秸稈連續氣化大型裝備的研究

續建康，張玉珍

1.山東紅帆能源科技有限公司，山東濟南 250101

2.濟南重工股份有限公司，山東濟南 250109

0 引言

能源是人類賴以生存和發展的重要物質基礎，目前我國正處在城鎮化,工業化快速發展階段，要保持經濟長期平穩較快發展，保障能源安全十分重要。而煤、石油、天然氣等傳統化石能源資源日益枯竭，迫切需要開發可再生的能源資源以補充和替代現有的化石能源。生物質作為重要的環境友好的可再生能源資源，是開發利用可再生能源資源實現可持續發展的一個主要方向。

我國潛在的生物質資源非常豐富。全國農作物年產生物質約7億噸，可作為燃料的生物質占50%以上。農產品加工廢棄物如稻殼、甘蔗渣、發酵殘渣等在2億噸以上。各類林木質廢棄物資源量在3億噸以上。據推測，到2020年，中國可開發生物質資源量至少可相當于15億噸標準煤。如何對這些生物質資源進行深層次、有效的開發利用成為我國建立資源節約型、環境友好型社會和社會主義新農村建設的迫切要求。

1 背景

生物質氣化是實現低品位生物質能源深層次利用的有效手段，可以減緩對化石燃料的嚴重依賴和直接燃用化石燃料帶來的嚴重環境污染，對提高農村生活水平、改善生態環境、保障國家能源安全等具有重要意義。我國政府近年來對生物質氣化逐漸重視起來，相關研究取得了一定成果，相關技術也已在國內進行了示范應用。

目前我國的氣化技術主要以固定床生物質氣化爐為主，總體上可分為上吸式和下吸式兩種。原料都是從設備上部投入，經過干燥、熱分解、還原、氧化。上吸式在設備底部用風機強制送風，在設備上部輸出燃氣。而下吸式在設備底部用引風機強制輸出燃氣。上吸式燃氣中的焦油含量高，凈化程序復雜，成本高。下吸式燃氣中的焦油含量低，凈化程序簡單，因而在市場上得到更多應用。但下吸式存在不能連續產氣，間歇運行造成大量原料浪費，產氣率低，燃氣質量也不高，難以應用于發電等諸多領域。而且技術開發還主要依賴于政府資金扶持，難以引起投資者的興趣進行工程開發。因此，開發一種具有高附加值，產氣量大且能連續運行的氣化裝備，尤其能夠為投資者帶來經濟效益的氣化裝備是十分必要的。

3 氣化裝備技術研發

3.1 系統簡介

本研究課題通過深入研究氣化過程中的影響因素，并根據氣化產生熱化學反應的能量轉化過程，研制開發了一種產氣量大，可連續運行，自動化程度高的生物質氣化裝備。設備整體性能指標得到大幅提升,氣化效率大于70%,燃氣熱值大于1250kcal/Nm3,出爐燃氣焦油含量小于1000mg/Nm3,氧含量小于1%。設備可以滿足連續穩定運行,可調控性能顯著提升,燃氣品質好,應用范圍廣，將實現對固定床氣化技術及設備的革新。

裝備主要由爐頂、爐膛、鏈條傳動、爐底、傳動軸、爐腰、爐頂攪拌配風、燃燒層配風、爐排、爐底排灰密封、爐排電動機等裝置及控制系統組成。工作流程為∶生物質原料由爐頂的螺旋進料器進入爐膛,由爐頂攪拌配風裝置拌合均勻,啟動引風和配風風機,根據氣化燃燒的特點和氣化劑供給量需求,通過爐頂攪拌配風裝置和燃燒層配風裝置對爐膛內進行主動配風。同時根據工況要求,啟動配風控制系統對配風過程進行實時控制和調節。通過引風機使氣化裝備底部形成微負壓,爐膛內燃燒氣化產生的燃氣由上而下輸出。系統燃燒所產生的灰分通過滾動爐排裝置連續排出,排灰裝置根據中央控制系統采集到的爐底灰層高度數據,實時啟動將灰渣及時排出。通過系統各裝置的協同工作,保證裝備系統的連續穩定運行。

圖1

圖2

本裝備具有以下特點：1）設計方案中采用主動配風，富氧燃燒的理念，研制主動配風裝置，自動調節氣化過程中所需氣化劑量及各層的溫度,優化氣化反應過程,使生物質在燃燒層內均勻充分燃燒,實現高產氣率、高熱值, 提高氣化效率；2）研制輸送便利且能相對密封的物料供給裝置，滿足主動配風環境要求；3）研制可以自動破渣，連續排灰的爐排裝置，提高氣化裝備自動化程度和連續工作能力；4）優化氣化結構，實現余熱的充分收集和氣化劑預熱，提高系統熱效率；5）建立完善的自動調控系統，保障氣化過程的自動，可靠地運行。裝備結構如圖1、圖2：

設備外景

中試試驗

3.2 重點零部件爐排裝置計算機有限元分析

爐排裝置采用RQTA122作為爐排材料。RQTA122在空氣環境中耐熱溫度達到1100℃,抗高溫、耐腐蝕性較好。利用Pro-E軟件建模和Ansys軟件對爐排裝置進行熱-力耦合分析研究。

溫度場分布云圖

位移場變化云圖

綜合溫度場和位移場云圖,爐排材料RQTA122滿足實際工況需求。

3.3 典型原料的氣化性能試驗分析

以玉米秸稈為原料進行氣化性能檢測分析：

可燃氣體成分隨配風量的變化趨勢

非可燃氣體含量隨配風量的變化趨勢

由圖分析，CO2的比例隨著配風總量的增加呈現先降后增的變化趨勢。當CO2的含量達到最低時，裝備內氣化運行狀況處于最佳狀態, 此時CO2充分還原轉化為CO。

燃氣熱值隨配風流量的變化趨勢

裝備各層反應溫度的變化趨勢

焦油含量隨配風流量的變化趨勢

焦油的裂解隨溫度的升高較為敏感，在800℃以上的高溫時，焦油的裂解率隨著氣化劑供應的增加而迅速升高。因此，通過氣化劑的調節，實現對焦油熱裂解去除具有重要意義。

原料產氣率隨配風流量的變化趨勢

配風流量在550～680m3/h為第一階段，這一區域氣化裝備產氣率較低，氣體中可燃氣體含量較低，燃氣質量較差。配風流量在680～910m3/h為第二階段，為可燃氣體占比例最高的一個階段。氧化、還原反應均衡，氣體反應處于最佳階段。配風流量在910m3/h以后，雖然原料產氣率較高，但隨著空氣量增加，燃氣中非可燃氣體占有的比重升高。

針對不同秸稈原料，課題組對裝備工作性能進行了現場測試，總結如下：

本裝備經北京市公共事業研究院檢測，裝備燃氣熱值達到5488KJ/Nm3，遠優于國家標準4600KJ/Nm3的規定，氧含量0.9%，完全符合行業標準的指標要求。

4 結論

本氣化裝備的燃氣生產連續性強,焦油裂解效率高,燃氣清潔性好,適合于規模化生產應用。對我國生物質氣化炊事、發電、供熱技術的工業化應用提供了可靠的依據。不僅可以實現生物質能源的高效利用，還可以直接推進農村經濟的可持續發展。同時也是貫徹黨中央國務院提出的可持續發展觀和科學發展觀，在促進我國經濟進步的同時，減少溫室氣體的排放，最大限度的保護好我們賴以生存的環境。

[1]董玉平，等.中國生物質氣化技術的研究和發展現狀，山東大學學報（工學版），2007，2.

[2]袁振宏，吳創之，馬隆龍.生物質能利用原理與技術[M].北京：化學工業出版社，2005.

[3]馬隆龍，吳創之，孫立.生物質氣化技術及其應用.北京：化學工業出版社，2003.