劉三舉，朱德敖，王勤輝，陳 超，楊 濤，解桂林

（1.湖北華電襄陽(yáng)發(fā)電有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441000； 2.浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

在碳達(dá)峰碳中和的大背景下，生物質(zhì)作為一種零碳可再生能源，其能源化利用日益受到關(guān)注。我國(guó)農(nóng)林廢棄物類生物質(zhì)資源開發(fā)潛力巨大[1-3]，但目前能源利用率嚴(yán)重不足[4-5]，大量丟棄和露天焚燒對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，亟需能夠大量處理的能源利用技術(shù)。

生物質(zhì)氣化技術(shù)是一種趨于成熟且應(yīng)用廣泛的高效能源利用技術(shù)，其能夠?qū)⑸镔|(zhì)轉(zhuǎn)變成多種燃料。生物質(zhì)氣化技術(shù)按氣化裝置的不同可分為固定床氣化、流化床氣化以及氣流床氣化[6-7]。由于循環(huán)流化床氣化具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、氣固接觸好及氣化效率高的特點(diǎn)，適用于大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)[8-10]，故日益受到重視。

在模擬研究方面，Xi等人[11]開發(fā)了一個(gè)CFD框架來評(píng)估循環(huán)流化床氣化爐的流體力學(xué)性能和熱轉(zhuǎn)換可行性，經(jīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)框架與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好；Miao等人[12]建立了一個(gè)一維綜合穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型對(duì)生物質(zhì)循環(huán)流化床穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的氣化性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與已發(fā)表數(shù)據(jù)吻合良好；Kartal等人[13]利用Aspen Plus軟件和深度學(xué)習(xí)方法構(gòu)建了一個(gè)可預(yù)測(cè)任一種生物質(zhì)氣化后合成氣低位熱值的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；G. Mirmoshtaghi等人[14]依據(jù)生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化的 運(yùn)行數(shù)據(jù)利用多元分析工具給出了輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)間的相關(guān)性，并基于遺傳算法對(duì)不同目標(biāo)氣體產(chǎn)品質(zhì)量的輸入?yún)?shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)研究方面，F(xiàn)an等人[15]以單一稻殼為原料在工業(yè)循環(huán)流化床氣化爐中開展了不同溫度和氣化爐負(fù)荷對(duì)氣化性能的影響研究，結(jié)果表明在814 ℃時(shí)氣化效率最高，在30 MW負(fù)荷時(shí)氣化狀態(tài)最佳。高峰等[16]在1 MW循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)成型棉花桿顆粒的氣化特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)氣化狀態(tài)良好且焦油產(chǎn)率較少；Mallick等人[17]以木屑、稻殼和竹粉及這3種生物質(zhì)的二元混合物為原料，在不同當(dāng)量比和溫度下對(duì)50 kW循環(huán)流化床氣化性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明混合生物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)有助于提高氣化性能。

目前在大型生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化爐中進(jìn)行 非成型農(nóng)林廢棄物混合氣化試驗(yàn)研究極少。某 10.8 MW生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電廠在全國(guó)首次實(shí)現(xiàn)不同比例非成型農(nóng)林廢棄物混合氣化，本文對(duì)該電廠不同氣化溫度下的混合農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)循環(huán)流化床氣化性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為混合生物質(zhì)燃料下的工業(yè)運(yùn)行優(yōu)化提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

該農(nóng)林廢棄物類生物質(zhì)氣化耦合燃煤發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，2種生物質(zhì)由2個(gè)平行皮帶送入爐前給料裝置并通過螺旋給料送入循環(huán)流化床氣化爐內(nèi)氣化，氣化后的高溫燃?xì)庖来瓮ㄟ^旋風(fēng)分離器和旋風(fēng)除塵器進(jìn)行氣固分離，除塵后的高溫燃?xì)饨?jīng)燃?xì)饫鋮s裝置冷卻至430 ℃左右再通過燃?xì)怙L(fēng)機(jī)直接送入鍋爐燃燒，以替代部分煤并依托原有煤電大機(jī)組進(jìn)行高效發(fā)電[18]。

氣化爐農(nóng)林廢棄物設(shè)計(jì)處理量為8 t/h，最大處理量為10 t/h；燃煤鍋爐為上海鍋爐廠有限公司制造的超臨界640 MW變壓運(yùn)行、一次中間再熱、螺旋管圈直流鍋爐、四角切圓燃燒方式、固態(tài)排渣鍋爐[19]。

1.2 試驗(yàn)原料及床料

試驗(yàn)所采用的2種生物質(zhì)原料分別為稻殼和林業(yè)廢棄物，其中林業(yè)廢棄物是林業(yè)加工的廢料，包括樹皮、樹葉和木屑等，2種生物質(zhì)原料的成分分析見表1，床料為粒徑不大于1 mm的河沙。

表1 生物質(zhì)原料成分分析 Tab.1 Component analysis of biomass materials

1.3 試驗(yàn)方法及步驟

1）通過2個(gè)平行輸送皮帶分別將等給料量的稻殼和林業(yè)廢棄物送入循環(huán)流化床氣化爐內(nèi)，并在額定負(fù)荷下分別將氣化爐的氣化溫度調(diào)至指定溫度，同時(shí)將鍋爐負(fù)荷維持在400 MW左右，待其穩(wěn)定即可開始取樣。

2）焦油和飛灰取樣位置在燃?xì)怙L(fēng)機(jī)后的主燃?xì)夤艿郎?，取樣裝置如圖2所示。取樣系統(tǒng)采樣點(diǎn)溫度在430 ℃左右，吸收瓶3、7和8中裝有至瓶半高處的6 mm玻璃球和40 mL二氯甲烷溶液，吸收瓶4、5和6中裝有70 mL二氯甲烷溶液，取樣過程持續(xù)20 min，每個(gè)氣化溫度工況分別取2個(gè)樣，為保證焦油的完整性和數(shù)據(jù)的正確性，取樣結(jié)束后，取樣管和各連接處硅膠管也用二氯甲烷進(jìn)行清洗。

3）在焦油取樣前、后及取樣間隙利用取樣裝置在原料輸送皮帶上進(jìn)行生物質(zhì)原料取樣，在二級(jí)旋風(fēng)分離器下的水冷螺旋冷灰器中進(jìn)行飛灰取樣，取樣后的生物質(zhì)原料進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析和熱值分析，取樣后的飛灰進(jìn)行含碳量分析。

4）燃?xì)獬煞趾蜔嶂捣謩e由Danalyzer 700XA型熱值分析儀和Gasboard-3100型在線紅外煤氣分 析儀進(jìn)行檢測(cè)，燃?xì)饬髁坑傻聽査土髁坑?jì)在線測(cè)量[18]，每個(gè)工況的燃?xì)獬煞?、熱值、溫度和流量及一次風(fēng)、返料風(fēng)和流化風(fēng)溫度、流量等機(jī)組表盤數(shù)據(jù)均在DCS上進(jìn)行調(diào)取后做進(jìn)一步分析。

1.4 性能指標(biāo)計(jì)算

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試與化驗(yàn)分析結(jié)果計(jì)算生物質(zhì)氣化裝置有關(guān)性能指標(biāo)，計(jì)算方法如下：

1）給料量計(jì)算為驗(yàn)證下料階段內(nèi)稱量倉(cāng)質(zhì)量變化所求取的給料量，本次給料量計(jì)算采用正反平衡法。在獲取試驗(yàn)期間DCS數(shù)據(jù)及燃料、灰分等分析數(shù)據(jù)后，根據(jù)生物質(zhì)灰平衡（給料量×燃料灰含量=飛灰量+外排灰量）和能量平衡（給料量×生物質(zhì)低位熱值+進(jìn)入系統(tǒng)邊界的熱量=干燃?xì)怙@熱+水 蒸氣顯熱+干燃?xì)獾臀粺嶂怠粮扇細(xì)饬髁?焦油所含熱量+含碳飛灰所含熱量+含碳外排灰所含熱量+散熱量2%）迭代計(jì)算出給料量，計(jì)算有效性由分別計(jì)算出的熱效率對(duì)比確定。

2）產(chǎn)氣率產(chǎn)氣率指單位質(zhì)量的生物質(zhì)原料氣化后所產(chǎn)生的燃?xì)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

3）燃?xì)鉄嶂等細(xì)鉄嶂抵竼挝惑w積燃?xì)馑幕瘜W(xué)能，可根據(jù)燃?xì)庵锌扇冀M分低位熱值計(jì)算求取，燃?xì)獾臀粺嶂涤?jì)算公式如下：

式中：Qrd為濕燃?xì)獾臀话l(fā)熱量，kJ/m3；Xj為濕燃?xì)庵锌扇冀M分j（H2、CO、CH4、CnHm）的體積分?jǐn)?shù)，%；qjd為組分j的氣體低位發(fā)熱量，kJ/m3。

4）濕燃?xì)馕锢盹@熱濕燃?xì)馕锢盹@熱為濕燃?xì)庵械母扇細(xì)饨M份顯熱與水蒸氣組分顯熱之和。

式中：Qrx為濕燃?xì)馕锢盹@熱，kJ/m3；T為燃?xì)鉁囟?，℃；Xj為濕燃?xì)庵薪M分j（H2、CO、CH4、CnHm、O2、N2等）的體積分?jǐn)?shù)，%；Cjt為濕燃?xì)庵薪M分j（H2、CO、CH4、CnHm、O2、N2等）在燃?xì)鉁囟葼顟B(tài)下的定壓比熱，kJ/m3。

5）氣化效率氣化效率指單位時(shí)間內(nèi)生物質(zhì)氣化裝置產(chǎn)生燃?xì)庵兴幕瘜W(xué)能與焦油所含熱量之和與相同時(shí)間內(nèi)加入燃料所包含的熱量之比，計(jì)算公式如下：

式中：ηq為生物質(zhì)氣化裝置氣化效率，%；V0為濕燃?xì)怏w流量，m3/h；Qrd為濕燃?xì)獾臀话l(fā)熱量，kJ/m3；Qjy為濕燃?xì)庵薪褂蜔?，kJ/h；Qwd為生物質(zhì)燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg；Gd為生物質(zhì)燃料消耗量，kg/h。

6）氣化熱效率氣化熱效率指單位時(shí)間內(nèi)氣化裝置產(chǎn)生氣體燃料及氣化氣中飛灰所包含的熱量占輸入熱量的百分比，計(jì)算公式如下：

式中：ηr為生物質(zhì)氣化裝置熱效率，%；V0為濕燃?xì)怏w流量，m3/h；Qrd為濕燃?xì)獾臀话l(fā)熱量，kJ/m3；Qrx為濕燃?xì)馕锢盹@熱，kJ/h；Qfh為濕燃?xì)庵酗w灰所含熱量，kJ/h；Qxb為進(jìn)入系統(tǒng)邊界熱量，kJ/h；Qwd為生物質(zhì)燃料低位發(fā)熱量，kJ/kg；Gd為生物質(zhì)燃料消耗量，kg/h；Qsrx為生物質(zhì)燃料物理顯熱，kJ/h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 碳平衡計(jì)算

為驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行碳平衡計(jì)算，具體見表2。由表2可知，生物質(zhì)總碳輸入質(zhì)量與氣化氣、生物炭、飛灰及焦油中所含碳質(zhì)量間的誤差在5%以內(nèi)，故試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可信。

表2 碳平衡計(jì)算 Tab.2 The carbon balance calculation

2.2 氣化氣成分、熱值及產(chǎn)氣率

不同溫度下混合農(nóng)林廢棄物類生物質(zhì)氣化氣成分、熱值及產(chǎn)氣率的變化規(guī)律如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可見，當(dāng)在額定負(fù)荷，50%稻殼-50%林業(yè)廢棄物為燃料時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)隨溫度升高先升后降，在725 ℃時(shí)達(dá)到最大值，后隨溫度升高而降低，CO2體積分?jǐn)?shù)隨溫度升高無(wú)明顯變化，這與陳雨佳等[20]提出的變溫度空氣氣化秸稈的變化規(guī)律一致。其原因可解釋為：由于CO主要來源于放熱反應(yīng)2C+O2→2CO，溫度的升高使反應(yīng)平衡左移，CO生成受阻，同時(shí)隨著溫度的上升，還原反應(yīng)C+CO2→2CO反應(yīng)速率加大，促使CO體積分?jǐn)?shù)升高，在這2個(gè)反應(yīng)的作用下，最終使反應(yīng)后的CO體積分?jǐn)?shù)隨溫度呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律；而對(duì)于CO2，一方面由于燃燒反應(yīng)C+O2→CO2、2CnHm+(2n+m/2)O2→2nCO2+mH2O 及CH4+2O2→ CO2+2H2O隨著溫度的上升，其反應(yīng)速率增加使CO2不斷升高，而另一方面當(dāng)溫度繼續(xù)上升，還原反應(yīng)C+CO2→2CO的反應(yīng)速率也不斷增加，使CO2不斷減少，2種作用下CO2體積分?jǐn)?shù)無(wú)明顯變化。

烴類CnHm體積分?jǐn)?shù)隨溫度上升而先升后降，一方面是烴類CnHm主要來自原料的熱解，當(dāng)溫度升高時(shí)，其體積分?jǐn)?shù)有一定上升，另一方面當(dāng)溫度繼續(xù)升高，二次分解反應(yīng)的反應(yīng)速率加大，在還原階段與氧化階段產(chǎn)生的H2O發(fā)生的蒸汽重整反應(yīng)CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2的反應(yīng)速率也會(huì)增大，故后續(xù)體積分?jǐn)?shù)有所下降。CH4隨溫度的變化規(guī)律與烴類CnHm一樣，其原因也相似，一方面原料熱解和烴類的分解會(huì)產(chǎn)生甲烷，其產(chǎn)生速率隨溫度上升而不斷增加，另一方面蒸汽重整反應(yīng)CH4+H2O→CO+3H2及CH4+2H2O→CO2+4H2隨溫度上升而加快且使反應(yīng)平衡向左移動(dòng)，所以在2方面效應(yīng)的抗衡作用下，甲烷體積分?jǐn)?shù)隨溫度上升出現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律。由于可燃?xì)怏w均呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，故氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)先減后增。

對(duì)于熱值，由于可燃?xì)怏w先增后減，故濕燃?xì)獾臀粺嶂惦S溫度升高也呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，在725 ℃時(shí)，濕燃?xì)獾蜏責(zé)嶂颠_(dá)4.40 MJ/m3，對(duì)于產(chǎn)氣率，隨溫度的升高，呈現(xiàn)先降后增的變化規(guī)律。

2.3 氣化燃?xì)庵薪褂秃?/h3>

不同氣化溫度下混合農(nóng)林廢棄物類生物質(zhì)氣化燃?xì)庵薪褂唾|(zhì)量濃度的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可見，隨著氣化溫度的上升，氣化燃?xì)庵薪褂秃坑形⑿∩仙兓幻黠@，且在725～750 ℃溫度區(qū)段的增加速率稍大于700～725 ℃溫度區(qū)段的增加速率。對(duì)于單種生物質(zhì)氣化氣中焦油，其主要來源于原料的熱解，故在溫度較低時(shí)，焦油質(zhì)量濃度隨溫度的升高不斷上升，但當(dāng)溫度升至一定程度，焦油會(huì)發(fā)生二次裂解，溫度繼續(xù)上升焦油質(zhì)量濃度會(huì)不斷下降，故在這2種效應(yīng)的相互作用下，一般焦油質(zhì)量濃度在大范圍溫度域內(nèi)會(huì)隨溫度升高呈現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律[21-25]。推測(cè)混合農(nóng)林廢棄物類生物質(zhì)氣化氣中焦油質(zhì)量濃度發(fā)生上述變化規(guī)律的原因是，一方面稻殼氣化產(chǎn)生的焦油下降的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)低，故稻殼氣化產(chǎn)生的焦油質(zhì)量濃度在700～750 ℃溫度區(qū)段內(nèi)隨溫度升高而不斷下降，但下降不明顯；另一方面當(dāng)溫度在725～750 ℃區(qū)間時(shí)，林業(yè)廢棄物氣化反應(yīng)不充分，熱解占主導(dǎo)，焦油增率大。在這2種作用的驅(qū)動(dòng)下，725～750 ℃溫度區(qū)段氣化氣中焦油質(zhì)量濃度的增加速率要大于700～725 ℃溫度區(qū)段。

2.4 氣化效率及熱效率

不同氣化溫度下混合農(nóng)林廢棄物類生物質(zhì)氣化裝置氣化效率和熱效率的變化規(guī)律如圖6、圖7所示。由圖6可知，隨著氣化溫度不斷升高，氣化效率也不斷升高，在溫度為750 ℃時(shí)氣化效率達(dá)到70.16%，推測(cè)原因是溫度的升高促使氣化反應(yīng)速率不斷增大，故使氣化效率隨溫度上升而不斷增加，氣化熱效率采用正反平衡對(duì)比計(jì)算驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證，2種方法計(jì)算的誤差幾乎為零，故熱效率計(jì)算數(shù)據(jù)有效。由圖7可知，當(dāng)氣化溫度從700 ℃升高至750 ℃時(shí)，氣化裝置熱效率變化規(guī)律和氣化效率相似，均隨溫度升高而不斷上升，在溫度為750 ℃時(shí)氣化裝置熱效率可達(dá)到89.16%，推測(cè)原因和氣化效率類似。

3 結(jié) 論

該大型農(nóng)林廢棄物循環(huán)流化床氣化裝置在額定負(fù)荷，以50%稻殼-50%林業(yè)廢棄物為原料時(shí)可穩(wěn)定安全運(yùn)行，其性能試驗(yàn)研究主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)氣化溫度從700 ℃升至750 ℃時(shí)，混合生物質(zhì)氣化氣中的CO、CH4、CnHm和CO2體積分?jǐn)?shù)都先增加后減小，H2體積分?jǐn)?shù)顯微下降，產(chǎn)氣率先減小后增加，氣化氣熱值先增加后減小。

2）當(dāng)氣化溫度從700 ℃升至750 ℃時(shí)，混合生物質(zhì)氣化氣中的焦油質(zhì)量濃度有微小增加但變化不明顯。

3）當(dāng)氣化溫度從700 ℃升至750 ℃時(shí)，混合生物質(zhì)氣化效率和氣化熱效率不斷增加，在溫度為750 ℃時(shí)，氣化效率達(dá)到70.16%，熱效率達(dá)到89.16%。