CN103382400A - 一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的方法。以石化燃油或燃气为燃料的工业锅炉，可采用现场工业化生产的生物燃气作为燃料，替换石化燃油燃气；以平均热值在5MJ/m³附近波动的工业生物燃气，替换工业锅炉原设计使用35MJ/m³-50MJ/m³高热值石化燃油燃气，燃料替换后，工业锅炉热力产品产量与质量的变化，在可接受范围以内，但成本大幅度下降；对中国现存12万多台(套)燃油燃气工业锅炉，实施工业生物燃气替换石化燃油燃气，是工业锅炉领域节能减排技术的一场革命，其意义在于节约石化能源，减少因使用石化能源而产生的CO₂等温室气体排放和其他污染物排放，改善环境并节约工业能源热力成本。

Description

一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程及方法

【技术领域】

本发明涉及运用生物燃气新能源替换传统石化能源的能源利用替代技术，尤其涉及一种运用生物燃气工业化生产系统，现场生产工业生物燃气，替换工业锅炉原设计使用的传统石化燃油燃气的能源利用替代技术。 

【背景技术】

工业领域，煤、石油、天然气等化石能源的大量使用，其所排放的污染物严重污染了环境，大量CO₂等温室气体的排放引起了气候的变化，治理环境污染和应对气候变化，成为人类所面临的全球性问题。 

煤、石油、天然气等化石能源属于不可再生能源，总有枯竭的一天，人类的可持续发展，必须寻求可再生能源替代不可再生能源。太阳能、风能、生物质能等可再生能源日益受到重视，其中，生物质能作为人类已知的第四大能源，是上述三种可再生能源中唯一可以以实物形态(包括固态、气态和液态三种形态)存在的可再生能源，运用范围非常广泛，且成本低廉。生物质能是可再生能源中最有可能替代煤、石油、天然气等不可再生能源的可再生能源之一。 

生物能源利用技术的发展趋势。人类大量使用传统的不可再生的化石能源所面临的环境、资源约束，制约人类社会经济的进一步发展，甚至威胁到人类的可持续发展；长期以来，人类在生物质资源(如植物、动物、微生物和藻类等)的能源化利用方面，进行了不懈的努力，从人类最早的烧火、做饭、取暖等最传统的生物质能利用，到目前工业上利用生物质资源直接燃烧发电或加热介质(如蒸汽、热水锅炉和有机热载体锅炉等)；生物质气化发电或气化燃烧加热介质(如蒸汽、热水锅炉和有机热载体锅炉)；生物质气化燃烧运用于工业炉 (如加热炉、熔炉、淬火炉)；生物质直接燃烧或气化燃烧运用于工业窑炉(如玻璃、水泥和陶瓷煅烧)；生物燃料乙醇，生物柴油等。生物能源的利用，从一般意义上说，可以认为是对石化能源的一种替代，但这种替代是抽象、概括的替代，主要限于对新建项目的增量部分的替代，因而，是一种浅层意义上的替代，不存在实质性的技术难点，比较容易实现；生物能源对石化能源深层意义上的替代，将不止于在一般意义上对新建项目增量系统使用生物能源，而是深入到已经使用石化能源的领域，对正在使用石化能源的存量系统进行能源替换，这种替代是针对具体、特定的石化能源的替换，是真正意义上的石化能源替代，也是最难实现的替代，它需要运用更高的技术手段，并对原系统进行适应性技术改造。在生物能源利用的现有技术中，生物质气化技术属于已经成熟的高级利用技术，它将低品位固体形态的生物质能转化为高品位的气体形态的生物质能，不仅提高了能源利用效率，扩大了使用范围，增强了对使用环境的适应性，也是生物能源各种利用方式中最清洁的利用方式，国内外公开了大量的生物质气化技术及其利用技术。 

生物质气化现有技术及其运用问题。生物质气化技术目前尚没有实现大规模的产业化运用，其主要原因有三方面，一是生物质气化技术的工业化和工程化运用技术尚未成熟，二是生物质气化技术产业化运用尚未找到真正实现的途径，急需拓展生物质气化技术产业化新的运用领域，三是最早实现工业化运用的生物质气化发电技术，由于技术原因，适应低热值生物燃气的内燃机机组规模太小，能源利用效率太低，而中国电价体制是以煤电成本确定电价水平，生物燃气发电成本与煤电成本相比，没有明显的成本优势，导致生物燃气电厂全面亏损，只能依靠国家的电价补贴或补助才能维持生产。突破生物质气化现有技术产业化的瓶颈制约，最根本的出路是要开拓生物燃气的工程化运用技术， 尤其是生物燃气替代石化燃油燃气的工程化技术。中国是一个缺油少气的国家，2010年石油对外依存度已经55％，以生物燃气替代石化燃油燃气，具有非常重要的现实意义。 

中国专利申请200910066513.1公开了利用生物燃气为大型热量接收器加热的方法，该方法利用生物燃气为大型热量接收器加热：使用生物气化炉制造生物燃气，并通过气量可调式真空泵以每分钟3～80m3的速度输出生物燃气，生物燃气通过面积为0.25～30m2的大型燃气炉排燃烧，加热容量为0.2t～20t的大型燃气热量接收器。由于生物燃气的物理性质及其燃烧特性等技术信息，本身具有燃烧加热显而易见的技术启示，该方法是生物燃气利用领域的技术人员很容易想到的方法，且该方法没有提供现实可行的工程化或工业化技术解决方案，其工艺方案中“洗涤冷却”、及储存、过滤等生物燃气的处理、储存和输送环节，使生物燃气温度大幅度降低，从而产生大量焦油凝结堵塞，无法实现系统的连续稳定运行和工业化生产，无法实现产业化运用。 

中国专利申请201010528145.0公开了利用生物质气的钢铁加热工艺(方法)，该工艺主要包括两个步骤(1)利用生物质成型燃料气化反应系统制得生物质气，(2)将现场制备的所述的生物质气热态直接输送至钢铁加热炉燃烧加热。该工艺采用生物质气热态直接输送的技术方案，克服了生物燃气工业化运用过程中的焦油凝结堵塞难题，其技术方案及其实施例在生物燃气工程化和工业化运用方面有进步。生物燃气物理性质中焦油凝结温度等技术信息本身具有“生物质气热态直接输送”显而易见的技术启示，“生物质气热态直接输送”技术也是生物燃气利用领域技术人员最容易想到的方案；虽然该工艺及其实施例在生物燃气工程化和工业化运用方面具有能源替代的技术特征，但其对化石能源的替代只是抽象、概扩和间接的替代，其工艺技术的直接目的是钢铁加热，并不 是直接具体的能源替代；对于现有的以石化能源为燃料的钢铁加热工艺装置，该工艺并没有提供具体、直接替代石化能源的方法及替代过程技术方案，因此，不能直接运用该工艺进行能源替换，其适用对象仅限于新建钢铁加热系统狭窄的运用领域，无法实现对大量现存的以石化能源为燃料的钢铁加热工艺进行以能源替换为目的的技术改造。 

生物燃气替代石化能源现有技术及其运用问题。由于工业化大规模热解生物质燃料生产生物燃气，受到气化成本的强约束，工业上只能使用空气作为气化剂来生产生物燃气，而空气的主要成份是不参加气化反应过程的N₂，因此，工业生物燃气中含有大量的N₂不可燃成分(平均值在55％附近)，这决定了工业生物燃气属于中低热值的粗燃气，燃气的平均热值在5MJ/m³附近。一般认为，如此低热值的工业生物燃气，要替换石化燃油燃气等高热值的传统化石能源是不可能的，甚至是不可想象的。长期以来，大规模工业化生产生物燃气，替代石化燃油燃气等高热值的传统化石能源，一直是人类的一个梦想。现有技术中，以低热值工业生物燃气替换热值超过其数倍的高热值石化燃油燃气(热值范围35MJ/m³——50MJ/m³)，其工业化和工程化技术，始终是人们梦寐以求突破的技术难题，其技术难点在于低热值生物燃气的燃烧温度分布，最高温度达不到高热值石化燃油燃气燃烧最高温度，如果要实现相同的燃烧烟气温度，必须燃烧更大量的低热值生物燃气，增加热能，这势必大幅度增加燃烧烟气流量，对原有热工系统产生很大的冲击，干扰甚至破坏其热流、气流和物料流原有的设计平衡，导致其热工状况严重偏离设计，系统负荷下降，不稳定性增加等。最接近的现有技术如中国专利申请201010528145.0所公开的利用生物质气的钢铁加热工艺，绕开了石化能源替换的技术难题，回避深层次石化能源替代的技术难点，其工艺技术目的“利用生物质气的钢铁加热”，并没有涉及对具体石化能 源替换问题，更没有突破低热值生物燃气替换高热值石化能源深层次的技术难点。该工艺属于典型的对生物燃气现有产品用途改进，对于钢铁加热热工技术领域的技术人员来说，运用所属技术领域的普通知识和现有技术，只要他从生物燃气利用领域寻求技术手段，获得普通知识和现有技术及生物燃气利用常规实验手段，是很容易想到和实现的；对于生物燃气利用领域的技术人员，运用其所属领域的普通知识和现有技术产品，只要他从钢铁加热热工技术领域寻求技术手段，获得普通知识和现有技术及钢铁加热常规实验手段，或者上述两个领域相关技术人员合作，很容易想到和实现用生物燃气给钢铁加热工艺供气。工业生物燃气替代石化能源的现有技术，只有一般替代(概括、抽象替代)技术，没有具体替换技术，其运用具有很大的局限性；工业生物燃气替代石化能源，急需在具体能源替代技术，即能源替换技术领域，实现新的突破。 

为研究低热值能源替代高热值能源对替代能源最低热值的要求，德国克劳斯塔尔工业大学(Technische Uni.Clausthal)用静态模型摸拟水泥回转窑和分解炉的条件，进行传热过程试验，建立了能量替换比与替代燃料热值和燃烧烟气温度关系的模型，见附图8、图9。Clausthal的研究成果表明，替代燃料对被替代燃料的热值比越低，替代燃料的能量替换比增加越快；对于水泥窑分解炉，如果二次风预热到950℃，以热值11MJ/kg燃料替代25MJ/kg的石化燃煤，能量替换比稍大于1便能达到1200℃的燃烧烟气温度，实现水泥窑分解炉低热值燃料的完全替代，因此，一些欧洲国家将水泥窑替代燃料最低热值定为11MJ/kg；日本川奇公司与海螺水泥合作的安徽铜陵海螺垃圾气化生物燃气在水泥窑分解炉运用的案例，也验证了Clausthal的研究成果。Clausthal上述理论模型对低热值生物燃气替代高热值石化能源的技术突破，具有重要参考价值(参见化学工业出版社2005年8月版施惠生主编《生态水泥与废弃物资源化利用技 术》142页，及海螺集团网站)。所谓能量替换比是指为达到同样燃烧气体温度，利用低热值替代燃料所需的总热能与用高热值常规燃料时所用热能的比值，因为用低热值燃料时必须增加热能才能达到同样燃烧烟气温度。能量替换比可用来表示替代燃料相对于所用常规燃料的相对价值，它会影响燃烧系统的气体流量和温度分布。能量替换比是评价燃料替代方案的技术与经济可行性最重要的指标，也是燃料替代方案设计最重要的技术参数；工业锅炉领域，低热值生物燃气之所以能够替换高热值的石化能源，最根本的技术与经济依据就在于，工业锅炉的燃烧温度分布区间所决定的能量替换比分布区间，及由其所决定或影响的燃料替换后工业锅炉燃烧的气体流量和温度分布，对工业锅炉原设计平衡和负荷偏离的影响，在生物燃料与常规石化能源热值比，及生物燃料与常规石化能源当前的价格比条件下，是完全可以接受的；即使没有Clausthal大学建立的能量替换比静态摸拟科学理论模型，仅凭经验观察数据，在比较替代燃料与常规燃料的热值比和替代燃料与常规燃料的价格比以后，也能发现生物燃料替代石化能源的经济可行性。 

【发明内容】

本发明针对现有技术中为解决上述能源替代的具体能源替换技术难题，尤其是低热值生物燃气替换高热值石化燃油燃气具体石化能源替换技术难题，本发明提供了一种工业锅炉具体能源替换的技术方案，开辟了工业生物燃气替换石化燃油燃气，能源替代技术领域的一个新领域，即具体能源替换技术领域；尤其是开辟了工业锅炉领域以平均热值在5MJ/m³附近波动的低热值工业生物燃气，替换热值范围35MJ/m³——50MJ/m³高热值石化燃油燃气，能源替换技术领域中低热值燃料替换高热值燃料的一个新技术领域。 

本发明的目的是以低热值的工业生物燃气具体替换已运行的工业锅炉所使用的具体的高热值石化燃油和燃气。在工业锅炉领域使用低热值燃气，属于现有技术，比如发生炉煤气的平均热值在5MJ/m³附近，高炉煤气的热值更低；但是，以低热值的工业生物燃气具体替换运行中工业锅炉所使用的高热值石化能源，则是人们以前所意想不到的一种事情。 

本发明所提供的技术方案，在于通过对原有工业锅炉热力系统的技术改造，实现生物燃气对具体石化能源直接替换；其更深入的意图在于解决平均热值在5MJ/m³附近波动的低热值工业生物燃气，替换热值范围在35MJ/m³——50MJ/m³高热值石化燃油燃气这一突出的技术难题，为工业锅炉的节能减排，开辟一个新的技术途径。 

本发明是通过以下技术方案来实现的： 

一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程，包括能源替换系统开发和能源替换系统的实现两个过程，所述能源替换系统开发包括替换系统任务分析、系统功能分析、替换系统设计和系统验证四个步骤；所述能源替换系统的实现包括工业生物燃气的生产过程、生物燃气净化处理与输送过程、生物燃气燃烧与热力产品输出过程等三个密切联系的工业化的过程。 

一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的方法，包括以下七个必不可少的具体步骤： 

(1)能源替换系统分析(任务、功能分析)； 

(2)能源替换系统设计； 

(3)建立生物燃料供应系统； 

(4)建立生物燃气生产系统； 

(5)建立生物燃气净化处理与输送系统； 

(6)原锅炉热力系统改造和石化燃料的替换； 

(7)工业生物燃气燃烧与热力产品输出。 

进一步地，所述系统任务分析为从系统的顶层目标出发，即从能源替换的需求开始，通过比较替代燃料(高温低热值工业生物燃气)与拟替换石化燃料(常温高热值燃油或燃气)的对比分析，结合拟替换的工业锅炉热力系统现状，分析能源替换的约束条件，包括燃料的物理性质约束，如燃料热值、焦油凝结温度等；传热条件约束，如锅炉的辐射传热、对流传热的温度、烟气流量约束等；生物燃气生产约束(气化效率)以及生物燃料供应约束和能源替代的价值约束(如燃料热值比、价格比和能量替换比约束等)等；约束分析的目的是确定系统能源替换的功能需求(即需要解决的问题)，如燃烧问题、传热问题、生物燃气输送问题和替换价值的评价问题(如燃料热值比、价格比和能量替换比的关系模型及其评价等)； 

进一步地，所述系统功能分析为从任务分析阶段所确定的功能需求出发，分析工业锅炉能源替换的系统功能、系统的功能结构及功能分配(解决问题)，系统结构与功能实现的逻辑关系等，解决设计、构建什么样的能源替换工业锅炉热力系统，才能实现工业锅炉能源替换目标这一系统顶层问题。 

进一步地，所述替换系统设计为能源替换方案和替代系统的设计，依据前述系统分析的结果，对能源替换方案的整体系统工艺流程、替换系统功能与结构、子系统及其功能以及燃料替换等，进行系统设计。能源替换方案的整体系统工艺流程设计提供替换系统的整体设计，系统的功能设计包括燃烧系统、热工系统和能源替换价值评价体系等功能系统的设计，子系统的设计包括燃烧系统及其改造设计、热工平衡与系统负荷设计、替换价值评价体系设计等，燃料替换设计包括生物燃料供应系统设计、气化系统设计、生物燃气净化处理与输 送系统设计、锅炉热力系统适应性改造设计及替代燃料设计、工业锅炉燃烧与热力产品输出设计等。 

进一步地，所述系统验证为通过试验、模拟实验、理论计算及实施例等验证手段，对所开发的能源替换系统的经济、技术可行性和实际效果，进行验证；比如，通过理论计算，利用替代燃料热值比指标，可以从理论上验证，生物燃气替换石化燃油燃气的能量替换比不能超过3，否则，能源替换系统失去经济可行性和实际意义，又比如，本发明实施例对本发明所开发的工业锅炉能源替换系统来说，其经济与技术的可行性，均得到实例验证等。 

进一步地，所述能源替换系统的实现过程为通过建立生物燃气的工业化生产系统和生物燃料供应系统，现场生产工业生物燃气，并达到工业生物燃气标准的要求，生物燃气气化装置的燃气出口温度不低于400℃，生物燃气抵达燃烧装置的燃气进口温度不低于300℃，生物燃气的可燃成分主要为H₂、CO、CH₄和碳氢化合物等，其可燃成分的体积份数或质量份数不低于工业生物燃气标准所设定的比例，工业生物燃气平均热值在5MJ/m³附近波动。 

进一步地，所述建立生物燃料供应系统为建立与工业生物燃气生产相适应的替代生物燃料标准与生物燃料供应体系，使用含水率15％以下的生物质燃料，生物燃料供数量满足生物燃气生产需求。包括建立替代燃料的供应方案，替代燃料质量标准与数量标准，生物燃料的供应体制(自行采购或供应商体制)，替代生物燃料的场外供应体系与资源保障体系，建立生物燃料的生产加工系统与物流储运系统及其设施与设备等，建立生物燃料供应制度等；还包括建立生物燃料的厂内供应系统，包括燃料仓库、燃料输送系统、给料系统等。 

进一步地，建立工业生物燃气的工业化生产系统，包括运用工业工程技术、生物质气化现有技术、工艺，建立生物燃气的工业化生产系统及其设施与设备 系统，建立生物燃气工业化生产所必需的制度基础设施和生产管理系统、标准与制度，建立生物燃气工业化生产所必需的生产要素系统与生产保障体系，实施生物燃气工业化生产的经济评价、成本控制与经济管理措施等：生物质气化工艺选择方法与工业化要求，现有技术中，生物质气化已经开发出多种生产工艺形式与类型，根据拟替换的工业锅炉系统的现有条件和替代燃料的供给条件，选择确定生物质气化的工艺类型，无论固定床气化，流化床气化，还是其他形式的气化工艺，气化工艺与气化设备选型一定要满足生物燃气工业化生产连续、稳定、经济、安全与环保的要求，并与拟替换工业锅炉热力系统和替代燃料的供应状况相适应。替代燃料的工业化供应方案，替代燃料的选择，应满足供应充足、连续、稳定和就近的原则，并根据工业化生产的要求，设定燃料供应安全保障系数(燃料资源保有量与需求量的比)、燃料供应标准、供应方式和应急保障预案，燃料库存安全保有量应满足生产制度要求。气化剂，以空气为气化剂，根据气化工艺要求，选择确定空气气化剂是否预热、是否添加氢气、氧气或水蒸气等辅助气化剂。生产步骤，建立满足工业化生产要求的生物燃料供应体系、工厂燃料仓库和生产供料设备系统，连续稳定充足地供给生物燃料；生产准备就绪后，生产控制系统、安全控制系统处于适运行状态，生物燃气放散装置处于开启状态；点火启动气化装置，并调节气化温度、压力和气化剂当量比等各项气化工艺参数，使气化产出的生物燃气指标尽快趋近工业生物燃气标准；生物燃气生产达到工业生物燃气标准后，启动生物燃气输送与工业锅炉燃烧系统，燃烧系统点火运行后，调节生物燃气输送与燃烧系统负荷，并关闭生物燃气放散装置；工业锅炉输出负荷达到预定要求后，生物燃气生产、输送和工业锅炉燃烧系统联动处于安全、稳定、连续和联动运行状态，将工业生物燃气生产、输送和工业锅炉系统由人工控制切换为自动控制状态，实现工业生物 燃气系统为工业锅炉系统连续稳定供气。工业生物燃气标准，工业生物燃气的生产、输送和燃烧利用，采用高温燃气的技术方案，工业生物燃气标准为：气化装置生物燃气出口温度400℃以上，工业锅炉燃烧器进口温度300℃以上，工业生物燃气低位热值平均值为5MJ/m³，燃气中灰尘、水分等杂质控制标准，根据工业锅炉系统和生物燃气输送装置的状况确定。工业控制，工业生物燃气的生产控制方案，包括生物燃料的标准控制，生产过程的工业控制系统和控制制度，工业生物燃气标准控制等，其中，燃气生产工业控制系统至少应包括给料系统的自动调节控制、气化温度调节控制、系统压力调节控制、气化剂当量比调节控制(气化配风调节控制)、燃气输送系统的温度、压力调节控制、燃气燃烧系统反馈气化系统的调节控制、安全预警机制与应急控制机制等系统控制模块；燃气生产的工业控制系统采用闭环控制模式，并预留开环控制系统接口，确保在需要人工干预的情况下，能够顺利进行开、闭环控制系统的双向切换。环保标准，生物燃气的工业化生产、输送和燃烧利用分别执行国家、行业和企业的环保标准，其中，生物燃气的生产环节，没有国家或行业的环保标准时，执行企业标准，包括气化灰渣等固体废弃物的排放和利用标准，废水的排放和利用标准，噪音标准，生物燃气和废气的泄漏与排放标准等；工业生物燃气生产前应进行环境影响评价，试运行阶段，应提请政府环保主管部门组织进行环保检测、检验、鉴定和环保验收，通过政府环保主管部门的生产验收后，才能进入正式工业化生产；生物燃气燃的烧利用和输送环节的环保排放标准，严格执行国家、行业有关工业气的环保排放标准。安全控制，生物燃气的工业化生产、输送和燃烧利用，严格执行国家和燃气行业的消防、安全生产标准与控制制度，其中，生产环节执行国家和行业有关工业企业的消防、安全生产标准与控制制度，或企业的消防、安全生产标准与控制制度，并经过消防、安全生产 主管部门组织的审查、验收，接受其监督与管理。生产方式，工业生物燃气采取现场连续生产，稳定供气的方式，按照所替代的工业锅炉的用气需求与负荷，配套供应工业生物燃气，不设置工业生物燃气储存装置和储存环节。在完全替代工业锅炉原先使用的石化燃油燃气的情况下，工业锅炉的燃料需求，完全由生物燃气供给，原石化燃油、燃气燃料供给系统不再使用；在部分替代工业锅炉原先使用的石化燃油燃气的情况下，工业锅炉的燃料需求，主要部分由生物燃气系统供给，原石化燃油燃气燃系统供给部分石化燃油燃气补充燃料。无论是否设计石化燃油燃气作为补充燃料，工业生物燃气生产系统连续稳定运行，连续稳定供应生物燃气。生产管理，工业生物燃气生产的现场管理，与工业锅炉的热力生产，作为工业热力生产的统一整体，统一进行管理。工业生物燃气的生产成本与技术经济评价，工业生物燃气生产的外部性(正外部性)特征，纳入生产的技术经济评价模型。在不考虑工业生物燃气替换石化燃油燃气的经济外部性(环境效益和社会效的正外部性)的情况下，工业生物燃气的生产成本控制，主要取决于替代燃料与被替换的石化燃油燃气的热值比、能量替换比、替代燃料与被替换的石化燃油燃气的价格比、气化装置气化效率，燃气输送系统热量损耗、能源替代前后的燃烧温度比、运行负荷比、工业生物燃气生产管理效率等因素。 

进一步地，建立工业生物燃气的净化处理与输送系统，工业生物燃气采用高温输送方案，输送系统采取全程保温措施，保证燃气输送温度不低于生物燃气焦油凝结温度；在输送过程中，可根据实际需要，设置输送装置伴热、补燃升温或通入限量空气升温等措施；工业生物燃气的净化处理措施，主要依据燃气生产环节输出燃气的杂质成分、含量及其对燃气输送与燃烧环节的影响确定，需要处理的杂质，主要是焦油和灰尘；对于非粉状生物燃料，通过旋风分离除 尘，基本可以满足对生物燃气粉尘的处理要求，对于粉状生物燃料(包括生物燃料粉料制成的成型燃料)，如果通过旋风分离除尘，不能满足对生物燃气粉尘的处理要求，可选用布袋除尘等其他除尘措施，满足对生物燃气粉尘的处理要求；对于燃气输送过程中凝结积累的焦油，应设置沉降与收集装置，定期清理。 

进一步地，对原工业锅炉热力系统及其工艺流程的适应性改造，锅炉系统的改造主要是对燃烧系统、燃料供应系统及控制系统的适应性改造，锅炉本体结构系统一般不作大的改造，除非替代方案设计的特别需要；对原工业锅炉热力系统原工艺流程的改造，增加生物燃料供应、生物质气化、生物燃气输送等系统，新增加的必要设备，包括生物燃料供料系统与设备，如场内运输、输送设备、料斗(仓)及给料装置等；生物质气化生产系统与设备，如气化炉本体及辅助设备、电器仪表及控制系统与设备、灰渣收集处理、运输系统与设备等；生物燃气输送与净化处理系统与设备，如燃气管道、风机、除尘设备、焦油沉降收集、处理设备等；生物燃气燃烧系统与设备，如燃烧器、风机、控制系统设备；系统安全生产控制设备，包括安全生产、消防控制系统与设备等。 

进一步地，工业生物燃气的燃烧与热力产品的输出，高温低热值生物燃气的清洁燃烧工艺，燃烧器及燃烧系统设计，适应高温低热值生物燃气清洁燃烧需要，其设计引用并参照EN 676《强鼓风燃气燃烧器检测标准》和TSG ZB001-2008《燃油(气)燃烧器安全技术规则》等相关标准；燃烧器本体部分经过特殊设计和处理，适应高温低热值气源，叶片、轴及外壳材料，设计承受范高温；喉口设计为直圆筒状，平行流动，中心采用生物燃气作燃料，布置长明火，多枪式燃烧设计，燃烧温度均匀，消除局部高温带来的NO_X，燃烧稳定、高效，低污染物排放；燃烧器设有进风调节装置，通过带伺服马达控制的进风量，并设有观察孔、燃气检漏、吹扫、点火、火焰监测、熄火保护、进气压力保护、 风压保护、负荷调节等功能，自动控制。工业热力产品的输出，按照工程热力学定理和能量守衡的自然规律，产品输出负荷比原系统有所下降(30％)，在可接受范围之内，但热力产品的质量没有变化，单位产品成本大幅度下降(50％以上)。 

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明在工业锅炉上首次实现了工业生物燃气对石化燃油燃气的替换，以5MJ/m³低热值工业生物燃气替换工业锅炉原先使用的35MJ/m³-50MJ/m³高热值石化燃油燃气，替换后，工业锅炉热力产品产量与质量的变化，在可接受的范围以内，热力产品单位生产成本大幅度下降，污染物排放和温室气体排放大幅度减少；对于中国现存的12万多台(套)燃油燃气工业锅炉来说，如果使用本发明技术方案进行技术改造，以5MJ/m³低热值工业生物燃气替换工业锅炉原先使用的高热值石化燃油燃气，将是工业锅炉领域节能减排技术的一场革命。蒸汽机的发明，石化能源利用技术的进步，开辟了人类工业文明的新时代，生物能源利用技术的进步，生物能源替换石化能源的技术发明，必将有利于人类从工业文明向生态文明的发展。 

【附图说明】

图1为能源替换系统实现过程示意图； 

图2为能源替换系统(过程系统)开发过程示意图； 

图3为生物燃气替换石化燃油燃气步骤示意图； 

图4是锅炉热力系统分析框架模型； 

图5是生物燃气替换石化能源后系统流程图； 

图6是生物燃气替换石化能源前系统流程图； 

图7是生物燃气燃烧控制系统流程图； 

图8是Clausthal能量替换比与燃料热值比静态摸拟实验模型：静态条件下能量替换比与燃料热值比的关系，E_RK12，θ：回转窑与分解炉综合平衡的能量替换比； 

图9是Clausthal能量替换比与替代燃料热值、燃烧温度摸拟实验模型，静态试验中能量替换比与替代燃料热值和燃气温度的关系，曲线上数字为替代燃料热值/(MJ/kg)，常规燃料热值为25MJ/kg。 

【具体实施方式】

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6，其中图6是实施能源替换前锅炉热力系统流程图，图5是实施能源替换后锅炉热力系统流程图，图1、图2和图3是实施能源替换的过程、步骤的示意描述，图4锅炉热力系统分析框架模型。 

如图1所示，工业生物燃气替换石化能源的实现过程，包括工业生物燃气的生产、生物燃气的净化处理与输送和工业生物燃气对石化能源的替换燃烧等三个密切联系的过程；如图2所示，能源替换系统(过程系统)的开发过程，包括对拟替换热力系统的任务分析、功能分析、替换系统设计和替换系统的实例验证等环节；如图3所示，实施工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程，包括以下七个步骤。 

如图3所示，实施工业生物燃气替换石化燃油燃气系统工程的第一步，从对原工业锅炉热力系统的系统分析开始，其分析框架如图2所示。任务分析表明，工业锅炉能源替换系统的系统功能结构(功能需求)，包括系统级功能(系统功能)、子系统性能和孙系统的性能要求三个层级，其中，系统级功能(系统功能)根据所要解决的问题(功能需求)，包括燃烧功能、传热功能、燃气输送功能和能源替换价值功能等四个功能系统；对其进行功能分配(解决问题)后，子系统的性能(功能)要求描述为：燃烧性能要求：燃烧系统改造(燃烧器)，热工系统性能要求：能量再平衡(结果：负荷的变化)，价值系统性能要求：经济可行性(能源替换价值)；由此，形成工业锅炉能源替换系统的三个子系统： 燃烧系统、热工平衡系统和能源替换价值评价系统(仅限于燃料成本财务评价)；对以上三个子系统的性能，进行功能分配(解决问题)，形成孙系统的性能要求和描述：燃烧参数、热工平衡参数和能源替换价值参数。对以上孙系统的性能要求的描述，即燃烧设计参数、热工平衡设计参数和能源替代价值评价参数，已完全能够满足系统设计(子系统功能构造)的要求了。如果再对孙系统的性能要求再进一步进行功能分配(解决问题)，比如，对能源替代价值评价参数：能量替换比，再进一步进行功能分配，形成燃烧温度、燃料热值和燃料耗量等性能描述(即参数)，这已经与以上孙系统的性能要求的描述重复，因此，完全没有必要了；至此，工业锅炉能源替换系统的功能分析，可以到上述孙系统的性能要求描述为止，即到燃烧设计参数、热工平衡设计参数和能源替代价值评价参数为止。 

如图3所示，实施工业生物燃气替换石化燃油燃气系统的第二步，是进行能源替换方案与替换系统设计，针对拟进行能源替换的原系统的现状，结合系统分析的结果和所提供的设计参数，提出具体的与拟进行能源替换的原系统相适应的系统设计方案和具体替换系统设计。 

如图3所示，实施工业生物燃气替换石化燃油燃气系统的第三步，是建立生物燃料供应系统，包括建立生物燃料的场外供应系统和场内供给系统，其中，替代燃料的场外供应方案、燃料标准、燃料采购供应体制、生物燃料供应的物流储运系统设施与设备及生物燃料供应制度等，必须与生物燃料资源状况、燃料供应规模、供应条件及供应市场环境想适应，对生物燃料的选择，应尽可能缩短供应半径，采用生物质资源原料或散料，降低供应成本，对生物质成型燃料应综合考虑运输距离、燃料成本、燃料需求状况及燃料存储时间等情况，慎重选择；建立生物燃料供应的厂内供料系统，包括燃料仓库、燃料输送装置、 给料装置和缓存料斗等，必须与厂内生产条件及生产工艺相适应，尽可能减少二次运输的成本。 

如图3所示，实施工业生物燃气替换石化燃油燃气系统工程的第四步，是建立生物燃气的工业化生产系统，只有建立如上述技术方案所述的工业化生产系统，才能保证生物燃气的工业化连续、稳定、安全生产和大规模、低成本供应。 

如图3所示，实施工业生物燃气替换石化燃油燃气系统工程的第五步，是建立工业生物燃气净化处理系统与输送系统，包括其净化处理与输送方法，如上述技术方案所述。 

如图3所示，实施工业生物燃气替换石化燃油燃气系统工程的第六步，是对原工业锅炉热力系统进行适应性改造，其改造内容与要求如上述技术方案所述。 

如图3所示，实施工业生物燃气替换石化燃油燃气系统工程的第七步，是工业生物燃气在工业锅炉内替换原石化燃油燃气燃料燃烧，输出工业热力产品，其燃烧工艺和燃烧控制如上述技术方案所述。 

实施例。发明人运用本发明所提供的技术方案，在WNS10 II型10t/h工业蒸汽锅炉进行实例验证，成功实施以平均热值在5MJ/m³附近的工业生物燃气，对该锅炉原设计使用热值43MJ/kg 0号柴油石化燃料的全部替换，燃料替换后，工业蒸汽锅炉负荷由10t/h下降到7t/h，除产量指标发生一定程度偏离外，蒸汽热力产品质量指标均达到原设计标准，系统已稳定运行一年，蒸汽热力产品的单位成本下降到原来的50％以下，且污染物排放大幅度减少，特别是减少温室气体排放的效果十分明显，燃料替换产生了显著的经济效益和节能减排效果，其环境保护社会成效十分突出。本实施例的验证实施过程如下： 

实施例系统分析，实施例原热力系统工艺流程如图6所示，针对实施例系统替换目标“以平均热值在5MJ/m³附近的工业生物燃气，替换系统原设计使用的热值43MJ/kg 0号柴油石化燃料”，进行任务分析，首先，分析系统的约束条件，包括替代燃料(木片和木屑)热值比：0.1162、焦油凝结条件、锅炉受热面积固定条件对辐射传热、对流传热和烟气流量、温度的强约束、替代燃料价格比0.0625、炉膛最高燃烧温度1300℃附近的能量替换比1.1666、生物燃料供应半径50公里范围内的燃料供应等约束条件分析；其次，确定系统的功能需求(需解决的问题)，并进行系统功能分配(解决问题)：燃烧问题，生物燃气燃烧当量比1.2-1.6，确定生物燃气的配风要求；传热问题，加快烟气流动速度，尽可能增加烟气流量，降低温度偏离值和能量替换比，燃气输送问题，提高燃气输送温度，降低输送热损失；能源替换价值评价问题，最大限度降低能量替换比与价格比。替换系统功能分析，首先解决燃气输送问题，对其进行功能分配，要求燃气输送温度300℃-400℃；其次，解决燃烧问题，对其进行功能分配，提出了燃烧系统设计与配风的参数要求；再次，解决传热问题，对其进行功能分配，提出辐射传热与对流传热对燃烧烟气温度、烟气流量及速度的要求；最后，解决能源替换价值评价问题，对其进行功能分配，要求生物燃料热值13MJ/kg以上，生物燃料价格不超过500元/吨，能量替换比不超过1.5。通过上述功能分配，确定子系统的功能(性能)后，进一步进行子系统功能分配，确定孙系统燃烧器性能描述(参数)：生物燃气流量4500Nm³/h、燃气进口压力≥2000P、负荷调节比1∶5、过量空气系数15％；热工系统燃烧温度目标值1300℃、第一回程烟气温度800℃-600℃、烟气流量目标值10000Nm³/h、热力产品负荷设计下降控制指标：30％-40％；能源替换可行性价值评价指标：替换燃料单位产品成本下降40％-50％。 

实施例系统设计，替换系统工艺流程设计，如附图3、图4所示，系统工艺流程设计，与原有系统相比，系统增加了省煤器和锅炉尾部引风机，提高系统的热利用效率，锅炉设计排烟温度由原设计200℃下降到120℃，并使锅炉燃烧由原设计的微正压燃烧改为微负压燃烧，设计参数第一回程锅炉尾部压力0P至-800P；生物燃气输送系统设计高温风机加压，燃烧器燃气进口压力≥2000P，燃烧器配风系统设计鼓风机加压，燃气在进入炉膛燃烧前与空气预先混合，并通过微负压燃烧，提高热烟气流速，在原系统烟气流量8000Nm³/h基础上增加烟气流量2000Nm³/h，使锅炉燃烧温度对原设计参数的偏离值控制在300℃以内；整体系统增加了生物燃料供给系统、生物质气化系统、生物燃气净化处理与输送系统，撤除了锅炉石化燃油供给系统和石化燃油燃烧系统，更换了专门设计的生物燃气燃烧系统，实现生物燃气对石化燃油燃料的完全替换。 

实施例生物燃料供给系统，采用皮带输送机、震动筛进行生物燃料仓库现场输送生物燃料和杂质清理，斗式提升机和螺旋给料机为气化系统供给生物燃料，并增设缓冲料斗、料位探测器和自动给料装置，实现生物燃料的自动供给。 

实施例生物质燃料气化系统，采用上吸式固定床生物质气化炉气化工艺，燃烧层(氧化层)设置循环水套，控制氧化层炉底温度在1000℃附近，燃烧配风添加水蒸气，辅助控制炉底温度，还原层二次通风添加水蒸气，增加H₂、CH₄生物燃气产率，热解层三次通风气化剂添家水蒸气，提高气化效率和生物燃气产率，气化炉底出灰，设置水封，采用湿式出灰方式控制粉尘排放，气化炉顶部设置生物燃气放散装置，气化炉本体设置温度、压力测控装置，并与工业控制系统在线连接，自动控制气化反应工况。 

实施例生物燃气净化处理与输送系统，采用高温燃气方案，系统全程采取保温措施，设置旋风分离器分离生物燃气灰尘，并设置焦油沉降收集处理燃气 输送过程凝结的少量焦油和杂质，设置耐600℃高温的高温引风机，输送生物燃气，并在高温风机与旋风分离器之间的负压燃气管道区域设置补燃装置和限量空气引入装置，提高输送燃气温度，努力控制输送燃气温度不要偏离300℃-400℃温度区间过大。 

实施例生物燃气燃烧系统，其燃烧控制工艺流程如图7所示。 

实施例热力产品输出，工业蒸汽热力产品输出负荷，由原来的10t/h下降到7t/h，除此以外，蒸汽热力产品质量指标均达到燃料替换前锅炉热力系统原设计标准，蒸汽热力产品的单位成本下降到原来的50％以下，污染物SO₂、NO_X排放大幅度减少，特别是每年减少CO₂温室气体排放5000多吨，减排效果十分明显。 

根据上述说明书的揭示和教导，本发明不局限于实施例的工业蒸汽锅炉，在工业锅炉能源替代领域，任何在实质性上基于本发明替换具体石化能源的基本精神，特别是以低热值工业生物燃气替换具体的高热值石化能源的方法或其改进，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。 

Claims (14)

1.一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程，其特征在于：包括能源替换系统开发和能源替换系统的实现两个过程，所述能源替换系统开发包括替换系统任务分析、系统功能分析、替换系统设计和系统验证四个步骤；所述能源替换系统的实现包括工业生物燃气的生产过程、生物燃气净化处理与输送过程、生物燃气燃烧与热力产品输出过程等三个密切联系的工业化过程。

2.一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的方法，其特征在于：包括以下七个必不可少的具体步骤：

(1)能源替换系统分析(任务分析、功能分析)；

(2)能源替换系统设计；

(3)建立生物燃料供应系统；

(4)建立生物燃气生产系统；

(5)建立生物燃气净化处理与输送系统；

(6)原锅炉热力系统改造和石化燃料的替换；

(7)工业生物燃气燃烧与热力产品输出。

3.根据权利要求1、权利要求2所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程与方法，其特征在于：所述系统任务分析为从能源替换系统的顶层目标出发，通过对替代燃料与拟替换石化燃料的对比分析，结合拟替换的工业锅炉热力系统现状，分析能源替换的约束条件，如燃料的热值、焦油凝结温度等物理性质约束，传热条件约束，气化效率、生物燃料供应约束和能源替换的价值约束等；通过任务分析，确定对能源替换系统的功能需求(即需要解决的问题)，如燃烧、传热、生物燃气输送和替换价值评价等问题。

4.根据权利要求1、权利要求2所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程与方法，其特征在于：所述系统功能分析为依据任务分析阶段所确定的系统功能需求，分析工业锅炉能源替换系统的功能、系统的功能结构、功能分配(解决问题)及系统结构与功能实现的逻辑关系等，解决能源替换系统设计所需要解决的系统功能问题(即设计什么样的系统)。

5.根据权利要求1、权利要求2所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程与方法，其特征在于：所述替换系统设计为依据前述系统分析的结果，对能源替换的整体系统工艺流程、替换系统功能与结构、子系统及其功能以及燃料替换方案等，进行系统设计，包括系统工艺流程设计，燃烧系统、热工系统和能源替换价值评价等功能系统的设计，子系统的设计包括燃烧系统及其改造设计、热工平衡与系统负荷设计、替换价值评价体系设计等，燃料替换系统设计包括生物燃料供应系统设计、气化系统设计、生物燃气净化处理与输送系统设计、锅炉热力系统适应性改造设计及替代燃料设计、工业锅炉燃烧与热力产品输出设计等。

6.根据权利要求1所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程，其特征在于：所述系统验证为通过试验、模拟实验、理论计算及实施例等验证手段，对所开发的能源替换系统的经济、技术可行性和实际效果，进行验证。比如，通过理论计算，利用替代燃料热值比指标，可以从理论上验证，生物燃气替换石化燃油燃气的能量替换比不能超过3，否则，能源替换系统失去经济可行性和实际意义；又比如，本发明实施例对本发明所开发的工业锅炉能源替换系统来说，其经济与技术的可行性，均得到实例验证等。

7.根据权利要求1所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程，其特征在于：所述能源替换系统的实现过程工业生物燃气的生产过程为通过建立生物燃气的工业化生产系统和生物燃料供应系统，现场生产工业生物燃气，并达到工业生物燃气标准的要求，生物燃气气化装置的燃气出口温度不低于400℃，生物燃气抵达燃烧装置的燃气进口温度不低于300℃，生物燃气的可燃成分主要为H₂、CO、CH₄和碳氢化合物等，其可燃成分的体积份数或质量份数不低于工业生物燃气标准所设定的比例，工业生物燃气平均热值在5MJ/m³附近波动。

8.根据权利要求2所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的方法，其特征在于：所述建立生物燃料供应系统为建立与工业生物燃气生产相适应的替代生物燃料标准与生物燃料供应体系，使用含水率15％以下的生物质燃料，生物燃料供数量满足生物燃气生产需求。

9.根据权利要求2所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的方法，其特征在于：所述建立生物燃气生产系统为运用工业工程技术、生物质气化现有技术、工艺，建立生物燃气的工业化生产系统及其设施与设备系统，建立生物燃气工业化生产所必需的制度基础设施和生产管理系统、标准与制度，建立生物燃气工业化生产所必需的生产要素系统与生产保障体系，实施生产的经济评价、成本控制与经济管理措施等：包括生物质气化工艺的选择、替代燃料的标准化与产业化供应、空气气化剂的选择、生物燃气的工业化生产步骤、工业生物燃气标准、工业控制技术的运用、生产的安全、环保标准、生物燃气的工业化生产方式、工业化生产的现场管理技术与工业生物燃气的成本控制措施等。

10.根据权利要求1、权利要求2所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的过程与方法，其特征在于：所述生物燃气净化处理与输送过程、建立生物燃气净化处理与输送系统为生物燃气采用高温输送方案，输送系统采取全程保温措施，或采取输送装置伴热、补燃升温、通入限量空气升温等措施，其净化处理措施，如旋风分离除尘、布袋除尘、设置焦油沉降与收集装置，定期清理等。

11.根据权利要求2所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的方法，其特征在于：所述原锅炉热力系统改造和石化燃料的替换为锅炉系统的改造主要是对燃烧系统、燃料供应系统及控制系统的适应性改造，锅炉本体结构系统一般不作大的改造，除非替代方案设计的特别需要；对原工业锅炉热力系统工艺流程的改造，增加了生物燃料供应、生物质气化、生物燃气输送等系统，新增加的必要设备，包括生物燃料供应系统与设备，如场内、厂外运输、输送设备、料斗(仓)及给料装置等；生物质气化生产系统与设备，如气化炉本体及辅助设备、电器仪表及控制系统与设备、灰渣收集处理、运输系统与设备等；生物燃气输送与净化处理系统、设备，如燃气管道、风机、除尘设备、焦油沉降收集、处理设备等；生物燃气燃烧系统与设备，如燃烧器、风机及燃烧控制系统与设备；系统安全生产设备，如安全生产、消防控制系统与设备等。

12.根据权利要求1、权利要求2所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的实现过程与方法，其特征在于：所述工业生物燃气燃烧与热力产品输出为高温低热值生物燃气的清洁燃烧工艺，生物燃气热值与被替换石化燃油燃气的热值比最低为1∶11，其燃烧系统设计引用或参照EN 676《强鼓风燃气燃烧器检测标准》和TSG ZB001-2008《燃油(气)燃烧器安全技术规则》相关标准，燃烧器本体部分经过特殊设计和处理，适应高温低热值气源，叶片、轴及外壳材料，设计承受高温；喉口设计为直圆筒状，平行流动，中心采用生物燃气作燃料，布置长明火，多枪式燃烧设计，燃烧温度均匀，消除局部高温带来的NO_X，燃烧稳定、高效，低污染物排放，燃烧器设有进风调节装置，通过伺服马达控制进风量，并设有观察孔、燃气检漏、吹扫、点火、火焰监测、熄火保护、进气压力保护、风压保护、负荷调节等功能，燃烧自动控制；其工业热力产品的输出负荷比原系统有所下降，但在在可接受范围之内。

13.根据权利要求8所述的一种工业生物燃气替换石化燃油燃气的方法，其特征在于：所述使用含水率15％以下的生物质燃料包括生物质成型燃料，农作物秸杆、枝桠柴等各种农业、林业废弃物等生物质资源原料、散料、半成品、加工品，工业生产副产品、剩余物、废弃物、生物质原、材料和其他符合生物燃料标准要求的生物质资源、产品。

14.根据权利要求qq所述原锅炉热力系统改造和石化燃料的替换，其突出特征在于：经过所述改造后，以平均热值在5MJ/m³附近波动的低热值工业生物燃气，替换热值范围35MJ/m³——50MJ/m³高热值石化燃油燃气。15、根据权利要求14所述以平均热值在5MJ/m³附近波动的低热值工业生物燃气，替换35MJ/m³——50MJ/m³高热值石化燃油燃气，其突出特征在于：燃料替换后，热力产品输出质量变化在可接受范围内，单位热力产品成本大幅度下降。

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