《生物质气化炉热工性能试验规程》的研究

江洪明 李新爱 喻孟全 郭捷昕?杨泽榕?陈英红

近年来，随着国家环保形势的日益严峻，燃煤排放所产生的氮氧化物、二氧化硫、粉尘等大气污染物对环境造成严重的污染，中小型燃煤锅炉、窑炉的淘汰已经成为趋势。当前，珠三角地区已经基本淘汰了10t/h以下的燃煤锅炉，而生物质直燃锅炉由于粉尘和氮氧化物的排放问题也受到越来越多的限制。生物质气化炉可将秸秆、稻草、木屑、木片、玉米芯、稻壳等多种生物质原料气化产生生物质燃气，燃气再通入锅炉或者窑炉进行燃烧。通过严格的原料控制和合理的气化工艺，生物质燃气燃烧产物中氮氧化物和二氧化硫含量可以降至极低的水平，可以达到天然气排放标准。

作为一种燃气发生设备，气化炉设备本身具有独立性，对其进行独立的能源平衡分析和热工性能试验具有其必要性。2006年，农业部发布了《秸秆气化装置和系统测试方法》（NY/T 1017—2006），该标准规定了以秸秆为原料（木质、稻壳等原料参照执行）的气化装置和系统的主要性能试验方法。该标准操作简单，试验数据量少，可操作性强，可用于快速判断生物质气化系统的主要性能参数。其局限性在于：（1）试验仅考虑了冷燃气效率，不够全面；（2）对于试验工况的限制条件少，操作简便但结果重复性较差、准确度较低。

2017年，广东省质监局下达了起草广东省地方标准《生物质气化炉热工性能试验规程》的任务，目前该标准已报批。标准起草组对此展开了一系列的研究。

1试验准备工作

试验准备工作包括编制试验大纲，分解试验任务、确定试验项目、试验仪表和试验人员组织等。此外，试验应在系统处于正常、稳定运行状态下进行，气化炉进出炉的物料流和能量流应与其他气化炉系统隔绝以便于准确计量这些物料流和能量流。為全面检查试验仪表是否正常工作、试验人员是否熟悉试验操作程序及试验人员之间相互配合程度，并确定合适的运行工况，可进行预备性试验。

2 现场试验

2.1 试验类型

该标准中将试验分为两种：气化炉定型产品热效率试验和气化炉运行工况热效率试验，两者对试验条件的要求有所不同。前者是在气化炉出厂或者验收时进行的试验，反映了气化炉在设计工况下的热工性能，试验要求严格，需在气化炉主要热力参数在许可波动范围内而且其平均值已不随时间不断变化的状态下进行试验。而后者则主要针对在用生物质气化炉进行的试验，反映的是在用生物质气化炉的运行性能，试验工况要求较为宽泛。

2.2 试验时间

热工况稳定所需的时间（自冷态点火开始）根据各生物质气化炉气化工艺、原料成分和各厂家的生产技术水平等因素所需时间长短不一。从实际情况来看，大部分生物质气化炉从冷态启炉到能产出成分较为稳定的燃气供应燃烧的时间从半个小时到三四个小时不等。该标准选取一般不少于4h，一方面是参考《工业锅炉热工性能试验规程》（GB/T 10180）中的无砖墙燃煤锅炉的要求；另一方面，生物质气化炉从冷炉启炉到炉膛温度稳定，再到散热稳定需要一定的时间。综上，该标准选择4h作为推荐值，能减少现场靠经验工况稳定所产生的不确定性，是能满足试验要求的。

2.3 试验稳定性指标的选择

试验时间综合参考了GB/T 10180和NY/T 1017，实际操作中因为当前生物质气化炉大多为自动化连续运行，4h的试验时间已经可以反映生物质气化炉的工况。该标准主要选取了产气温度和产气速率2个指标来反映气化的稳定性，主要是因为该2个指标容易控制、可以实时检测，且基本能反映实际情 况；而更能直观反映气化稳定性的气体成分指标，因为现场实时分析气体难度较大，故未采纳。

2.4 试验次数和重复性要求

气化炉定型产品热效率试验是气化炉出厂、交工验收时所做的试验，需要严格要求，准确反应气化炉的性能，所以该标准要求做两次试验，且两次试验效率差不超过4%。

对于气化炉运行工况热效率试验是针对生物质气化炉在用工况条件下的试验，在用工况下生物质气化炉多后接锅炉、窑炉实时产气实时燃烧，主要目的是为了判断气化炉在实际操作工况下的性能、分析气化炉的热损失、改进气化炉的操作工况。工况受需求端的影响较大，难以保持稳定的运行工况，且工况也难以重复，所以该标准规定气化炉运行工况热效率试验仅进行1次。

3 试验方法

3.1 燃气的计量

在燃气流量的计量方面，由于出炉的燃气为高温且含有焦油等杂质，直接测量比较困难。目前测量有两种方式：（1）将燃气冷却、净化后测量； （2）通过惰性物质守恒的方法间接测量。将燃气冷却、净化后测量无疑结果更加准确，但是燃气的冷却、净化均需要相关设备，对于某些对热态粗燃气直接利用的在用生物质气化炉，就需要额外增加冷却净化设备，操作难度较大。

有人提出，可以采用旁通管引出少量粗燃气进行冷却净化，精确计量旁通管中的燃气体积，再根据旁通管和主管的管径比计算产气量。这种方法操作难度大，不可控因素较多，主要是因为生物质粗燃气根据工艺不同可能含有较多的焦油等物质，这些物质黏度大、容易黏附在管壁上，这就导致了主管和旁通管的实际管径和管道内表面粗糙度难以精确测算。当然，惰性气体物质守恒方法的应用应考虑气化炉的漏风问题，这就要求测试时应严格限制气化炉的漏风，否则误差就会很大。综上，在生物质气化炉定型产品热效率测试中，该标准要求出口燃气经冷却、净化后直接测量；而在在用生物质气化炉热效率测试中，可以有限制地使用惰性物质守恒进行间接计量燃气产量。

3.2 粗燃气中水分的计量

粗燃气中水分含量的计算一般根据氢平衡进行计算。这是因为燃气冷却后，焦油和水分凝出混合在一起，分别测量比较困难。利用燃料中的氢（使用蒸汽作为气化剂时还要考虑气化剂中的氢）和燃气、焦油、水分中的氢平衡可以较为容易计算出燃气中的水分含量。

3.3 粗燃气中焦油和飞灰的采样

标准中对焦油和飞灰的检测规定参照了欧盟委员会制定的生物质气化中分别测定焦油和灰尘含量的标准[1]。该方法可以准确地将生物质粗燃气中的焦油、灰尘分离并分别计量。当然，对于一些要求并不精确的场合，可以采用经验数据来取合适的焦油含量数据。

3.4 燃气热值的计量

燃气的热值化验目前主要有直接化验和间接计算两种方法：直接化验是利用《城市燃气热值和相对密度测定方法》（GB/T 12206），该方法准确、直观，但是检测需要专用的仪器。间接计算方法主要是用气相色谱仪测定成分后，再进行计算。气相色谱仪是一种常规的检测仪器，目前各检测机构非常常见；而且生物质燃气的成分本身就是一个重要的性能指标，一般均需要测量。已知各成分以及含量后再计算燃气热值就非常简单，所以该标准推荐采用间接计算法，这样可以减少工作量，精度也可以接受。关于具体检测哪些燃气成分的问题，《秸秆气化装置和系统测试方法》（NY/T 1017）仅CO、CH4、O2和H2这4种气体。一般来说，仅化验这4种气体是可以反映燃气的热值的，一般误差不超过4%；重要的是，仅化验这4种气体可以仅采用2种色谱柱即可，降低了化验设备的成本。该标准在以上4种气体的基础上，还化验N2、CO2、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6，这是因为N2是作为氮平衡计算燃气流量的重要指标，CO2的含量对于碳转化率的测算也必不可少。C2H6、C2H4、C3H8、C3H6虽然含量较少，但是其热值较高，增加了这几种成分的化验可以有效提高燃气热值计算的准确度，且只需要多增加一根色谱柱即可完成化验，对化验成本的增加较少。至于C4以及以上的烃类，无论从文献报道还是实际操作来看，含量已经非常微量几乎不可检测；由于生物质原料N、S含量非常低，小分子的NH3和H2S等可燃物也未检出。

3.5 燃料、残炭的计量和采样

燃料采样制样、计量主要参照目前应用较为成熟的GB/T 10180、《生物质固体成型燃料采样方法》（NY/T 1879）、《生物质固体成型燃料样品制备方法》（NY/T 1880）和《固体生物质燃料样品制备方法》（GB/T 28730）中的方法，燃料、焦油和燃气的发热量分析方法分别采用目前广泛应用的《固体生物质燃料发热量测定方法》（GB/T 30727）、《火力发电厂燃料试验方法 第8部分：燃油发热量的测定》（DL/T 567.8）、《人工煤气和液化石油气常量组分气相色谱分析法》（GB/T 10410），残炭和飞灰的可燃物含量分析方法采用《飞灰和炉渣可燃物测定方法》（DL/T 567.6）。

焦油的热值化验当前没有成熟的标准。当前电力行业对于燃油的化验比较成熟，燃油的化验分为轻油和重油，轻油和重油的化验方法大致相同，但是在试样的处理方面有各自的规定。对于轻油，在试样保存、化验的过程中需要注意防止其挥发；对于重油，需要预热，充分混匀后取样化验。焦油是一种混合物，既有轻质易挥发组分也有重质组分，实际操作中既需要注意混匀后测量也需要注意防止挥发，所以该标准综合了DL/T 567.8中有关轻油、重油的试验要求进行焦油的热值测定。

4 气化炉效率的计算

该标准中的燃气效率分为冷燃气效率和气化热效率。前者对应的是出炉经过冷却、净化后的不含水冷燃气低位热值与输入热量的比值，该指标对于需要贮存、长距离运输和对于燃气品质要求严格的场合很重要。由于该指标仅考虑燃气中常温下气态成分的化学反应热，所以降低气化炉出口燃气温度，降低焦油、飞灰含量就显得尤为重要。

后者对应的是气化炉出口未经冷却、净化处理的粗燃气热量（除净燃气低位热值外，还包含焦油、飞灰的低位热值和粗燃气中各组分的显热）与输入热量的比值。该指标主要针对气化炉出口燃气直接可以就地利用，且对燃气品质要求不高的场合，燃气的显热可以作为锅炉或者窑炉的输入热量，焦油、飞灰也可以直接喷入炉膛燃烧。

5 其他量的计算

其他量的计算包括焦油热、气体热、飞灰热、散热损失和残炭热损失等。

5.1 焦油热

对于焦油热的计算，主要包括焦油含量的检测和焦油热值的化验。焦油含量的检测参见本文3.3，考虑到检测焦油含量较为繁琐，该标准推荐了一些经验值，对上吸式气化炉每千克燃料可取0.05千克焦油，对流化床气化炉每千克燃料可取0.02千克焦油，对下吸式气化炉和其他低焦油气化工艺可忽略。在对结果准确度要求不高的场合，这样的估算不会造成太大的误差。但是在生物质气化炉验收试验、定型试验等精度要求较高的场合，还是应该以实测值为准。焦油在取样温度和基准温度下的焓值差计算，该标准采用苯的焓值差来估算。主要是因为，焦油含量高的气化工艺，气化炉出口燃气温度一般较低（一般上吸式气化炉出口温度不高于120℃）；而出口燃气温度高的气化工艺，气化炉出口焦油含量极低，这就造成了焦油的焓值差本身非常小。另一方面，焦油的成分非常复杂多样，直接试验其比热容或者焓值差难度较大，所以建议用苯的焓值差来代替焦油在取样温度和基準温度下的焓值差不会产生较大误差，且大大降低了工作量和对试验设备的要求。

5.2 气体热

对于气体热的计算，主要包括净燃气气体显热和燃气中水分的热量。燃气中水分含量的计算可以通过氢平衡来计算，然后通过查表的方式可以计算出水分的焓值差；燃气气体的显热也可以通过燃气中各组分的比热容来进行计算。

5.3 飞灰热

对于飞灰热的计算，主要包括随粗燃气夹带出气化炉的碳粒和灰尘的化学热及其显热。

5.4 散热损失

对于散热损失的计算，主要参考了GB/T 10180中的有关规定。热流计法是检测试验散热损失比较直观、准确的方法，但是在实际操作中由于比较繁琐，应用较少。计算法认为气化炉的散热取决于气化炉的外表面温度以及散热面积，数据容易获得，计算精度尚可。其中散热公式中的常数取自参考文献[2]。

5.5 水冷热损失

有部分生物质气化炉对炉体外表面进行了水冷却，这些气化炉的外表面实测温度较低，直接散热的损失较小，冷却水带出的热量较多，且冷却水带出的热量计算方法与表面散热的计算方法不同，该标准给予单独考虑。计算该种情况下的散热损失时，应计算其冷却水的流量和进出口温度来计算气化炉的水冷热损失。

5.6 残炭热损失

对于残炭热损失的计算，包括了残炭的化学热（通过检测可燃物含量计算）和显热。部分气化炉中的残炭是直接排入水中冷却的，这种情况下直接测量残炭的温度比较困难，该标准给出了一些经验数据。

5.7 气化强度

气化强度一般有3种表达方式：分别为单位时间内气化炉单位有效截面积上，气化的燃料量、产生的燃气量或者燃气的热量。考虑到实际中3种方式均有应用，该标准给出了这3种表达方式的公式。应该指出，气化强度的比较只在炉型相同时才有意义。对于不同炉型，由于炉膛形状不同，截面积的定义可能是不同的。例如，下吸式气化炉，炉膛中有一个缩口，其气化强度定义在缩口段的最小截面积上，这个截面积仅相当于炉膛直段截面积的1/5～1/4，其气化强度比没有缩口段的上吸式气化炉和层式下吸炉高得多；再比如流化床气化炉和固定床气化炉的反应机制差很多，在它们之间比较气化强度也意义不大。

5.8 碳转化率

碳转化率是评价气化过程中碳元素转移到燃气（常温下气态物质，包括CO、CO2、CH4、H2和CmHn等）中的比例。提高碳转化率的方法，一是降低焦油的产生量，二是降低残炭中的碳含量，这样可以尽可能提高燃气中碳元素所占的份额。应该指出，碳转化率并不代表气化效率，因为在燃气中还存在着不可燃烧的二氧化碳，它也计算在碳转换率中。