表4 系統(tǒng)硫遷移情況（以天為基準）Table 4 The sulfur transfer of the system

由表4硫遷移過程計算可知，煙氣中SO2含量為34 mg/Nm3，SO2實測值為26～38 mg/Nm3。

對于鍋爐煙氣NOx，生物質(zhì)含氮約為0.08%～2.5%，木本原料含氮量均在1%以下，氣化過程氮轉(zhuǎn)化為N2、NH3、HCN和NOx[20]。大型氣化器中，NH3為主要含氮產(chǎn)物，原料中60%氮轉(zhuǎn)化成燃氣中的NH3[21]。文獻[22]指出，氣化過程溫度低于1 200℃時，無熱力型NOx，快速型NOx占總NOx量5%以下，70%～90%為燃料型NOx。項目所用原料含氮量均低于0.5%，有效控制燃料型NOx的生成；通過煙氣氧量實時監(jiān)控及合理配風(fēng)聯(lián)動調(diào)節(jié)，使爐膛內(nèi)均勻燃燒，有效控制熱力型NOx的生成。煙氣NOx實測值為134～150 mg/Nm3，其中，CO檢測值為80～90 ppm。

對于鍋爐煙氣煙塵，前端燃氣凈化可去除大部分粉塵，凈化后燃氣含塵量約500～600 mg/Nm3，該部分粉塵為細小炭粒，在鍋爐中能進一步燃燒。此外，通過后端布袋除塵器除塵，可控制煙塵含量。煙氣煙塵實測值為15～25 mg/Nm3。

鍋爐煙氣污染物排放達到鍋爐大氣污染物排放標準[6]，對環(huán)境影響較小。

3.2 碳足跡分析

表5 碳足跡分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 5 Data for carbon print analysis of system

本文基于碳足跡分析方法[23]，分析了示范項目系統(tǒng)供熱過程全生命周期的間接或直接碳排放。以紅木為例，原料來源于家具邊角料或林業(yè)三剩物。供熱過程碳足跡包括：①生物質(zhì)木材生長過程；②生物質(zhì)木材收集加工過程；③原料（家具邊角料、林業(yè)三剩物）運輸過程；④原料氣化、燃氣凈化、燃燒供熱過程。

以示范項目產(chǎn)能規(guī)模50 000噸/年為基準，碳足跡分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表5。

根據(jù)經(jīng)濟價值分配[24]，所用原料為生物質(zhì)木材收集加工過程的廢棄物或剩余物，該過程碳排放不計入供熱過程碳排放。碳足跡分析見表6。由表可知，供熱過程全生命周期碳排放量為1.41 g CO2eq/(kW·h)。從全生命周期來看，由于氣化過程炭渣綜合利用帶走一部分碳，使末端鍋爐煙氣直接碳排放小于始端生物質(zhì)原料的碳吸收，但由于原料及副產(chǎn)物運輸、生產(chǎn)運行動力消耗等碳足跡活動，增加了間接碳排放。從數(shù)值上看，該供熱過程可實現(xiàn)CO2近零排放。

表6 碳足跡分析Table 6 Carbon print analysis of system

4 示范項目經(jīng)濟性分析

4.1 經(jīng)濟性分析

本文以示范項目蒸汽銷售價格320元/蒸噸，原料單價950元/噸，產(chǎn)能規(guī)模50 000噸/年，綜合熱效率71.4%為基準，分析了項目供熱的經(jīng)濟性。各項經(jīng)濟性指標見表7。

由表7可知，在示范項目運行綜合成本中，原料費用所占比例最高，達80%以上。在該產(chǎn)能及投資規(guī)模下，項目年凈利潤達170萬余元，含項目建設(shè)期的投資回收期（稅后）為2.9年，10年總投資收益1 200萬余元，對于此規(guī)模的示范項目，經(jīng)濟效益比較可觀，可實現(xiàn)穩(wěn)定盈利。

表7 示范項目投資概算Table 7 Capital investments for demonstration

4.2 敏感性分析

本文以原料價格、蒸汽銷售價格、產(chǎn)能規(guī)模、綜合熱效率為考察因素，對示范項目經(jīng)濟效益進行了敏感性分析。以經(jīng)濟性分析數(shù)據(jù)為基準，各因素對示范項目投資回收期及10年投資收益的影響見圖8。

圖8 項目投資回收期（a）和10年投資收益（b）隨各因素波動幅度變化Fig. 8 Investment recovery period (a) and investment income of 10 years (b) vs. volatility of factors, respectively

由圖8可知，隨著蒸汽銷售價格上漲、綜合熱效率提高、原料價格下跌、產(chǎn)能規(guī)模增大，項目投資回收期縮短，10年投資收益增加。其中，對項目經(jīng)濟效益影響最大的為蒸汽銷售價格，綜合熱效率及原料價格影響次之，產(chǎn)能規(guī)模影響最小。此外，從圖中還可看出，蒸汽銷售價格及綜合熱效率對經(jīng)濟效益的影響在基準負波動幅度范圍內(nèi)更為顯著，尤其是蒸汽銷售價格的影響。當(dāng)其波動幅度至?10%時，投資回收期上升至8年以上，10年投資收益僅為85萬元，示范項目微盈利，以上結(jié)論均與本示范項目供熱規(guī)模有關(guān)。因此，對于類似規(guī)模的供熱項目（100 000蒸噸/年以下），項目合作應(yīng)嚴格控制蒸汽銷售價格，確保項目經(jīng)濟效益。而提高本項目盈利能力的措施主要在于兩點：①穩(wěn)定原料供應(yīng)渠道及市場，控制或降低原料價格；②優(yōu)化項目工藝，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，降低能量損失，提高綜合熱效率。

5 結(jié) 論

本文研究了某工業(yè)化應(yīng)用生物質(zhì)氣化工業(yè)鍋爐供熱示范項目的運行特性、能耗情況、環(huán)境影響及經(jīng)濟性，得到如下結(jié)論：

（1）不同生物質(zhì)原料應(yīng)用于該示范項目供熱，紅木在碳轉(zhuǎn)化效率、熱氣化效率、氣化穩(wěn)定性及單耗方面均表現(xiàn)出最佳運行特性；

（2）基于紅木的系統(tǒng)能耗分析得出排煙損失、循環(huán)冷卻水熱損及爐體散熱占總能量約16%，為項目可節(jié)能的方向；

（3）該示范項目各污染物理論或?qū)崪y結(jié)果均低于相關(guān)排放標準，對環(huán)境影響很小，碳足跡分析全生命周期碳排放為1.41 g CO2eq/(kW·h)，供熱過程可實現(xiàn)CO2近零排放；

（4）示范項目年凈利潤達170萬余元，投資回收期約2.9年，10年總投資收益1 200萬余元，經(jīng)濟性可觀；原料價格和系統(tǒng)綜合效率是確保該示范項目盈利的主要因素，此外，蒸汽銷售價格是保證類似規(guī)模項目經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。

[1] 環(huán)境保護部辦公廳. 關(guān)于征求國家環(huán)境保護標準《鍋爐大氣污染物排放標準》（征求意見稿）意見的函[EB/OL]. 2013-08-02. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/ bgth/201308/t20130805_256939.htm.

[2] 李茂東, 黎華, 鐘志強. 工業(yè)鍋爐能耗現(xiàn)狀分析與節(jié)能措施[J]. 石油和化工設(shè)備, 2009(7): 67-69.

[3] 趙欽新, 王善武. 我國工業(yè)鍋爐未來發(fā)展分析[J]. 工業(yè)鍋爐, 2007, 15(1): 19-20.

[4] 趙軍明. 廣州市工業(yè)鍋爐能耗分析與節(jié)能技術(shù)研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2010.

[5] 何心良. 我國工業(yè)鍋爐使用現(xiàn)狀與節(jié)能減排對策探討[J]. 工業(yè)鍋爐, 2010, 25(3): 1-8.

[6] GB 13271-2014, 鍋爐大氣污染物排放標準[S].

[7] 環(huán)境保護部辦公廳. 關(guān)于生物質(zhì)成型燃料有關(guān)問題的復(fù)函[EB/OL]. 2013-08-07. http://www.zhb.gov.cn/info/ bgw/bbgth/200908/t20090812_157379.htm.

[8] E4Tech. Review of Technologies for Gasification of Biomass and Wastes Final report[C]. NNFCC project 09/008, 2009.

[9] Stahl K, Neergaard M． IGCC power plant for biomass utilization, Varnamo, Sweden[J]. Biomass and Bioenergy, 1998, 15(3): 205-211．

[10] 吳創(chuàng)之, 劉華財, 陰秀麗. 生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展分析[J] 燃料化學(xué)學(xué)報, 2013, 41(7): 798-804.

[11] 董玉平, 鄧波, 景元琢, 等. 中國生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀[J] 山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2007, 37(2): 1-7, 29.

[12] TSGG0002-2010, 鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程[S].

[13] 吳創(chuàng)之, 潘賢齊, 周肇秋, 等. 一種生物質(zhì)混流式氣化裝置: 中國, ZL201120164215.9[P]. 2012-01-18.

[14] Collard F X, Blin J. A review on pyrolysis of biomass constituents:Mechanisms and composition of the products obtained from the conversion of cellulose, hemicelluloses and lignin[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 38: 594-608.

[15] GB/T 212-2008, 煤的工業(yè)分析方法[S].

[16] Abatzoglou N, Barker N, Hasler P, et al. The development of a draft protocol for the sampling and analysis of particulate and organic contaminants in the gas from small biomass gasifier[J]. Biomass and bioenergy, 2000(18): 5-17.

[17] HG/T 20525-2006, 化學(xué)工業(yè)管式爐傳熱計算設(shè)計規(guī)定[S].

[18] HJ 2.4-2009, 環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境[S].

[19] GB12348-2008, 工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準[S]. [20] 王中華. 熱解、氣化過程中燃料-N的形態(tài)轉(zhuǎn)化及遷移規(guī)律研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2011.

[21] van der Drift A, van Doorn J, Vermeulen J W. Ten residual biomass fuels for circulating fluidized-bed gasification[J]. Biomass and Bioenergy. 2001, 20(1): 45-56.

[22] 李剛. 生物質(zhì)氣化過程氮污染物形成機理研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2005.

[23] 王微, 林劍藝, 崔勝輝, 等. 碳足跡分析方法研究綜述[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2010, 33(7): 71-78.

[24] 丁紹蘭, 陳鵬. 生命周期評價應(yīng)用中應(yīng)注意的問題[J].環(huán)境科學(xué)與管理, 2009, 34(3): 61-64.

[25] 劉莉, 董國亮, 王云龍, 等. 公路運輸能源消耗統(tǒng)計指標研究[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保, 2008(3): 16-22.

Industrialized Characterization of Biomass Gasification Technology Applied for the Industrial Boiler Heating-supply

ZHAN Hao1, SU De-ren1, PAN Xian-qi2, ZHANG Jia-ping1, LI Xin-ai1, TANG Guang-wen1, ZHOU Yi2
(1. Guangdong Zhengpeng Biomass Energy Technology Co., Ltd, Guangzhou 511340, China; 2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

Based on an industrialized demonstration, the biomass gasification technology applied in industrial boiler industry was studied in the paper. The operation characteristics and the energy consumption were investigated. Meanwhile, the effects on both the environment and the economy for the demonstration were analyzed. The result showed that Chinese redwood displayed the best capability in terms of the system operation characteristics compared with other biomass feedstock. Moreover, the energy consumption analysis presented that heat loss resulting from the exhaust gas, the recyclable cooling water and the equipment & pipeline accounted approximately for 16% of the total energy, which could be further saved for the system. Finally, the demonstration was proved to be largely environment-friendly and profitable by its low pollutant emission and high investment income. Furthermore, it was found that the sales price of the steam would be the main factor determining the economic benefits for other similar-scale projects.

industrialized demonstration; biomass gasification; energy consumption; Chinese redwood; environmental effect; economic effect

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.04.006

2095-560X（2015）04-0270-10

詹 昊（1986-），男，碩士，工程師，主要從事生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用研究和開發(fā)。

2015-05-04

2015-06-05

國家科技支撐項目（2012BAA09B03）；廣東省科技計劃項目（2012A032300019）

? 通信作者：蘇德仁，E-mail：sdr@fenglecn.com

蘇德仁（1981-），男，博士后，高級工程師，主要從事生物質(zhì)氣化技術(shù)工業(yè)應(yīng)用研究和開發(fā)。