《生物质气化炉热工性能试验规程》编制说明
一、制定标准的背景
近年来，随着国家环保形势的日益严峻，燃煤排放所产生的氮氧化物、硫化物、粉尘超标给环境造成严重的污染，中小型燃煤锅炉、窑炉的淘汰已经成为趋势，珠三角地区已经淘汰了10t/h以下的燃煤锅炉。而生物质直燃锅炉由于粉尘和氮氧化物的排放问题也受到越来越多的限制。生物质气化炉可将秸秆、稻草、木屑、木片、玉米芯、稻壳等多种生物质原料气化产生生物质燃气，燃气再通入锅炉或者窑炉进行燃烧。通过严格的原料控制和合理的气化工艺，生物质燃气燃气中氮氧化物和二氧化硫含量可以降至极低的水平，燃烧后的排放可以达到天然气排放标准。
目前，在锅炉领域，国标《工业锅炉热工性能试验规程》(GB/T10180-2017)和《电站锅炉热工性能试验规程》(GB10184-88)已经颁布，分别用于工业锅炉和电站锅炉的热工性能试验，国家质监总局也颁布了《工业锅炉能效试验和评价规则》（TSG G0003-2010）和《锅炉节能技术监督管理规程》（TSG G0002-2010）等相关规程来加强对锅炉节能工作的监管。而气化炉作为一种生产燃气的设备，其生产的燃气既可以用于锅炉燃烧加热水和有机热载体，也可以用于冶金工业等行业的窑炉进行工业生产。气化炉设备本身具有独立性，对其进行独立的能源平衡分析和热工性能试验具有其必要性。农业部于2006年发布了《秸秆气化装置和系统试验方法》（NY/T1017-2006），该标准规定了以秸秆为原料（木质、稻壳等原料参照执行）的气化装置和系统的主要性能试验方法。该标准操作简单，试验数据量少，可操作性强，可用于快速判断生物质气化系统的主要性能参数。其局限性在于：1、试验仅考虑了冷燃气效率，具有局限性；2、对于试验工况的限制条件少，操作
简便但结果重复性较差、准确度较低。
本标准致力于解决以上问题，具有如下特点：1、分别提供了试验生物质气化炉冷燃气效率和燃气热效率的方法，对于需要储存和远距离输送的情况，试验冷燃气效率的意义较大；对于气化炉产生的燃气就地利用且对焦油不敏感的情况，试验气化炉的燃气热效率的意义较大。2、本标准严格控制生物质气化炉运行稳定的时间，延长试验时间，提高了试验结果的可重复性和准确度。需要注意的是，严格要求试验工况要求主要是因为近年来生物质气化炉的应用场合的变化。在近年来生物质气化炉的推广应用中，成功案例主要在于工业企业，气化炉逐渐向大中型化方向发展，原料主要以木质原料为主，农村民用气化炉较少，这就为严格试验工况要求创造了条件。3、本标准为准确检测焦油含量以及分析焦油热值提出了生物质焦油（不含飞灰）的取样和检测方法。生物质焦油一直以来作为杂质影响生物质燃气的存储和输送，但是在燃气可就地利用且对焦油不敏感的使用场合，焦油作为可燃物可以得到利用。对于焦油含量较高的场合，焦油的热值可以占到粗燃气总热值的20%左右甚至更多。4、本标准提出了生物质气化炉各项热损失的试验和计算方法，为改善生物质气化炉的制造工艺和运行工况提供了依据和参考条件。
通过本项目的实施，将为广东省生物质气化炉的热工性能试验提供规范。为生物质气化炉生产单位出厂产品性能试验、改进产品设计提供依据；为生物质气化炉使用单位选择高性能生物质气化炉、改善已有生物质气化炉运行状况提供依据。通过该标准项目的实施，希望可以提高广东省生物质气化炉的生产制造水平，改善生物质气化炉的使用条件，有利于生物质气化炉这种环保产品在我省的推广使用。
二、标准的任务来源及参与单位
本项目来源于广东省质量检验协会团体标准制修订计划，项目计划编号：
GDAQI2019006号，项目名称为“生物质气化炉热工性能试验规程”。本项目计划完成时间为2019年7月。
三、标准的编制过程
1、成立起草组，制定方案。2019年1月，团体标准《金属管道沉降应力磁记忆测试方法》制定计划下达后成立了标准起草组，制定了工作方案。
2、召开内部讨论会，形成征求意见稿及编制说明。2019年1月，标准起草组查阅并收集了国内类似检测标准，确定了标准框架。同时收集整理了特种设备法律法规及技术规范中有关压力管道无损检测的要求。起草组对标准框架和相关资料反复进行了研讨，形成了标准初稿。2019年1月和2月，标准起草组对标准初稿进行了多次讨论和修改，形成了工作组讨论稿。2019年3月5日，标准起草组形成了标准征求意见稿，并提交给广东省质量检验协会，并于2019年4月12日正式发文征求意见。
四、标准的编制原则
本标准的编制遵循以下原则：
1）保持标准的先进性
结合我国国情积极采用国际标准和国内先进标准，在充分调查研究的基础上，认真分析国内外同类技术标准的技术水平，在预期可达到的条件下，积极地把先进技术纳入标准，提高标准技术水平。
2）保证标准的适用性
在确定试验工况和试验条件时，既不让标准的试验工况要求太过于宽泛导致试验结果的不可靠和重复性差；也不过分死板，导致标准的可操作性不强。本标准充分利用物质平衡和能量平衡，通过检测一些容易检测的数据来代替检测一些工况恶劣、检测难度大的项目；此外，本标准还提供了大量的经验数据，以上在保证了数据的准确性的条件下，可以有效降低现场工作的强度和难度。
3）注重标准的经济性和社会效益
编写标准草案时从实际需要出发，不追求高性能、高指标，避免造成经济浪费。
五、标准的整体结构
本标准内容主要包括最终确定标准为12个部分：范围、规范性引用文件、术语与定义、符号和单位、气化炉热平衡边界、试验准备工作、试验要求、测量项目、测试方法、气化炉效率的计算、其他量的计算、试验报告。含燃气中焦油和飞灰量的分别测定、生物质气化炉热工性能试验数据表、常用气体的有关量值、常用气体在不同温度下的平均定压比热容、常用气体在不同温度下的（比）焓等5个附录。
六、标准的主要内容及条款解析
1）标准的适用范围
本标准规定了以木本原料、草本原料和果壳（谷壳）类原料为燃料的生物质气化炉热
工性能试验方法的术语和定义、符号和单位、气化炉热平衡边界、试验准备工作、现场试验、测量项目和试验用仪器仪表、测试方法、气化炉效率的计算和试验报告。
2）术语和定义
本标准规定了生物质、生物质气化、生物质气化炉、生物质燃气、粗燃气、净燃气、生物质焦油、生物质炭、输出热量、基准温度、冷燃气效率、气化热效率、气化强度和碳转化率等14个术语和定义。
3）试验准备工作
试验准备工作包括编制试验大纲，分解实验任务、确定试验项目、试验仪表和试验人员组织等。此外，试验应在系统处于正常、稳定运行状态下进行，气化炉进出炉的物料流和能量流应与其他气化炉系统隔绝以便于准确计量这些物料流和能量流。为全面检查试验仪表是否正常工作、试验人员是否熟悉试验操作程序及实试验人员之间相互配合程度，并确定合适的运行工况，可进行预备性试验。
4）现场试验
主要规定了试验的工况要求、燃料要求以及试验时间、试验次数和试验允许误差等。本章将试验分为两种：气化炉定型产品热效率试验和气化炉运行工况热效率试验，两者对试验条件的要求有所不同。前者是在气化炉出厂或者验收时进行的试验，反应了气化炉在设计工况下的热工性能，试验要求严格，需在气化炉主要热力参数在许可波动范围内而且其平均值已不随时间不断变化的状态下进行试验。而后者则主要针对在用生物质气化炉进行的试验，反应的是在用生物质气化炉的运行性能，试验工况要求较为宽泛。
热工况稳定所需的时间（自冷态点火开始）根据各生物质气化炉气化工艺、原料成份和各厂家的生产技术水平等因素所需时间长短不一。从实际情况来看，大部分生物质气化炉从冷态启炉到能产出成份较为稳定的燃气供应燃烧的时间从半小时到三四小时不等。本标准选取一般不少于4h，一方面是参考GB/T10180中的无砖墙燃煤锅炉的要求；另一方面，生物质气化炉从冷炉启炉到炉膛温度稳定，再到散热稳定需要一定的时间。综上，本标准选择4小时作为推荐值，能减少现场靠经验工况稳定所产生的不确定性，是能满足试验要求的。
试验时间综合参考了《工业锅炉热工性能试验规程》(GB/T10180)和《秸秆气化装置和系统试验方法》(NY/T1017),实际操作中因为当前生物质气化炉大多为自动化连续运行，4小时的试验时间已经可以反映生物质气化炉的工况。本标准主要选取了产气温度和产气速率2个指标来反映气化的稳定性，主要是因为该2个指标容易控制、可以实时检测，且基本能反应实际情况；而更能直观反映气化稳定性的气体成分指标，因为现场实时分析气体难度较大，故未采纳。
气化炉定型产品热效率试验是气化炉出厂、交工验收时所做的试验，需要严格要求，准确反应气化炉的性能，所以本规程要求做两次试验、且两次试验效率差不超过4%。
对于气化炉运行工况热效率试验是针对生物质气化炉在用工况条件下的试验，在用工况下生物质气化炉多后接锅炉、窑炉实时产气实时燃烧，主要目的是为了判断气化炉在实际操作工况下的性能、分析气化炉的热损失、改进气化炉的操作工况。工况受需求端的影响较大，难以保持稳定的运行工况，且工况也难以重复，所以本标准规定气化炉运行工况热效率试验仅进行1次试验。
5）试验方法
本标准的燃料采样制样、计量主要参照目前应用较为成熟的《工业锅炉热工性能试验规程》(GB/T10180)、《生物质固体成型燃料采样方法》(NY/T 1879)、《生物质固体成型燃料样品制备方法》(NY/T 1880)、《固体生物质燃料样品制备方法》(GB/T 28730)中的方法，燃料、焦油和燃气的发热量分析方法分别采用目前广泛应用的《固体生物质燃料发热量测定方法》(GB/T 30727)、《火力发电厂燃料试验方法 第8部分：燃油发热量的测定》(DL/T 567.8)、《人工煤气和液化石油气常量组分气相色谱分析法》(GB/T 10410)，残炭和飞灰的可燃物含量分析方法采用《飞灰和炉渣可燃物测定方法》(DL/T 567.6)。
在燃气流量的计量方面，由于出炉的燃气为高温且含有焦油等杂质，直接测量比较困难。目前测量有两种方式：①将燃气冷却、净化后测量；②通过惰性物质守恒的方法间接测量。将燃气冷却、净化后测量无疑结果更加准确，但是燃气的冷却、净化均需要相关设备，对于某些对热态粗燃气直接利用的在用生物质气化炉，就需要额外增加冷却净化设备，操作难度较大。
有人提出，可以采用旁通管引出少量粗燃气进行冷却净化，精确计量旁通管中的燃气体积，再根据旁通管和主管的管径比计算产气量。这种方法操作难度大，不可控因素较多，主要是因为生物质粗燃气根据工艺不同可能含有较多的焦油等物质，这些物质黏度大、容易黏附在管壁上，这就导致了主管和旁通管的实际管径和管道内表面粗糙度难以精确测算。当然，惰性气体物质守恒方法的应用应考虑气化炉的漏风问题，这就要求测试时应严格限制气化炉的漏风，否则误差就会很大。综上，在生物质气化炉定型产品热效率测试中，本标准要求出口燃气经冷却、净化后直接测量；而在在用生物质气化炉热效率测试中，可以有限制地使用惰性物质守恒进行间接计量燃气产量。
粗燃气中水分含量的计算一般根据氢平衡进行计算。这是因为燃气冷却后，焦油和水分凝出混合在一起，分别测量比较困难。本标准中利用燃料中的氢（使用蒸汽作为气化剂
时还要考虑气化剂中的氢）和燃气、焦油、水分中的氢平衡可以较为容易计算出燃气中的水分含量。
焦油和飞灰的分别检测本标准参照了欧标 燃气的热值化验目前主要有直接化验和间接计算两种方法：直接化验是利用《城市燃气热值和相对密度测定方法》（GB/T12206），该方法准确、直观，但是检测需要专用的仪器。间接测量方法主要是用GC测定成份后，再根据《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》（GB/T 11062-2014）进行计算。GC是一种常规的检测仪器，目前各检测机构非常常见；而且生物质燃气的成份本身就是一个重要的性能指标，一般均需要测量。已知各成份以及含量后再计算燃气热值就非常简单，所以本标准推荐采用计算法，这样可以减少工作量，精度也可以接受。关于GC检测哪些燃气的问题，《秸秆气化装置和系统测试方法》(NY/T 1017)仅CO、CH4、O2和H2四种气体。一般来说，仅化验这四种气体是可以反映燃气的热值的，一般误差不超过4%；重要的是，仅化验这四种气体可以仅采用两种色谱柱即可，降低了化验设备的成本。本标准在以上四种气体的基础上，还化验N2、CO2、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6，这是因为N2是作为氮平衡计算燃气流量的重要指标，CO2的含量对于碳转化率的测算也必不可少。C2H6、C2H4、C3H8、C3H6虽然含量较少，但是其热值较高，增加了这几种成份的化验可以有效提高燃气热值计算的准确度，且只需要多增加一根色谱柱即可完成化验，对化验成本的增加较少。至于C4以及以上的烃类，无论从文献报道还是实际操作来看，含量已经非常微量几乎不可检测；由于生物质原料含N、S含量非常低，小分子的NH3和H2S等可燃物也未检出。 焦油的热值化验当前没有成熟的标准。当前电力行业对于燃油的化验中比较成熟，燃油的化验分为轻油和重油，轻油和重油的化验方法大致相同，但是在试样的处理方面有各自的规定。对于轻油，在试样保存、化验的过程中需要注意防止其挥发；对于重油，需要预热，充分混匀后取样化验。焦油是一种混合物，既有轻质易挥发组分也有重质组分，实际操作中既需要注意混匀后测量也需要注意防止挥发，所以本标准综合了《火力发电厂燃料试验方法 第8部分：燃油发热量的测定》(DL/T 567.8)中有关轻油、重油的有关试验要求进行焦油的热值测定。 6）气化炉效率的计算 本标准中的燃气效率分为冷燃气效率和气化热效率。前者对应的是出炉经过冷却、净化后的不含水冷燃气低位热值与输入热量的比值，该指标对于需要储存、长距离运输和对于燃气品质要求严格的场合很重要。由于该指标仅考虑燃气中常温下气态成份的化学反应热，所以降低气化炉出口燃气温度、降低焦油、飞灰含量就显得尤为重要。后者对应的是气化炉出口未经冷却、净化处理的粗燃气热量（除净燃气低位热值外，还包含焦油、飞灰的低位热值和粗燃气中各组分的显热）与输入热量的比值。该指标主要针对气化炉出口燃气直接可以就地利用，且对燃气品质要求不高的场合，燃气的显热可以作为锅炉或者窑炉的输入热量，焦油、飞灰也可以直接喷入炉膛燃烧。 在计算气化热效率时，本标准考虑了粗燃气中燃气、焦油和飞灰的低位热值以及它们的显热。 7）其他量的计算 其他量的计算包括焦油热、气体热、飞灰热、散热损失和残炭热损失。 对于焦油热的计算，主要包括焦油含量的检测和焦油热值的化验。焦油含量的检测参照本标准附录A，考虑到检测焦油含量较为繁琐，本标准推荐了一些经验值，对上吸式气化炉可取0.05kg焦油/kg燃料，对流化床气化炉可取0.02kg焦油/kg燃料，对下吸式气化炉和其他低焦油气化工艺可忽略。在对结果准确度要求不高的场合，这样的估算不会造成太大的误差。但是在生物质气化炉验收试验、定型试验等精度要求较高的场合，还是应该以实测值为准。焦油在取样温度和基准温度下的焓值差计算，本标准采用苯的焓值差来估算。主要是因为，焦油含量高的气化工艺，气化炉出口燃气温度一般较低（一般上吸式气化炉出口温度不高于120℃）；而出口燃气温度高的气化工艺，气化炉出口焦油含量极低，这就造成了焦油的焓值差本身非常小。另一方面，焦油的成份非常复杂多样，直接试验其比热容或者焓值差难度较大，所以本标准用苯的焓值差来代替焦油的在取样温度和基准温度下的焓值差不会产生较大误差，且大大降低了工作量和对试验设备的要求。 对于气体热的计算，主要包括净燃气气体显热和燃气中水分的热量。燃气中水分含量的计算可以通过氢平衡来计算，然后通过查表的方式可以计算出水分的焓值差；燃气气体的显热也可以通过燃气中各组分的比热容来进行计算。 对于飞灰热的计算，主要包括随粗燃气夹带出气化炉的碳粒和灰尘的化学热及其显热。 对于散热损失的计算，主要参考了《工业锅炉热工性能试验规程》(GB/T10180)中的有关规定。热流计法是检测试验散热损失比较直观、准确的方法，但是在实际操作中由于比较繁琐，应用较少。计算法认为气化炉的散热取决于气化炉的外表面温度以及散热面积，数据容易获得，计算精度尚可。其中散热公式中的常数取自《生物质热解气化原理与技术》（孙立、张晓东编著，北京：化学工业出版社，2013.1）。 有部分生物质气化炉对炉体外表面进行了水冷却，这些气化炉的外表面实测温度较低， 直接散热的损失较小，冷却水带出的热量较多，且冷却水带出的热量计算方法与表面散热的计算方法不同，本标准给予单独考虑。计算该种情况下的散热损失时，应计算其冷却水的流量和进出口温度来计算气化炉的水冷热损失。 对于残炭热损失的计算，包括了残炭的化学热（通过检测可燃物含量计算）和显热。部分气化炉中的残炭是直接排入水中冷却的，这种情况下直接测量残炭的温度比较困难，本标准给出了一些经验数据。 气化强度一般有三种表达方式：分别为单位时间内气化炉单位有效截面积上，气化的燃料量、产生的燃气量或者燃气的热量。考虑到实际中三种方式均有应用，本标准给出了全部这三种表达方式的公式。应该指出，气化强度的比较只在炉型相同时才有意义。对于不同炉型，由于炉膛形状不同，截面积的定义可能是不同的，例如下吸式气化炉，炉膛中有一个缩口，其气化强度定义在缩口段的最小截面积上，这个截面积仅相当于炉膛直段截面积的1/5-1/4，其气化强度比没有缩口段的上吸式气化炉和层式下吸炉高得多；再比如流化床气化炉和固定床气化炉的反应机制差很多，在它们之间比较气化强度也意义不大。 碳转化率是评价气化过程中碳元素转移到燃气（常温下气态物质，包括CO、CO2、CH4、H2和CmHn等）中的比例。从公式中可以看出，提高碳转化率的方法，一是降低焦油的产生量，二是降低残炭中的含碳量，这样可以尽可能提高燃气中碳元素所占的份额。应该指出，碳转化率并不代表气化效率，因为在燃气中还存在着不可燃烧的二氧化碳，它也计算在碳转换率中。 七、与现行相关法律、法规、规章及相关标准，特别是强制性标准的协调性 本标准符合国家相关法律、法规、规章及相关标准。 八、重大分歧意见的处理经过和依据。 本标准在起草过程中无重大意见分歧。 九、贯彻标准的要求和措施建议 建议本标准发布后，生物质气化炉的热工性能试验以本标准作为依据和指导。同时，建议广东省内的企事业单位宣传此标准，提高广东省生物质气化炉的设计、制造水平，推广生物质气化炉的使用。 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容