新型下吸式生物質氣化爐的研制

2013-12-23 04:32:02宋龍朝王科社索雙富王冬李德生

機械工程師 2013年2期

宋龍朝，王科社，索雙富，王冬，李德生

（1.北京信息科技大學，北京100192；2.清華大學，北京100083；3.中國地質大學，武漢430074）

1 引言

生物質能是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源。目前世界能源緊缺，石化能源儲量有限，亟待開發新能源，實現可持續發展。作為農業大國，我國每年林業廢棄物和農業生產剩余物質產量高達7 億t，蘊藏著巨大的生物質能。提高生物質能的利用效率，對節約常規能源、減少環境污染、保護生態環境具有重要意義。

目前人們已經開發了許多生物質能利用技術，主要分為直接燃燒技術、生物質氣化技術和生化轉換技術，其中生物質氣化技術應用最為廣泛。生物質氣化設備主要有固定床氣化爐和流化床氣化爐兩類。固定床氣化爐又有下吸式和上吸式兩種。流化床氣化爐結構較復雜，不利于大規模推廣。目前應用比較廣泛的主要是下吸式固定床氣化爐,但下吸式氣化爐普遍存在結構復雜、氣化氣雜質過多等缺點，急需開發新型實用氣化爐［1-2］。

2 下吸式氣化爐的工作原理

下吸式氣化爐的示意圖如圖1 所示，生物質及空氣由上部進入，生物質產出氣由下部排出。

圖1 下吸式氣化爐示意圖

下吸式氣化爐的工作原理如圖2。生物質進入到氣化爐內后最初在物料的最上層，即處于干燥區內，在干燥區物料由于受外腔里的熱氣體及內膽里熱氣體的熱輻射作用，物料吸收熱量，生物質內的水分蒸發出去，變成干物料。隨著物料的消耗干燥區物料向下移動進入裂解區，裂解區的溫度高，達到了揮發分溢出溫度，生物質在裂解區開始裂解，產生揮發分氣體，干生物質逐漸分解為炭、揮發分及焦油等成分。而生成的炭隨著物料的消耗繼續下移落入氧化區，空氣氣化劑一般在氧化區加入。在氧化區，裂解區生成的炭與氣化劑中的氧進行燃燒反應生成二氧化碳、一氧化碳，并放出大量的熱量，這些熱量是整個生物質氣化全過程順利進行的保證。在反應中沒有消耗掉的炭繼續下移進入還原區，在還原區，與裂解區及氧化區生成的二氧化碳發生還原反應生成一氧化碳；爐內水蒸氣也會與炭反應生成氫氣和一氧化碳，灰渣則排入灰室中。下吸式氣化爐的還原區溫度為800℃，氧化區溫度達1100℃，裂解區溫度為500℃～700℃，干燥區溫度約為300℃［4］。

圖2 下吸式氣化爐工作原理

3 下吸式生物質氣化爐的結構、要求及設計計算

3.1 氣化爐所要滿足的要求

（1）產氣效率高且質量好；（2）結構簡單，便于操作；

（3）運行時間長。

生物質氣化爐為錳礦還原提供熱量，這就要求氣化爐能夠連續供氣并能夠長時間運行。

3.2 氣化爐的結構

根據下吸式氣化爐的原理，設計一種新型實用氣化爐，其結構如圖3。

下吸式氣化爐的工況：料斗內物料經下料機構進入爐體，下料機構由電機帶動皮帶傳動轉動，物料在下落到爐橋的過程中，進行氣化反應，產生氣化氣，氣化氣中有灰分等雜質，先后進入一二級過濾筒，灰分落入下部儲灰室，積累過多時，灰分從一二級出灰口中排除。較干凈的氣化氣最終從出氣口排除。

為了便于反應，要對生物質進行制粒加工。生物質顆粒燃料致密均勻，限制了揮發分溢出速度，延長了燃燒時間，緩解了空氣供給矛盾。生物質顆粒燃料碳結構緊密，充分反應后形成焦炭，利于灰分排除。使用550 型生物質顆粒機加工后的生物質顆粒如圖4。

圖3 新型實用氣化爐結構圖

圖4 生物質顆粒

3.3 生物質原料的選取及燃氣成分

秸稈是農村最常見的生物質資源，本文氣化爐采用玉米秸稈作為生物質。玉米秸稈的主要成分是碳（C）、氫（H）、氧（O）及少量的氮（N）、硫（S）等元素，并含有少量灰分及水分。生物質含有不同元素，它將影響生物質的燃燒狀態。玉米秸稈的化學成分見表1［4］。

生物質的工業成分是指生物質含有揮發分、固定碳、水分和灰分的多少，這也對生物質的燃燒狀態產生影響。玉米秸稈的工業分析見表2［4］。

由于不同類型的氣化爐，燃氣成分會有所差異，同一氣化爐使用不同的生物質時燃氣成分也不同，因此，我們使用生物質燃氣平均值進行設計計算。生物質燃氣組份體積含量見表3。

表1 玉米秸稈的化學成分

表2 玉米秸稈的工業分析

表3 生物質燃氣組份體積含量/%

3.4 生物質氣化爐主要結構參數的設計計算

氣化強度是指氣化爐單位截面積單位時間內氣化的生物質量，kg/（m2·h），固定床一般為100～250kg/（m2·h）［5-7］。

本文選用玉米秸稈的氣化強度Φ 為：

氣化效率是指單位質量生物質所得到的燃氣完全燃燒釋放的熱量與所使用的生物質發熱量之比，即

式中，η-氣化效率；Vm-單位質量生物質的產氣量（標準狀況下），m3/kg；Hm-燃氣低位熱值（標準狀況下），kJ/m3；H-生物質的低位熱值；國內生物質氣化爐的氣化效率一般為70%～75%，我們取氣化效率η=70%。

式中：M-每小時氣化爐所氣化的物料重量（M=150kg）［8］；Φ-氣化強度，200kg/（m2·h）；S-氣化爐爐膛截面積，m2；D-氣化爐爐膛直徑，m；結合式（1）～式（4），S=0.75m2；D=0.98m。

氣化爐高度：生物質在爐內應有足夠的反應滯留時間，這與燃燒層的高度及生物質的下降速度有關。

式中，t-氣化爐連續工作時間，取t=1h；ρ-玉米秸稈的堆密度，取ρ=200kg/m3。

式中，q-生物質氣化體積所效率。當玉米秸稈作為生物質原料時，取q=0.22，則β1=1，β2=1.22。

為保證爐內原料能夠穩定下移，爐膛上部要有足夠的空間，取爐膛上端距離爐口高度為0.3m。爐膛下部為灰室，去灰室高度0.3m。

3.5 玉米秸稈完全燃燒所需空氣量的計算

由表1 知，玉米秸稈含有碳、氫、硫、氧、氮等元素，氮不參與反應，因此只考慮其他四種元素的含量。

碳完全燃燒的反應：

可知1kg 碳需要氧氣為1.866m3；

氫燃燒反應：

可知1kg 氫需要氧氣為5.6m3；

硫燃燒反應：

可知1kg 硫需要氧氣為0.7m3；

1kg 秸稈中含氧［O］，即相當于提供了［O］×22.4/32=0.7［O］m3氧氣，則秸稈完全燃燒所需氧氣量［10］：

由表1 知，玉米秸稈中，主要元素含量：

則玉米秸稈完全燃燒需要的氧氣量：

3.6 氣化爐中玉米秸稈氣化所需空氣量的計算

圖5 氣化氣成分與空氣量的關系

3.7 主要部件的功能及結構

料斗：儲存生物質顆粒；

下料機構：下料機構的設計很關鍵，既要保證物料順利下落進入反應爐體，又要保證物料下降速度不能過快，以免造成物料在爐橋上的堆積。所設計的下料機構如圖6。工作時，下料機構兩端封閉，電動機帶動下料機構轉動。下料機構筒壁有一方形缺口，當缺口轉到料斗方向時，物料掉入下料機構內部，當下料機構轉到反應爐方向時，物料落入反應爐內。此下料機構具有結構簡單、操作方便、密封性較好、能夠實現連續工作等優點。

圖6 下料機構

觀察口：用于觀察爐內反應情況及點火；

爐橋：隔離反應區和爐底，保證空氣順利鼓入鼓風機：用于鼓入空氣；

出灰口：排出爐橋落入的灰分；；

一二級過濾筒：生物質氣中的雜質在過濾筒內因重力下降，分離氣體中灰分等雜質；雜質可由一二級出灰口排出。

此下吸式氣化爐的另一主要部件是爐橋。爐橋是隔絕灰室與反應區的部件，既要保證空氣能夠順利地從灰室進入反應區，又不能阻擋灰分下落，是固定床氣化爐中易損壞的部件。所涉及的上吸式生物質氣化爐體積小、成本低，故爐橋要結構簡單，易于拆卸。所設計的爐橋是用不銹鋼鋼條平行布置，焊接在環形鋼條上，傾斜安裝在爐膛內，可以從觀察口取出。傾斜放置時，爐橋截面為一橢圓，爐橋應為橢圓。爐橋外形如圖7。