近年来，中国北方地区冬季持续遭受雾霾侵袭。雾霾天气不仅降低了能见度，影响了水陆、航空运输，更是严重的威胁了人类的人体健康。为了改善环境问题，中国大力发展天然气代替燃煤来实施工业及民用供热。然而，天然气在中国的应用同样存在不少问题，集中体现在：价格畸高；供应严重不足，近40%的天然气仍依赖进口；NO_x排放过高。为了降低NO_x的排放，绝大多数燃气锅炉采用了低氮燃烧器，然而低过量空气系数又造成了CO的排放过高。对山东某市的调研表明，燃气锅炉排烟中CO排放超过10000ppm的情况非常常见。开发热效率高、运行成本低、污染物超低排放的新的供热系统已成为迫在眉睫的问题。为此，设计了一台多用途试验台——连续蓄热式生物质气化燃烧供热系统，该系统主要运用了高温空气燃烧技术（HTAC），生物质气化技术以及低温烟气余热回收技术。并在燃烧器的出口预留了一个系统扩展接口，可作为吸收式热泵的高温热源。

生物质气化技术早在18世纪就已经出现，但是直到20世纪70年代才得到世界各国的重视，经过不断的研究和改善，目前已经完全到达商业推广和工业使用的水平。我国的生物质气化研究起步较晚，不过到现在为止也有30多年的历史了，并且也进入实用化实验及示范阶段^[1]，本次设计采用的是固定床生物质气化炉中的上吸式生物质气化炉；HTAC是二十世纪末发展起来的一项技术。根据日本工业大学所作的一项实验来看，利用这项技术可以使锅炉燃烧5000Kcal/m³-10000Kcal/m³的燃料^[2]。并且它具有超低污染物排放的优点。而我国现阶段的情况是，煤炭资源正在枯竭，天然气资源严重短缺工业成本过高，环境问题日益严重，生物质能源利用热效率低下，排放物难以符合日益严格的环保要求。基于HTAC技术的优点，并且随着它的不断完善和发展，可以和好的解决目前我国生物质利用的问题，进而缓解我国目前能源紧张，环境污染严重的问题。但是目前所依据HTAC设计出来的生物质锅炉是间断式的蓄热燃烧锅炉，并不能进行现有的天然气锅炉的改造。针对这个问题，本文通过自主设计了电动的烟气四通阀，可实现连续的烟气与空气的换热，很好的解决了传统蓄热燃烧技术中的不足；低温烟气余热回收技术是随着能源问题加剧，越来越得到人们重视的一项技术。目前大部分低温烟气余热回收技术都利用在煤炭锅炉和天然气锅炉上，为了提高本套系统的热效率，本次设计还创造性的将低温烟气余热回收技术应用到本套连续蓄热式生物质气化燃烧系统中。将回收回来的低温烟气余热作为吸收式热泵的低温热源进行利用研究。

通过这些技术的有机结合，使得不同研究方向的学生都可以借助本实验台进行各自专业方向的研究，并且通过团队合作，研究探讨出该系统运行的最佳工况，对比得出与现有的天然气锅炉的优点。

1实验装置及原理

连续蓄热式生物质气化燃烧系统主要包括：上吸式生物质气化炉，燃气降温换热器，布袋除尘器，燃烧器，高温空气发生器和低温烟气冷凝换热器。实验流程图如图1所示。其中上吸式生物质气化炉，燃烧器以及高温空气发生器采用310S不锈钢加工而成，烟气冷凝换热器采用氟塑料加工而成。气化炉内径102mm，高400mm。燃烧器喷嘴如图2所示。中间是燃气通道，直径为30mm；四周每隔90度布置一个空气通道，直径为8mm。烟气四通阀如图3所示，深色部分为高温耐火纸，气流通道直径为70mm。蓄热体采用的是莫来石制作的蜂窝陶瓷蓄热体。高温蓄热部分的蓄热体长、宽均是100mm，高是400mm；低温蓄热部分的蓄热体长、宽、高均是100mm。采用PD3061-NTC 8路NTC电阻温度采集模块分别对图1中T点进行温度采集，采集速率为2次/秒。采用TASI手持式压力表对图中P点进行压力测量。低温空气入口处采用东兴仪表厂生产的LZB-25气体流量计进行空气流量控制，控制范围为1.6-16m³/h。

图1 连续蓄热式生物质气化燃烧供热系统

工艺流程如下：（1）蓬松生物质（可以与添加剂）一起压缩制成高密度成型燃料，在上吸式生物质气化炉内气化为燃气；气化炉的水冷套产生的水蒸汽则与高温空气一起，作为炉内部分氧化法焦油裂解过程使用的改性气；（2）气化燃气中富含的焦油在炉内两级焦油裂解器（部分氧化法+催化裂解法）内彻底分解为可燃气体小分子；（3）高温燃气通过水冷降温后进入除尘器除尘净化；获得热量的高温水具有商用和工业利用的价值；（4）净化后的低热值燃气进入热利用设备，在超过1000℃的高温空气的助燃作用下进行高温低氧稀释燃烧（蓄热式燃烧）；（5）在热利用设备内放热后温度仍然超过1100℃的热烟气，依次流经高温四通阀、一侧蓄热体、低温四通阀、冷凝式换热器，完成放热的烟气最后经引风机排放至大气。生物质燃烧烟气中富含的大量水蒸汽在冷凝式换热器内释放出汽化潜热。（6）环境中的冷空气混合小部分引风机处排放的烟气完成氧稀释后，再经鼓风机升压，然后依次流经低温四通阀、另一侧蓄热体、高温四通阀，完成吸热升温后成为温度超过1000℃的高温空气。产生高温空气分为两股，分别作为蓄热式燃烧的助燃空气和部分氧化法焦油裂解所用的氧化分解改性气。工艺流程中各部分的原理详述如下：

1.1上吸式气化炉的工作原理

生物质气化是指在一定的热力学条件下，并借助空气和水蒸气的作用。发生的一系列热解，氧化，还原反应，最终将生物质燃料转化成为一氧化碳，氢气和低分子烃类可燃气体的过程。图4中所示为上吸式气化炉原理图。上吸式生物质气化炉的优点是气化燃气中的碱金属含量低，可以有效的防止设备结渣和提高气化强度，并且上吸式气化方式可以将生物质中的99%碱金属滞留于炉内^[3-5]。

1.2 两级焦油裂解反应器

两级焦油处理器工作原理为：第一级采用部分氧化分解法，利用来自气化炉水冷套的高压蒸汽与部分经蓄热体预热后的高温空气混合形成高温空气和水蒸汽的混合物，以引射混合的方式喷射到焦油裂解器中，在900~1000℃的高温下发生部分氧化和分解反应，实现对焦油的初级裂解。第二级采用催化裂解法，采用催化剂，可以将燃气中残余的小部分焦油彻底分解为小分子气体，实现对焦油的第二级深度裂解。

通过焦油裂解器将气化燃气中含有的大量焦油彻底分解后，最终不但可以避免燃气中的焦油在冷凝时导致的管道、阀门的堵塞问题，而且还在一定程度上提高了燃气的热值。

1.3高温空气蓄热燃烧的工作原理

如图5所示，高温空气蓄热燃烧的原理为：通过设计的喷嘴，燃气和高温空气喷入燃烧器内，由于高温空气的温度已经达到了1000℃以上。大大的超过了燃气所需的着火点温度，在这种情况下燃气只需要碰到氧就会发生剧烈的化学反应，且稳定性极好。当助燃空气温度大于900℃时，即使氧浓度为5%，也可以稳定的燃烧。燃烧形成的高温烟气又会通过蓄热体加热空气形成上述时所说的高温空气^[6]。另外，燃气从喷管中喷入卷吸了一部分烟气，使得燃烧器里面的氧浓度降低。由于燃气与氧气反应的活化能低于氧原子与氮原子反应的活化能，因此氧气先会与燃气发生反应，如有剩余的氧气时，氧原子才会与源自氮反应生成NOx。

经陶瓷蓄热体换热后的高温空气几乎等于炉内烟气的温度，二者温差缩小至50-100℃的极限换热水平。蓄热体的温度效率可以达到90%以上，热效率达到80%以上，很好的实现了余热回收的目的^[7-9]。

1.4 冷凝水回收及低温腐蚀处理

当排烟温度降低到水蒸气露点温度以下，烟气中的水蒸气就会发生冷凝，放出潜热。而且冷凝放出的这部分潜热利用价值也非常可观，不仅减少排烟热损失，从而提高能源利用率的，还可以作为吸收式热泵的低温热源进行利用。与煤、天然气这种化石燃料相比，生物质燃料回收废热，提高锅炉热效率更有优势，是更容易实现的^[10-12]。因此，我们的方案中加入了冷凝式换热器来回收水蒸气及其潜热。

2 设计实验

本套实验系统主要通过调节四通换向阀的换向时间进行控制，当四通换向阀的换向时间为30S时，本套实验系统达到最优情况。此时，各部分的具体参数见表1所示。其中所有的参数均为各部分的出口参数。

表1 换向时间为30S时，各部分的参数

基于以上数据，可对本系统的某一项参数或某几项参数的组合进行优化研究。其中气化炉部分可进行的实验有：固体燃料颗粒的大小对气化的影响、气化温度对气化的影响、不同添加剂对上吸式生物质气化炉的碱金属控制等；催化裂解器可进行的实验有：不同催化剂对催化效果的影响、不同温度对催化效果的影响、不同温度对裂解后的燃气热值的影响等；燃烧器部分可进行的实验有：燃气喷入速度对NOx生成的影响、不同氧气质量分数对NOx生成的影响等；冷凝器部分可进行的实验有：不同材料对低温烟气耐腐蚀的影响、不同材料对换热效率的影响、增加冷凝器对整套系统热效率的影响。

3 结语

设计构建的连续蓄热式生物质气化燃烧供热系统实验平台，实现了科研成果和实验教学的相互融合，科研结论指导实验教学，实验教学也可发现问题反馈科研研究，形成良性循环。借助该实验平台可以设计出一系列综合性强的实验并且融入到教学中，完成上吸式生物质气化、高温空气燃烧、低温烟气余热回收等相关的课程任务。并且本实验还预留了扩展接口，可将部分的高温烟气作为吸收式热泵的高温热源，低温烟气回收的凝结热可作为吸收式热泵的低温热源。这就将吸收式热泵技术引入到本套实验系统中。该实验系统已经成功的应用本科和研究生实验教学课程中，激发了学生对本专业的兴趣和创新精神，提高了学生的团队合作意识及独立思考问题的能力。取得了非常好的教学成果。

参考文献

[1]刘作龙, 孙培勤, 孙绍晖, et al. 生物质气化技术和气化炉研究进展[J]. 河南化工, 2011, 28(1):21-25.

[2]Tsai J S , Kawai K , Iwahashi T , et al. Thermal performance of a high-temperature air combustion boiler[C]// Aerospace Sciences Meeting & Exhibit. 2013.

[3] Joseph Olwa, Marcus Ö hman, Pettersson Esbjö rn, Dan Boströ m, Mackay Okure, and Bjö rn Kjellströ m. Potassium Retention in Updraft Gasification of Wood[J]. Energy Fuels 2013, 27, 6718−6724.

[4] 谢泽琼.生物质燃烧碱金属及氯排放的特性研究 [D].广东：华南理工大学，2013.

[5] 韦威，廖艳芬，陈拓，等.桉树枝直燃利用过程中碱金属迁移规律分析［J］.广东电力，2014，27( 6) .

项目：教育部产学合作协同育人项目，“互联网+”背景下绿色建筑行业基于“岗位引导式”人才培养模式的课程教学改革与实践