生物质热解气燃烧装置设计与燃烧特性试验

姚宗路 仉 利 赵立欣 贾吉秀 丛宏斌 胡二峰

(农业部规划设计研究院农业部农业废弃物能源化利用重点实验室， 北京 100125)

引言

以生物质为原料的热解技术能够实现能源清洁高效地转化[1-3]，生物质热解产生的高温气体称为生物质热解气，经除尘、冷凝、除焦等工艺过程分别得到不可冷凝气(即生物质燃气)和可冷凝气。可冷凝气主要为生物质焦油、木醋液和水蒸气，生物质燃气的主要成分是CO、CO2、H2、N2、CH4等，因还含有一定量的C2H6、C3H8、C2H4和C3H6等大分子高热值气体，较生物质热解气化气具有较高的热值，可以直接燃烧用于供热设备[4]。生物质焦油作为一种热解副产物，成分十分复杂，多为苯的衍生物和多环芳烃[5]，在高温下呈气态，当温度在200℃以下时，大部分焦油会凝结成黑褐色粘稠状的液体，易堵塞管道，阻碍设备的正常运行，同时焦油中的有毒物质对人的身体健康也会造成极大的伤害，热解焦油的去除和再利用技术还需进一步研究。

现有生物质能源技术中，美国、加拿大和英国等发达国家的研究较为先进，尤其燃气燃烧器技术发展十分成熟，其结构设计、零部件安装方式和尺寸均有国际标准，具有代表性的有德国DUNGS公司、意大利BAITE、美国STEINEN公司、英国NUWAY公司，国外的燃烧机对空燃比的掌控十分精准，使燃烧机燃烧效率平均达到99.96%，较多用于发电和区域供热并实现了商业化应用[6-8]。我国20世纪80年代末开始对燃气燃烧器进行开发研究，90年代中后期，在全国范围内陆续建立了多家制造燃烧器的企业，河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室、河南省科学院能源研究所、东北林业大学等各科研院所对生物质燃气燃烧器进行了研究，并取得了一定进展[9-10]，但是国内外主要集中于研究热解气中可燃气的燃烧，对含有焦油的粗热解气的直接燃烧研究较少。

针对目前生物质热解气中焦油去除困难，热解技术后端产业链不健全等问题，本文结合现有燃气燃烧器相关技术，采用生物质热解气直接燃烧原理，设计一种生物质热解气燃烧设备，将热解产生的高温热解气直接通入燃烧器燃烧，此外，在燃烧过程中加入白云石催化剂，探索催化剂对生物质热解气燃烧特性的影响。

1 生物质热解气基本特性

1.1 组分分析

如表1所示，生物质热解气的主要成分为生物质燃气和气态下的液体产物，可燃物占气态产物的比例达到68%。其中生物燃气为主要成分，约占60%，生物燃气主要由CO、H2、CH4等组成，并含有一定量的C2H6、C3H8、C2H4和C3H6等大分子高热值气体，热值可达到20 MJ/m3，具有较好的可燃性[11-14]。轻重油约占8%，通过对油样检测发现，其组成多达上百种，多为苯的衍生物和多环芳烃等高分子物质，热值可达30 MJ/m3。木醋液占比33%，多为溶于水的酸性物质，成分较为复杂。

表1 热解气组分Tab.1 Pyrolysis gas components

1.2 燃烧计算

进行热解气燃烧计算，首先确定燃烧所需空气量，理论空气需要量是指每立方米燃气按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需要的空气量，也是燃气完全燃烧所需的最小空气量[15-17]。空气量的确定用于风机的选型和阀门的选配，将热解气的组分代入

(1)

式中V0——理论空气需要量，m3

VH2、VCO、VCmHn、VH2S、VO2——燃气中各可燃组分体积分数，%

m、n——分子数

得稳定燃烧所需空气量理论值为1.13 m3。然后确定着火浓度的上限和下限，燃气燃烧极限值是由生物质热解气的化学反应速度或释放能量的速度决定的，常用体积分数(%)或体积密度(mg/L)表示。生物质热解气含量高于着火极限的上限值或低于下限值，均不能着火燃烧。将各单一可燃气的着火浓度的上限和下限分别代入

(2)

式中Xi——不考虑惰性气体时各单一可燃气体成分的体积分数，%，见表1

Li——不考虑惰性气体时各单一可燃气体的着火浓度极限，%

D——惰性气体在生物质热解气中所占的体积分数，取2.3%

得热解气的着火浓度的下限16.2%，上限为79.56%。还需确定燃气供气速度，燃气供气速度是影响燃气燃烧过程中脱火和回火的主要原因[18-20]，鉴于生物质燃气供气压力的波动性，为保证稳定燃烧，取供气速度略大于燃气燃烧时火焰传播速度。将各单一可燃气的火焰传播速度代入

(3)

式中Um——燃气的火焰传播速度，m/s

VN2——混合气体中N2的体积分数，取1.72%

VCO2——混合气体中CO2的体积分数，取24.95%

Lm——对于各单一可燃气体，达到最大火焰传播速度时，该可燃气占混合物的体积分数，%

可得火焰燃烧速度为0.913 m/s。

2 工作原理和整机结构

2.1 工作原理与工艺流程

热解气燃烧试验平台的设计遵循适用性、安全性、稳定性和维修简便等原则，如图1所示，主要由2个燃烧系统组成：热解气直接燃烧系统和催化燃烧系统，催化燃烧系统是在进行催化燃烧时，先将燃烧室温度加热至700℃，以便白云石发挥催化裂解的效果。在燃烧室的后端加设烟气换热装置，用以降低烟气温度以便搭载烟气检测装置。

图1 设备流程图Fig.1 Equipment flow chart

2.2 整机结构与工作过程

生物质热解气燃烧设备结构如图2所示，主要由供风系统、燃烧器、燃烧室、催化裂解器、冷却器、排烟管道、控制柜及支架组成。供风系统由风机、液化气供风管路、生物质热解气供风管路及各管路的控制阀门组成。催化裂解装置由310S不锈钢加工而成，置于火焰外焰处，以获得较高的催化温度。换热装置采用风冷列管换热器原理将高温热烟气从800℃降到200℃以下，以满足烟气分析仪采样时对温度的要求。燃气管路设置两级电磁阀门保护，故障时及时切断燃料。整个控制系统采用PLC总体控制，通过组态软件开发了人机界面，操作方便，运行安全可靠。

图2 生物质热解气燃烧设备结构简图Fig.2 Schematic diagram of combustion device of biomass pyrolysis gas1.供风系统 2.燃烧器 3.燃烧室 4.催化裂解器 5.排烟管道 6.冷却系统 7.支架 8.控制柜

生物质热解气燃烧器工作时，首先启动风机，吹扫燃烧室，20 s后打开生物质热解气燃气管路阀门，生物质热解气与空气在燃烧器喷嘴处混合，同时高压点火器打火，当光敏传感器检测到燃烧火焰存在时，关闭高压点火，并经控制器将生物质热解气电磁阀锁死，保证处于开启状态。在进行催化燃烧时先启动液化气燃烧系统，达到预定温度后再进行热解气催化燃烧试验，同时关闭液化气燃烧系统。燃烧后的高温烟气进行风冷换热，降温后进行烟气监测并排空。

2.3 主要技术参数

生物质热解气燃烧设备的主要技术参数如表2所示。

表2 生物质热解气燃烧设备的主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of biomasspyrolysis gas combustion equipment

3 关键部件设计

3.1 燃烧器

图3 生物质燃气燃烧器示意图Fig.3 Schematic diagram of biomass gas burner1.空气管道 2.燃气管道 3.连接法兰 4.导流盘 5.稳焰板

综合扩散式燃气燃烧器运行温度、不回火等优点，并结合生物质热解气本身的燃气特性，如生物质热解气温度高、压力低、燃气中含有生物质焦油等特性，生物质热解气燃烧设备采用扩散式结构。如图3所示，扩散式燃烧器主要由生物质热解气管道、空气管道、连接法兰、导流盘及稳焰板等组成。

如表2所示，根据热解气产量2～5 m3/h，选定燃气量3 m3/h进行设计计算，根据式(1)可确定燃烧所需空气量为3.39 m3/h。燃气和空气出口截面速度和喷口直径计算式为

(4)

(5)

式中v——燃气在出口截面的流速,m/s

P——燃烧器前燃气压力,取50 Pa

ρ——密度，燃气取0.82 kg/m3，空气取1.29 kg/m3

T——燃气温度，取573 K

T0——开尔文温度，取273 K

ζ——燃烧器阻力系数，取1.5

F——燃气喷口截面积,mm2

L——燃气用量，取3 m3/h

d——喷口直径,mm

代入相关参数可确定燃气流速为6.2 m/s，燃气喷口直径为13.1 mm。空气流速为5.5 m/s，空气喷口直径为14.8 mm[21]。其中，为将燃料与空气进行稀态均相预混，避免局部出现富燃料区而产生高温炽热点，设计了空气导流盘，使喷出的气体具有轴向、径向和切向3个分速度，最终形成热解气的旋转运动，形成径向和轴向压力梯度，当剧烈旋转时，气体沿轴向发生反流动，产生内部回流区，可以极大提高混合程度。引用燃气轮机旋流器叶片设计原理，叶片的轴向长度可由叶片遮盖度K表示，即

(6)

式中Sx——单个叶片在根圆上所遮盖的弧长

Sf——邻近2个叶片根部之间弧长

根据相关设计经验[22-26]，当旋流器叶片遮盖度为1.0～1.5，叶片角度为40°～55°，叶片数目为8～12时能够获得较好的燃烧性能，结合燃烧器实际尺寸，取导流盘的叶片为12片，叶片倾角40°，遮盖度为0.94。

3.2 控制系统

生物质热解气燃烧平台的控制系统流程如图4所示，根据设备需求开发两种控制模式，模式1为热解气直燃系统，即在常温状态下，直接通入高温热解气直接燃烧；模式2为热解气催化燃烧系统，其中先用液化气将燃烧室温度加热至700℃后再接入热解气，以达到较好的催化燃烧效果。控制系统选用三菱FN1N-14MR-001 PLC，用于检测火焰信号、控制燃气阀门的开合以及流量计量等，通信线信息传输采用485串行总线通信，人机交互系统采用组态软件MCGS开发的便于操作的设备画面，用于数据的实时显示和数据存储及导出，手动控制系统主要是用于阀门的本地操作，防止因通信故障而造成设备损坏。

图4 燃烧器控制系统流程图Fig.4 Control system flow chart of burner

4 燃烧试验与结果分析

4.1 试验材料与测试方法

试验设备加工完成后，在农业部农业废弃物能源化利用重点实验室进行燃烧试验，图5所示为设备三维图及燃烧试验图。

图5 设备三维图及燃烧试验图Fig.5 3D and test diagrams for combustion equipment

以花生壳为热解炭化原料，在温度500℃的条件下，热解时间为30 min产生的热解气为燃气原料，产生的高温热解气约为3 m3/h。选择粒径为6～10 mm白云石为催化剂，进行催化裂解试验，试验过程中需要用的测试仪器有马弗炉、电子水分分析仪、快速水分测量仪、英展计重防水秤、德国rbr益康多功能烟气分析仪和崂应3012H型自动烟尘(气)测试仪等检测仪器。

4.2 结果分析

4.2.1过剩空气系数对燃烧效率的影响

燃烧效率是指燃气燃烧后实际放出的热量占其完全燃烧后放出热量的比值，是反映燃气燃烧程度的重要指标。图6a、6b分别为热解气直接燃烧和催化燃烧条件下不同过剩空气系数与生物质热解气燃烧效率的关系曲线。由图6a看出，随过剩空气系数增大，燃烧效率先升高后降低，当过剩空气系数从1增加到1.16时，燃烧效率从93%增加到98.5%，达到峰值，随着过剩空气系数继续增大时，燃烧效率呈下降趋势，当过剩空气系数为1.5时，燃烧效率降落至93.5%。分析可知，随着空气的供给增加，燃烧反应越完全，效率越高。但过多的空气进入燃烧室，表现为空气流速过快，而将部分未充分燃烧的燃料带走，进而导致燃烧效率降低。

由图6b看出，在催化剂作用下曲线规律与图6a类似，不同的是燃烧效率的峰值出现了向右偏移，即当过剩空气系数为1.21时催化燃烧效率达到最大，为98.9%。由此推断部分生物质热解气与催化剂反应，大分子焦油等被裂解为小分子易燃物质，进而增加了燃烧所需的空气量。因此，白云石作为催化剂促进了生物质热解气的催化燃烧反应，燃烧效率提高了0.4个百分点，在加入催化剂后供风量相应调大，保证燃烧过程的充分进行。

4.2.2过剩空气系数对NOx排放的影响

图6 生物质热解气的过剩空气系数与燃烧效率关系曲线Fig.6 Relationship curves between excess air coefficient and thermal efficiency of biomass pyrolysis gas

图7 生物质热解气的过剩空气系数与NOx排放量关系曲线Fig.7 Relationship between excess air coefficient of biomass pyrolysis gas and NOx emission

图7a、7b为热解气的过剩空气系数与NOx排放量关系曲线，由7a可以看出，随着α的增大，燃烧越充分，火焰温度随之增加，烟气中NOx的含量也逐渐增多，当α为1.16时，NOx的质量浓度由130 mg/m3达到最大，为170 mg/m3，之后随过剩空气系数α增大而减小。由此可以看出，当过剩空气系数达到1.16时，燃烧最充分，使得燃烧室温度升高，造成NOx达到最大值，但随着供给的冷空气量增加，降低了燃烧温度，从而减少了NOx的产生量。

对比催化燃烧反应，催化剂作用下当过剩空气系数在1.15时(图7b)，NOx排放量达到最大值，为190 mg/m3，且α在1.0～1.4区间内整体催化燃烧的NOx排放量高于直接燃烧。分析其原因主要是催化裂解装置安装在火焰的外焰处，致使局部高温，从而增加了NOx的排放量，因此催化裂解装置的安装位置还需要进行研究改进。

4.2.3生物质热解气燃烧设备基本性能指标

对生物质热解气燃烧设备进行测试，结果如表3所示，在正常燃烧状态和催化燃烧状态下，燃烧设备性能较好，火焰为淡蓝色、燃烧稳定，燃烧效率可达到98.5%，在催化剂的作用下，燃烧效率提高到98.9%，满足设计负荷。

表3 燃烧设备基本性能指标Tab.3 Basic performance indexes of combustion equipment

5 结论

(1)进行了生物质热解气直接燃烧的研究，研制了热解气直燃燃烧器，安装烟气催化裂解装置及烟气检测装置，搭建了热解气燃烧试验平台，测试结果表明该设备燃烧效率能够达到98.9%，能稳定运行并满足设计负荷。

(2)通过生物质热解气直接燃烧试验，得到了过量空气系数与燃烧效率、NOx排放量的关系曲线，测试结果表明，当过剩空气系数为1.16时燃烧效率达到最大，为98.5%，同时NOx的排放量也为最高值170 mg/m3。

(3)对比有/无催化催化剂(白云石)燃烧试验，结果表明在催化剂作用下燃烧效率有一定程度提高，由98.5%提高到98.9%，但是由于催化裂解装置附近产生局部高温，导致了NOx的大幅增加，这也是该设备需要改进研究的重点。

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