浅谈生物质气化-有机载体炉炉膛温度升高的原因分析及对策

张飞飞

【摘 要】生物质气化-有机载体炉应用于精细化工装置单元，以导热油为中间循环介质供应装置精馏单元取热，导热油供热控制指标275℃-285℃，在工艺指标满足的条件下，有机载体炉炉膛温度偏高，超出工艺指标（600℃-700℃）范围，针对当前工艺情况，系统排查可能存在原因，并对其进行改进，通过对生物质气原料质量把控、更换燃烧喷嘴、调整鼓风和引风比例、增加氧化锆氧含量分析仪等措施，有机载体炉炉膛温度明显下降。

【关键词】生物质气化;导热油;焦油;残碳;燃烧喷嘴

生物质气化-有机载体炉是一种新型应用于中小型生产装置组合工艺，是以生物质为原料，通过复杂的热化学反应生成一氧化碳、甲烷、氢气等可燃气体，送入锅炉燃烧器在有机载体炉中点燃后燃烧，有机载体炉通过热辐射和热对流将热量传递导热油作为中间循环介质供热供暖。

生物质气化原理

生物质气化是以生物质颗粒为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过热化学反映将生物质中可燃的部分转化为可燃气的过程。生物质气化时产生的气体，主要有效成分为CO、H2和CH4 等，称为生物质燃气。气化和燃烧过程是密不可分的，燃烧是气化的基础，气化是部分燃烧或缺氧燃烧。实际上，气化是为了增加可燃气的产量而在高温状态下发生的热解过程。生物质气化反应过程包含有燃料的干燥、裂解反应、氧化反应和还原反应。

生物质气化-有机载体炉主要工艺流程

1、工艺流程图

2、工艺流程图简介

简单破碎后的生物质原料（水份高的需经过干燥处理），用上料机输送至气化炉顶，再由螺旋给料机输送入炉内。气化炉设有自动点火装置和紧急排空装置，在生产启动时，通过自动点火装置点燃气化炉内燃料，产生高温烟气对炉内生物质原料进行加热升温，原料在炉内分别经过氧化、裂解和还原反应，生产的可燃气体经过气化炉引风机送入锅炉燃烧器点燃后燃烧，产生高温烟气供生物质气化炉产生蒸汽。

当前工艺存在问题

该生物质气化炉为中低温常压操作，以生物质木片为原料，气化效率为72%，消耗生物原料3.75t/h，产气量输出功率1080×104Kcal/h（1080万大卡），额定产气量8250m?/h，与生物质气化系统配套的有机载体炉设计热负荷800万大卡，炉膛温度指标600℃-700℃，有机载体炉有效利用热量根据导热油热量检测仪计算，每小时热值约20-22GJ/h，有机载体炉炉膛温度偏高，存在安全运行风险。

从以上两个表中明显看出，当有机载体爐热值基本稳定的情况下，运行后期炉膛温度明显高于运行初期，运行后期炉膛温度接近指标上限，排烟温度较高，炉膛中热量未被循环导热油取走，导致炉膛温度偏高，针对当前工况主要从以下几个方面进行分析。

一、生物质气化原料问题。

燃料规格要求：燃料为木片形式，长度30mm-80mm，含水率为15～20%，灰分≤5%。

生物质原料以木柴为主，对现场进行取样、外观观察，水含量≥30%，灰分>5%，因原料中水含量较大势必造成气化气中组分水蒸气含量偏高，较多的水蒸气进入有机载体炉膛中，在辐射室和对流室中与炉管接触，将部分炉管热量（中间介质导热油）带走，进而以提高炉膛温度来满足供热量，造成炉膛温度偏高，供热热值偏低。

原料中灰分含量较高，进入有机载体炉内，在水蒸气作用下，灰分沉积在炉管（中间介质导热油）表面，影响了传热系数，同样以提高炉膛温度来满足供热量，造成炉膛温度偏高，供热热值偏低。

二、有机载体炉燃烧器燃气偏流或燃烧火焰不稳定。

本系统有机载体炉火嘴采用直流式通气燃烧方式，火焰在炉膛底部呈分散形状，从现场看窗观察火焰呈倾斜状，较炉膛北侧墙面喷射，进而在局部形成涡流，造成辐射段炉管取热面不均造成热量损失。下图为炉膛两侧处测温分布表，从数据观察，炉膛北侧温度较高，该炉膛墙面设计温度不超60℃。

三、有机载体炉中间循环介质导热油性质变差。

与生物质配套选用YLW9300MA型导热油炉，选用320#BD型导热油。主要用于芳构化装置供热和产生低压蒸汽，供罐区和装置区伴热及吹扫用。以气化气为燃料，以导热油为热载体，利用热油循环泵强制液相循环，将热能输送给用热设备后，继而返回重新加热的载体炉。起初判断炉管内部结焦或者油质变化引起取热不佳，从导热油循环泵供油、回油压力观察，无明显变化，然后对其取样分析，四项指标都满足性能要求，故导热油性质变差的原因予以排除。

粘度：指在规定的条件下，有机载体的粘稠度及流动性。粘度越大，流动性越差，导热系数越小，管道传输所需的循环泵功率也就越大。当粘度增大较多时，循环流速变慢，雷诺系数降低，炉管中的导热油流体逐渐由湍流变为层流，导致靠近管壁的边界层厚度不断增大，进而加速导热油分解成粘度更大的胶质物，结果形成残炭沉积于管壁，从而影响传热，严重时易造成管壁过热，引发事故。

闪点：指在加热条件下，当火焰接近导热油蒸气与空气组成的混合性气体时，发生短促闪燃的最低温度。闪点越低，运行时导热油的蒸发率就越大，安全性也就越差，且在使用过程中损耗也越大。

残炭：是指在超温条件下导热油受热分解或聚合而形成沉淀的残炭量。残炭的主要成分是导热油中的胶质、沥青及多环芳香烃。由残炭值的大小可判断导热油结焦的倾向性，在一定的使用时间内，残炭值增量越大，说明该导热油的热稳定性和抗氧化性越差，越易在受热面上积焦，直接影响传热效率。

酸值：是指导热油中有机酸的总含量。因油品氧化变质所产生的酸性物质，与金属作用生产皂类沉淀或其他氧化物，易堵塞加热系统管路、散热器及阀门，造成取热效率下降。

四、供热用户调整波动。

导热油在循环泵作用下，依次进入有机载体炉，吸收热量，分别至装置单元各个用户，当用户需求热量有波动时，进而影响导热油循环料波动，炉膛温度随之波动，出现取热不匹配、热量损失等情况。图中，蒸汽发生器利用导热油回油温度加热脱盐水产蒸汽，蒸汽作为用户使用波动情况下，也影响取热负荷的变化。

五、有机载体炉燃气配比、鼓引风配比不合理。

正常调整时，有机载体炉若增加负荷，在生物质气化炉运行稳定时，首先加大原料进料量，缓慢加大鼓风机和引风机频率，同时注意燃气温度，生产负荷达到有机载体炉生产要求。有机载体炉若降低负荷，反之亦然。在生产调节过程中，下面这几种情况将可能导致炉膛温度偏高。

1、燃气压力高或者燃气CO含量较高时，鼓风量不变或者增加较小的情况下，炉膛温度升高，燃气未完全燃烧，烟气出口氧含量明显下降，严重时烟囱出现冒黑烟现象。鼓风量增加较多情况下，炉膛温度增加较快甚至出现超温现象。

2、引风量相对较小，炉膛中热量未及时被烟气带走，炉膛温度升高。

六、有机载体炉中间介质取热管附着积灰。

燃气未完全燃烧产生的炭黑集聚在炉管表面或者燃气中颗粒物附着炉管表面影响传热效率，在装置取热负荷不变的情况下，炉膛温度升高。

改进措施

在确保装置取热不变的情况下，对有机载体炉炉膛温度升高的原因分析与确认的基础上，提出并制定了降低炉膛温度的措施，主要从以下几方面进行改进。

1、把控原料质量，提高产气效率

通过加大原料取样频次，坚决制止不合格原料入厂，确保原料中水含量和灰分在指标范围内。增加除焦油净化系统，燃气通过净化装置经自降除尘后，使燃气中绝大部分的灰尘、焦油沉降，系统净化后的燃气供锅炉使用，沉降后的焦油经过焦油循环打到气化炉本体内进行重复气化，大大降低了燃气中焦油及灰尘含量。

2、选型合理的燃烧喷嘴

停工后更换新型喷嘴后，对现场炉膛中火焰观察，燃烧稳定，均衡有力，炉膛壁温度测点基本都维持50℃左右，达到预期目的。

3、穩定调整供热用户

在正常调整操作中，通过微调节、勤调整，事前做好预判。因装置在结晶单元生产中，蒸汽调整幅度较大，增加或降低用量过程中，做好计划调整，避免大幅度波动。

4、调整鼓引风配比

1）在正常调整的基础上，炉膛内部增加氧化锆氧分析仪，时时在线检测烟气中氧含量。

2）通过摸索对比，燃气压力控制-30Pa～-40Pa，有机载体炉膛压力-20Pa～-30Pa，鼓风机频率19HZ-22HZ，引风机频率25HZ-27HZ，导热油出口油温283℃以上，排烟温度相对较低，炉膛温度已达到指标之内，达到预期要求。

5、增加手动吹灰设施。

定期对炉膛通过工厂风进行炉膛炉管表面吹灰，通过吹灰前后对比，吹灰后炉膛温度及出口烟气温度明显下降。

参考文献：

[1]李人鉴. 生物质气化燃烧技术在工业锅炉上的应用研究[J]，质量技术监督研究，2020（6）.

[2]徐瑞红. 浅论导热油品质对导热油炉安全运行的影响[J]，科技视界，2012（28）.

（作者单位：中陕核陕西华浩轩新能源科技开发有限公司）