文章编号:１００４￣８７７４(２０１９)０５￣００３３￣０５㊀㊀ＤＯＩ:１０.１６５５８/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１００４￣８７７４.２０１９.０５.００７直埋蒸汽管道
基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目生物柴油在工业锅炉应用研究(１８ＤＺ１２０３０００)收稿日期:２０１９￣０５￣１７
林㊀欣
(上海工业锅炉研究所有限公司ꎬ上海２０１１１４)
ＦｅａｓｉｂｉｌｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢｉｏｄｉｅｓｅｌｉｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＢｏｉｌｅｒ
ＬＩＮＸｉｎ
(ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＢｏｉｌｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬ
Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１１４ꎬＣｈｉｎａ)
㊀㊀摘㊀要：为了科学合理评价餐厨废弃油脂制生物柴油在工业锅炉上应用的安全
性㊁可靠性㊁经济性和大气污染物排放量ꎬ以工业锅炉为试验装置ꎬ首先分别以生物柴油Ｂ１０和０＃柴油为燃料进行了对比试验ꎬ测试了锅炉在１００％运行负荷下的两种燃料的大气污染物排放浓度ꎬ然后以生物柴油Ｂ１０为燃料ꎬ测试了锅炉在１００％㊁７０％㊁ ５０％及３０％四种不同负荷下燃用生物柴油Ｂ１０的大气污染物排放量ꎻ最后对试验结果进行了分析评估ꎬ并提出了锅炉尾气排放不达标时的治理措施ꎮ
关键词：生物柴油ꎻ工业锅炉ꎻ性能评估ꎻ污染物排放中图分类号:ＴＫ２２１㊀㊀㊀文献标识码:
Ｂ
作者简介：林欣(１９８３－)ꎬ男ꎬ工程师ꎬ主要研究方向为工业锅炉的低氮改造㊁新型工业锅炉的设计与研发㊁生物柴油系统的设计与研发ꎮ
０㊀前言
生物柴油ꎬ是以油料作物㊁野生油料植物和微藻等水生植物油脂以及动物油脂㊁餐饮垃圾油等为原料油经酯交换反应得到的各种脂肪酸单酯的混合物ꎮ生物柴油被称为 绿燃料 ꎬ是一种具有无毒㊁可生物降解㊁可再生等特点的含氧代用燃料ꎬ能与柴油以任意比例混合或直接在柴油机上使用ꎬ在欧洲已经得到广泛的应用[１]ꎮ生物柴油分子中碳链一般有１４~１８个ꎬ这与传统石化柴油分子中１５个左右碳链数目相近ꎮ按化学成分分析ꎬ生物柴油燃料可以看作是一种油酸甲酯或高脂肪酸甲酯[２－３]ꎮ
餐厨废弃油脂(俗称 地沟油 )是重要污染源
之一ꎮ２０１７年４月国务院办公厅印发«关于进一步加强 地沟油 治理工作的意见»ꎬ提出要把 地沟油 治理作为 十三五 期间食品安全重点工作任务ꎬ力争取得突破ꎮ目前ꎬ以餐厨废弃油脂为原料制备生物柴油是治理餐厨废弃油脂污染的有效方法ꎮ
国内外学者对生物柴油的应用研究主要集中在生物柴油在内燃机上的应用研究ꎬ但是由于新能源车的
快速发展ꎬ生物柴油作为车用燃料的途径受到较大的影响ꎮ生物柴油与石化柴油在物理性质上接近ꎬ因此生物柴油作为液体燃料理论上可以在工业锅炉上应用ꎬ但是生物柴油在工业锅炉方面的应用研究较少ꎬ只有少数机构和学者对生物油在工业锅炉方面的应用进行了尝试ꎮ
由于国家出台了更加严格的锅炉大气污染物排放标准ꎬ因此要将生物柴油应用于工业锅炉ꎬ必须了解掌握烟气中污染物的排放特性和其在炉内的燃烧状况ꎮ这将为进一步优化生物柴油在炉内的燃烧工况㊁工业炉窑的设计以及燃烧器的选择㊁设计提供参考ꎬ为生物柴油在工业领域的应用提供理论依据ꎮ 本文通过试验的方法ꎬ对生物柴油在工业锅炉上应用时的燃烧特性以及污染物排放特性进行了测试评估和研究分析ꎬ科学论证了生物柴油在工业锅炉使用的可行性ꎬ为生物柴油的燃烧利用提供参考和依据ꎬ为下一步工作奠定了基础ꎮ如果生物柴油可以在工业锅炉上得到良好的利用ꎬ它将会成为我国未来能源持续发展的重要组成部分ꎮ
生物柴油在工业锅炉上应用可行性分析
１㊀试验设备及系统
１.１㊀生物柴油的性能
试验用生物柴油(Ｂ１０)由某环保科技有限公司提供ꎮ表１为国Ⅳ零号柴油(０＃柴油)及生物柴油
(Ｂ１０)的部分理化性质对比ꎬ表２为国Ⅳ零号柴油(０＃柴油)及生物柴油(Ｂ１０)元素分析对比ꎮ
表１㊀国Ⅳ零号柴油(０＃柴油)及
生物柴油(Ｂ１０)的部分理化性质表
㊀㊀㊀项目测试方法０＃柴油Ｂ１０净热值ＧＢ５５２６ １９８５４３０４０４２７６０１５ħ密度
/(ｇ Ｌ－１)ＧＢ５５２６ １９８５８３７８４６４０ħ粘度
/(ｍｍ２ ｓ－１)ＧＢ/Ｔ１９１４７ ２００３２.５１６２.６２８
表２㊀国Ⅳ零号柴油(０＃柴油)
及生物柴油(Ｂ１０)元素分析表％项目测试方法０＃柴油Ｂ１０
碳ＧＢ/Ｔ２５２ ２０１１８５.７４８６.４７
氢ＧＢ/Ｔ２５２ ２０１１１１.８５１０.９２
氧ＧＢ/Ｔ２５２ ２０１１２.１１２.３４
硫ＧＢ/Ｔ３８８ １９６４０.０７０.００
氮ＧＢ/Ｔ９１７０ １９８８０.２２０.２６
水分ＧＢ/Ｔ２６０ １９７７痕迹痕迹
灰分ＧＢ/Ｔ５０８ １９８５０.０１０.０１㊀㊀由表１可见ꎬ生物柴油Ｂ１０的元素组成与普通柴油比较接近ꎬＢ１０的热值略低于０＃柴油ꎬ密度和粘度略高于０＃柴油ꎮ由表２可知ꎬ生物柴油的水分含量极低ꎬ可以忽略不计ꎻ碳元素的含量要高于０＃柴油ꎬ氢元素含量低于０＃柴油ꎻ氧元素的含量高于０＃柴油ꎬ这对生物柴油在燃烧时的污染物种类和排放量都有一定的影响ꎮ
１.２㊀试验设备及系统概述
１.２.１㊀锅炉主要参数
试验用锅炉为富尔顿ＲＢ１２５０卧式燃油蒸汽锅炉ꎬ锅炉的主要参数如表３所示ꎮ
１.２.２㊀锅炉主要工作原理
富尔顿ＲＢ型蒸汽锅炉采用传统的三回程设计ꎮ燃料通过燃烧器喷出火焰ꎬ所产生的高温烟气从炉胆前
部流向后部ꎬ并向四周辐射换热ꎬ形成第一回程ꎻ燃烧后的高温烟气从回燃室后部折回ꎬ沿燃烧室(贴近钢板)向前烟箱对流换热ꎬ形成第二回程ꎻ前烟箱的烟气通过烟管向后烟箱流动进行对流换热ꎬ形成第三回程ꎮ
１.２.３㊀试验系统概述
如图２所示ꎬ当对０＃柴油进行测试时ꎬ打开地下油库阀门ꎬ关闭Ｂ１０油箱阀门ꎬ锅炉在１００％负荷的运行情况下ꎬ对０＃柴油进行污染物排放特性测试ꎮ
表３㊀富尔顿ＲＢ１２５０卧式燃油蒸汽锅炉主要参数锅炉型号单位ＷＮＳ２－１.０－Ｙ
外形尺寸/(长ˑ宽ˑ
高)
ｍｍ３４３５ˑ２０３０ˑ２２５０蒸发量ｔ２
压力ＭＰａ１.０
蒸汽出口尺寸ｍｍ１００
安全阀出口尺寸ｍｍ４０(２)
给水泵入口尺寸ｍｍ３２
主排污口接口尺寸ｍｍ４０
排烟出口尺寸ｍｍ４００
燃烧器风机功率ｋＷ４
水泵功率ｋＷ２.２
文具盒生产过程水容积(到低水位)ｍ３２.６１
重量(不包括燃烧器)ｔ
７.５
图１㊀富尔顿ＲＢ
型蒸汽锅炉内剖图
图２㊀试验系统流程图紫铜止水片
㊀㊀当对Ｂ１０进行测试时ꎬ关闭地下油库阀门ꎬ打开Ｂ１０油箱阀门ꎬ锅炉在１００％㊁７０％㊁５０％㊁３０％四种负荷运行情况下ꎬ对Ｂ１０进行污染物排放特性测生物柴油在工业锅炉上应用可行性分析
试ꎮ
１.２.４㊀烟气排放测量设备型号
烟气中各种成分排放测量设备的型号如表４所示ꎮ
表４㊀测试仪器型号
料罐测量项目测点位置使用仪表仪器型号
烟尘排放浓度锅炉烟道烟尘采样仪崂应３０１２Ｈ型编号:Ｆ－１６
环保试验㊀㊀锅炉烟道烟气分析仪德图ｔｅｓｔｏ３５０编号:Ｆ－１７
有毒有害气体锅炉烟道复合气体
检测仪
ＥｒａｎｎｔｅｘＭＳ６００－６
编号:Ｆ－１８
２㊀试验内容及要求
２.１㊀试验内容
(１)试验锅炉在１００％运行负荷下ꎬ对燃用生物柴油Ｂ１０与０＃柴油所产生的污染物的排放浓度进行对比ꎻ
(２)燃用Ｂ１０生物柴油时ꎬ试验锅炉在１００％㊁７０％㊁５０％以及３０％运行负荷下ꎬ检测污染物的排放浓度ꎮ
２.２㊀测试条件及要求
２.２.１㊀试验条件
试验应在锅炉运行达到稳定后进行(稳定时间至少１ｈ)ꎮ试验持续时间：每个工况持续时间为不小于２ｈꎮ
试验工况：不同负荷下各测定２个工况ꎮ如果试验数据波动较大ꎬ则再补做一个工况ꎬ排除可疑工况试验值ꎮ
２.２.２㊀试验要求
测试中锅炉各个工况应做到:
(１)锅炉测试时需达到一定负荷ꎬ各负荷折算出力应基本相同或相近ꎬ波动范围为ʃ５％ꎮ(２)锅筒水位㊁油压㊁进油温度㊁过量空气系数㊁蒸汽压力应基本一致ꎮ
(３)如果受条件限制ꎬ不能开设锅炉蒸汽湿度测点ꎬ根据被测锅炉的炉型ꎬ蒸汽湿度取同一定值ꎮ(４)试验期间锅炉不得吹灰㊁排污㊁停炉ꎬ不得有泄漏现象ꎮ
(５)测量项目记录时间：主要参数每１０~１５ｍｉｎ测量一次ꎬ一般参数每３０ｍｉｎ测量一次ꎮ
３㊀试验结果分析
３.１㊀生物柴油Ｂ１０与０＃柴油污染物排放特性对比３.１.１㊀烟气含氧量对比
锅炉烟气的含氧量是锅炉监控系统监控的重要参数之一ꎬ烟气的含氧量不仅反映锅炉燃烧设备运行状况ꎬ而且还反映整个锅炉系统运行完善情况的重要依据ꎮ燃料的燃烧过程实际上是燃料中的可燃成分(Ｃ㊁Ｈ等)与氧气发生反应的过程ꎮ若氧量太大即空气量大ꎬ产生的烟气量较多ꎬ大量的烟气带走较多的热量ꎬ使炉膛的温度降低ꎬ不但会影响燃烧ꎬ还会增加排烟热损失和烟尘量ꎻ若氧量偏小即空气量太小ꎬ由于氧气的含量不足ꎬ燃料与氧气完全反应的几率变小ꎬ则化学未完全燃烧损失就大ꎮ因此检测烟气中氧气的含量对工业锅炉控制燃烧㊁实现安全㊁高效㊁低污染排放等方面是很重要的ꎮ
在环境保护监测方面ꎬ不同的燃烧工况下测得的污染物浓度是不同的ꎬ当烟气含氧量较大时测得的污染物浓度较低ꎬ但是这种工况下烟气的排放量增加ꎬ锅炉的效率下降ꎬ不能达到节能的效果ꎬ所以需要规定一个基准氧含量ꎮ由于各工业燃烧工艺对氧量的需求不同ꎬ所以规定的氧基准通常就是以刚好充分燃烧时的排放浓度为准ꎬ实测排放物的浓度必须折算为基准氧含量浓度ꎬ经过折算后ꎬ能够标准化污染物的排放值ꎬ使数值具有可比性ꎮ
由图３可知ꎬ锅炉在满负荷运行情况下ꎬ使用生物柴油Ｂ１０时锅炉尾部烟气中氧量约为４.２％ꎬ使用
０＃柴油时锅炉尾部烟气中氧量约为４.７％ꎬ在使用生物柴油Ｂ１０时ꎬ锅炉的运行也比较平稳ꎬ生物柴油Ｂ１０燃烧状况良好ꎬ油品混合良好ꎬ没有出现分层㊁混合不均匀的情况ꎬ能够满足锅炉满负荷运行ꎬ锅炉出力能够达到要求
ꎮ
图３㊀１００％负荷下生物柴油Ｂ１０与
０＃柴油排烟处氧量的对比
３.１.２㊀烟气烟尘量对比
烟尘是指燃料和其他物质燃烧合成分解以及各种物料在处理中所产生的悬浮于排放气体中的颗粒物质ꎮ燃油锅炉烟气中的烟尘由各种大小的颗粒物组成ꎬ这些颗粒物会长期漂浮在大气中ꎬ时间长达几
生物柴油在工业锅炉上应用可行性分析
十年甚至上百年ꎬ其中还含有重金属和有害物质ꎬ对人体产生极大的危害ꎬ所以必须确保锅炉外排烟气的烟尘含量达标
ꎮ
图４㊀１００％负荷下燃用０＃柴油与生物柴油Ｂ１０烟尘排放浓度的对比
根据ＧＢ１３２７１ ２０１４«锅炉大气污染物排放标准»及ＤＢ３１/３８７ ２０１４«上海市锅炉大气污染物排放标准»规定的烟尘排放浓度分别为３０ｍｇ/ｍ
３
(标态)和２０ｍｇ/ｍ３(标态)ꎬ由图４可知锅炉在使用生物柴油Ｂ１０和０＃柴油运行的情况下ꎬ尾部烟气中烟尘浓度分别为１４.５１ｍｇ/ｍ３(标态)和１４.０３ｍｇ/ｍ３(标态)ꎬ两者均符合排放标准ꎮ
３.１.３㊀硫化物排放浓度对比根据ＧＢ１３２７１ ２０１４«锅炉大气污染物排放
标准»及ＤＢ３１/３８７ ２０１４«上海市锅炉大气污染物排放标准»规定的硫化物排放浓度均为１００ｍｇ/ｍ３(标态)ꎬ由图５可知ꎬ锅炉在满负荷稳定运行时ꎬ燃用生物柴油Ｂ１０时尾部烟气中ＳＯ２的浓度分别为
１３.３８ｍｇ/ｍ３(标态)和１３.５４ｍｇ/ｍ３(标态)ꎬ燃用生物柴油Ｂ１０时ＳＯ２排放量更少ꎮ
图５㊀１００％负荷下燃用０＃柴油与
生物柴油Ｂ１０时ＳＯ２排放浓度的对比
３.１.４㊀氮氧化物(ＮＯｘ)排放浓度对比
根据ＧＢ１３２７１ ２０１４«锅炉大气污染物排放
标准»及ＤＢ３１/３８７ ２０１４«上海市锅炉大气污染物排放标准»规定的氮氧化物排放浓度分别为２００ｍｇ/ｍ３(标态)和１５０ｍｇ/ｍ３(标态)ꎬ由图６可知ꎬ锅炉在满负荷稳定运行时ꎬ燃用生物柴油Ｂ１０和０＃柴油时尾部烟气中ＮＯｘ的浓度分别为１３５.７ｍｇ/ｍ３(标态)和１４０.８ｍｇ/ｍ３(标态)ꎬ两种燃料油燃烧所得结果差距不大ꎬ生物柴油Ｂ１０排放更环保
ꎮ
图６㊀１００％负荷下燃用０＃柴油与
生物柴油Ｂ１０时ＮＯｘ排放浓度的对比
３.２㊀不同负荷下燃用生物柴油Ｂ１０烟气中污染物排放浓度的对比
由图７~图９可知ꎬ锅炉以Ｂ１０为燃料运行的情况下ꎬ烟气中的颗粒物㊁ＳＯ２及ＮＯｘ的浓度随着锅炉负荷的降低而降低
ꎮ
图７㊀不同负荷下生物柴油Ｂ１０
烟尘排放浓度的对比
图８㊀不同负荷下燃用生物柴油Ｂ１０时
ＳＯ２排放浓度的对比
生物柴油在工业锅炉上应用可行性分析
图９㊀不同负荷下燃用生物柴油Ｂ１０时
ＮＯｘ排放浓度的对比
４ 结论
工业锅炉使用生物柴油Ｂ１０ꎬ可以满足现有燃油锅炉的出力要求ꎬ在锅炉运行在１００％负荷的情况下ꎬ燃用生物柴油Ｂ１０燃烧情况与０＃柴油基本相同ꎬ在整个测试过程中ꎬ测试锅炉并没有出现熄火㊁燃烧不稳定等现象ꎮ
工业锅炉在满负荷运行状态下ꎬ燃烧生物柴油Ｂ１０与０＃柴油的锅炉尾部烟气中的烟尘浓度㊁ＳＯ２浓度㊁ＮＯｘ浓度基本相同ꎬ生物柴油Ｂ１０的大气污染物的排放数值还略低于０＃柴油ꎮ
由以上可知ꎬ生物柴油与传统石化柴油相比具有以下优点:
(１)生物柴油中硫的含量极低ꎬＳＯ２和硫化物的排放低ꎻ
(２)与普通柴油相比含氧量较高ꎬ使得燃烧时排烟量少ꎬＣＯ排放比普通柴油少ꎬ不含芳香族烃类成分而不会产生致癌性物ꎬ而且铅㊁卤素等有害物质含量极少ꎬ对环境比较友好ꎻ
(３)生物柴油易燃尽ꎬ燃烧产物中碳的残留量低ꎬ细小颗粒物㊁黑烟尘也大量减少ꎻ
除此之外生物柴油还具有以下优点[４－５]: (１)由于生物柴油具有生物可降解性高的特点ꎬ可以有效降低有毒气体的排放量ꎬ降低患癌风险ꎻ
(２)生物柴油的闪点一般高于１３０ħꎬ不属于危险品ꎬ在运输㊁存储和使用方面具有较好的安全性能ꎻ㊀㊀(３)生产生物柴油的原料是来自大自然的动植物等ꎬ具有可再生性ꎬ这些原料来源广㊁分布广㊁种类多ꎬ作为可再生能源ꎬ与石油储量不同ꎬ其来源于生物质固定下来的太阳能ꎬ不会枯竭ꎮ
智能小车在对Ｂ１０生物柴油测试过程中ꎬ锅炉在１００％㊁７０％㊁５０％及３０％负荷的运行的情况下ꎬ锅炉尾部烟气中烟尘浓度㊁ＳＯ２浓度㊁有毒有害气体浓度均符合国家排放要求ꎬ氮氧化物浓度在满负荷情况下低于ＧＢ１３２７１ ２０１４«锅炉大气污染物排放标准»以及ＤＢ３１/３８７ ２０１４«上海市锅炉大气污染物排放标准»ꎮ
在不久的将来ꎬ即将出台更高要求的锅炉大气污染物排放标准ꎬ尤其是氮氧化物的排放ꎮ根据数据分析ꎬ燃用生物柴油Ｂ１０所产生的锅炉烟气中ꎬ氮氧化物含量随负荷的降低而降低ꎬ所以建议工业锅炉在燃用生物柴油Ｂ１０的情况下ꎬ选择低负荷运行ꎬ并且进行烟气再循环的低氮改造ꎬ氮氧化物的排放基本可以满足更严格的大气污染物排放标准ꎮ综上所述ꎬ生物柴油的燃烧特性较之柴油有相对优势：它不仅是一种可再生的生物能源ꎬ而且是一种环境友好型燃料ꎬ使用生物柴油不仅可以对大气环境质量进行有效地控制ꎬ而且对于改进能源结构㊁缓解能源危机㊁促进农副产品的深加工和综合利用有着深远的意义
ꎮ
控水系统参考文献
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[５]ＨｕａｎｇＹｕｎ ｈｓｕｎꎬＷｕＪｕｎｇ ｈｕａ.ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｂｉｏｄｉｅｓｅｌｐｒｏｍｏｔｉｏｎｉｎＴａｉｗａｎ[Ｊ].ＲｅｎｅｗａｂｌｅａｎｄＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＲｅｖｉｅｗｓꎬ２００８ꎬ１２:１１７６－１１８６.
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