中部出氣的上吸式固定床氣化爐及其自動控制的料斗供料系統設計

杜海江，徐冰嬿，李宗楠，劉光華，董燕萍

(1. 中科院廣州電子技術有限公司，廣州 510070；2. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；3. 東莞市百大新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808)

中部出氣的上吸式固定床氣化爐及其自動控制的料斗供料系統設計

杜海江1，徐冰嬿2，李宗楠2，劉光華3，董燕萍3

(1. 中科院廣州電子技術有限公司，廣州 510070；2. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；3. 東莞市百大新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808)

改進的固定床上吸式生物質氣化爐，以錐形下料裙將氣化爐分成氣化室與儲料室兩部分，出氣口設在下料裙死角處。輸出的產出氣溫度在300 ℃以上、灰分少、熱值高，氣化效率高，兼具上吸式與下吸式氣化爐的優點，有效解決了常規上吸式氣化爐產出氣中焦油含量高、熱值低問題。自動控制的料斗供料方式保證了氣化爐運行的可靠性與安全性，擴展了生物質木料的適用范圍。實現產出燃氣在蒸汽鍋爐中代替煤、木材、油燃燒，可有效解決中小企業的用能問題，達到節能減排的目的。

中部出氣；固定床上吸式氣化爐；料斗供料

0 引 言

近年來應用于生物質能源的上吸式氣化爐、下吸式氣化爐及循環流化床氣化爐在發電、農村供熱及烘干等應用方面都得到了快速發展，而且在生物質氣化的機理、過程、影響因素等方面的理論研究取得了大量成果，對氣化爐本體結構與性能的研究也取得了重大進步并積累了豐富經驗[1]。但是目前國內已經應用的生物質氣化裝置普遍存在產出可燃氣中焦油與氮氣含量較高、熱值與氣化效率較低、自身熱損失較大等問題[2]。生物質能要真正成為化石能源的替代能源，關鍵是要將能量密度低的低品位生物質能轉變成高品位能源，如何有效地將生物質轉化為潔凈的高品位能源，是該領域目前的重要研究課題。

過去的研究結果證明，通過對常規固定床上吸式氣化爐改進，原料中的水分參加氣化反應可使反應后的H2及CH4的含量平均提高2%～3%，可燃氣熱值提高1 200 KJ/Nm3，關鍵是使干燥后的生物質避免經過低溫熱分解區立即進入高溫熱分解區[3]。基于此研究結果研發的實用型中部出氣氣化爐，可有效解決產出可燃氣中焦油問題，自動控制技術的應用保證了氣化爐的穩定運行，實現了生物質燃氣在蒸汽鍋爐中代替煤、木材、油燃燒，料斗方式間歇供料，使得塊狀及枝條狀生物質木料亦可直接應用。

1 中部出氣的固定床上吸式氣化爐

常規上吸式氣化爐是氣固逆流式的氣化爐，產出的可燃氣經氣化還原層、熱分解層、干燥層從爐頂部排出，可燃氣中帶有一定量的水分與焦油。雖具有氣化效率高、氣化強度高、除灰份以外無其它固體可燃剩余物等優點，但同時存在產出氣體中焦油含量相對較多、氣體質量相對較差的缺點。而下吸式氣化爐是氣固順流式氣化爐，原料與空氣同時從氣化爐頂部加入，產出氣與灰從下部排除，氣化過程中生成的焦油部分被高溫熱裂解，因此產出氣中焦油含量相對較少，但含有較多灰分。

文中所述的中部出氣固定床上吸式氣化爐是新型交錯流氣化爐，結構如圖1所示，采用了氣固順流與逆流的優點，使干燥層所排出的水分隨氣體下行時參加氣化反應，而經熱分解層產生的焦油，經高溫裂解而使含量降低。氣化爐主體結構以一個錐形的下料裙分成上下兩部分，下部為以熱解、氧化、還原反應為主的氣化室，上部為以干燥為主的儲料室。原料從料斗落到爐本體中會因下料裙的原因形成一個自然環狀死角空間，這個空間就成了一個自然的“集氣走廊”， 可燃氣出氣口就設在此死角空間處。熱分解氣化后的可燃氣先聚集在此環形的“集氣走廊”中，由“集氣走廊”排入出氣口。這樣的設計不僅大大減少了輸出燃氣中的飛灰，同時出氣口設在干燥層的下部，燃氣輸出沒有經過干燥層，所以輸出燃氣的溫度較高，降低了燃氣中焦油釋出的可能性，焦油成份可以隨燃氣一起輸送并在鍋爐爐膛中燃燒，焦油成份熱值的利用不僅產出可燃氣的熱值得到提高，也解決了焦油凝聚堵塞而引起的設備運行可靠性問題。此外，當儲料室充滿原料時，壓力差的原因使氣體通過料層的阻力大于從出氣口導出的阻力，避免了煙氣通過進料口外溢的可能性。

圖1 中部出氣上吸式氣化爐結構圖

中部出氣的上吸式氣化爐解決了幾個關鍵問題：一是從底部經燃燒區，還原區上升的氣體經高溫熱分解區排出爐外，避免了低溫熱分解，減少焦油產量，提高氣體質量；第二是使氣體中水份經干燥區釋出后向下流動參加氣化反應，提高產出氣熱值；此外產出氣中的飛灰大大減少。因此中部出氣結構綜合了常規上吸式氣化爐與下吸式氣化爐的優點，出氣口位置即錐形下料裙位置是氣化爐設計的關鍵。在上吸式氣化爐中反應溫度是隨著反應層高度(料層高度)的增加而減小的，在運行中當其它條件如生產量、空氣比等已經確定時，反應層高度反映了反應溫度，為了獲得質量比較高的產出氣必須控制較高的熱分解區溫度，這可以通過控制反應層高度來實現[3]。通過料層溫度測試實驗確定出氣口位置距離爐柵1.5 m附近為最佳，此時可保證輸出氣溫度不低于300 ℃，低位熱值5 830 kJ/Nm3，燃氣流量1 000 Nm3/h以上，適應于2～3 T/h蒸汽鍋爐的氣化爐設計數據見表1。

表1 設計數據

2 采用料斗方式的氣化爐上部供料結構

針對循環流化床氣化爐的生物質原料，如顆粒料、切段后的秸稈、木糠等可以采用螺旋推進方式供料[4]。但對固定床上吸式氣化爐來說，其優點之一是適用的生物質料寬泛，包括枝條狀或不規則塊狀的生物質木料，在無法采用螺旋推進方式供料時，料斗間歇供料是較佳選擇。料斗方式供料時，必須對爐內料位高度檢測、爐頂落料口處的密封、料斗運行控制等整個供料系統進行完善設計及控制，否則氣化爐運行的可靠性無法保證，進而影響其應用與推廣。翻蓋式落料密封結構煙塵外溢嚴重[5]，圖2是改進后的料斗供料結構圖，主要由料斗、豎直提拉支架、水平移動支架、氣化爐落料口的水隔密封閘閥、料位檢測擺桿組成。家俱廠剩余的生產廢木料或其它枝條及塊狀木料簡單鋸斷后填入料斗，料斗由提拉鋼纜沿豎直方向支架提升一定高度后沿水平支架平移到氣化爐落料口上方，再下落到氣化爐落料口處，運動軌跡如圖中虛線所指。此時料斗下部與氣化爐落料中間倉入口吻合。位于落料中間倉中的水隔密封閘閥在汽缸驅動下沿水平方向滑動打開落料口，料斗中的木料在重力作用下掉落到氣化爐中。落料過程中，料斗代替密封推拉閘門，起到氣化爐上蓋的密封作用。

圖2 料斗供料方式結構圖

圖3 料斗結構圖

料斗結構如圖3所示，為立方體鐵箱，上部為活動蓋板，打開時添加生物質木料入箱內，然后合上蓋板并由鎖扣與箱體合二為一。料斗箱體的下部底板為兩扇可沿轉軸擺動而打開、閉合的鋼板門，提拉鋼纜受力上拉時兩扇底板閉合，當料斗與氣化爐落料口接觸吻合后，鋼纜繼續放松則底板失去拉力，在斗內木料的重力作用下打開，木料自然下落到氣化爐內。

3 料層高度檢測

氣化爐料斗供料是間歇式的，因此控制生物質料在爐內的料位高度非常重要，料位不足將導致爐內溫度快速上升，尤其氣化爐上部供料口部位的溫度升高更為顯著，嚴重者將燒毀供料口。但是，氣化爐內環境惡劣，煙、塵、焦油、水蒸汽及生物質料的搭橋縫隙等，使得常規的光電方式、超聲波方式的料位檢測在此均無法應用，因此尋找一種簡單、可靠的料位高度檢測方式成為關系到氣化爐能否可靠應用的關鍵。圖2中的“擺桿”為設計的料位檢測裝置的側視圖，圖4為其俯視圖。料位檢測裝置包括：一個貫穿氣化爐內外的轉動軸，轉動軸的下部設置有一根“L”型擺桿，由汽缸驅動擺桿往復轉動，接近開關傳感器檢測擺桿的轉動位置。安裝時，使擺桿位于氣化爐內的預定高度處，平時擺桿置于氣化爐一側的初始位置，在PLC控制下，汽缸驅動擺桿轉向氣化爐另一側的終極位置，如果此時氣化爐的料位高于擺桿所在高度，則擺桿無法擺動到終極位置，如果料位低于擺桿所在高度，則擺桿會順利轉向終極位置。PLC每隔一定時間控制驅動汽缸擺動一次擺桿，即可實現自動檢測料位。

圖4 料層高度檢測結構

料位檢測裝置的可靠運行不僅是實現加料自動化的前提，而且可以保證爐內物料高度在2 m 以上，保證氣化反應的連續性與穩定性。

4 落料口密封結構

上吸式氣化爐的上部落料口必須設有一置于爐頂的頂蓋門，落料時頂蓋門打開才能添進生物質料，填料完畢再蓋合頂蓋，這一過程中必須保證氣化爐內外環境的隔離密封。如果外部空氣進入爐內輕則影響生物質氣化進程與效果，嚴重時將產生爆燃事故。此外，爐內燃氣外溢將影響設備與周圍環境的潔凈，對周邊產生污染。

圖5為設計的落料入口密封結構，氣化爐頂蓋門為一置于水平導軌上并由汽缸驅動的推拉門，其兩側設有垂直折邊置于水槽中，在推拉門的開啟或關閉過程中，折邊始終浸于水槽內的液體中，形成水隔密封結構，可以有效防止氣化爐內燃氣與灰塵經落料口外溢，及避免外部空氣經落料口進入氣化爐內。落料時，料斗下部與氣化爐落料入口接觸吻合，推拉門被橫向打開，料斗下底板在提拉鋼纜失去提拉作用力時依靠重力自然打開，木料落于氣化爐體內。推拉門打開時的密封由料斗箱體替代頂蓋完成，落料完成后推拉門重新閉合，此時落料中間倉內會存有少量外溢煙氣，由風機及排空管道排空。

圖5 落料口密封結構

5 供料系統的自動控制

以三菱FX2N系列PLC為控制器，配合輸入輸出控制模塊及中間繼電器實現的供料系統控制原理框圖如圖6所示，根據供料過程分為料位檢測控制程序、料斗運行控制程序、密封推拉門控制、中間倉溢漏排空控制。控制系統以觸摸屏為人機操作界面，除自動控制外尚設計有手動操作控制。一個完整的供料過程控制順序如圖7所示。

圖6 PLC控制原理框圖

圖7 供料過程控制流程圖

6 在蒸汽鍋爐中的應用及運行結果分析

以中部出氣氣化爐產出燃氣為燃料在蒸汽鍋爐中代油燃燒一體化系統結構如圖8所示，基于此系統建設的能源管理中心，為中心周邊中小企業提供蒸汽能源，有效解決了企業的能源問題，淘汰了企業的燃煤、油小鍋爐。系統實際運行數據見表2，鍋爐尾氣排放數據見表3。

表2 氣化爐運行結果數據

表3 鍋爐尾氣排放數據[6]

* 《大氣污染物排放限值》(DB44/27-2001)第1時段二級標準

常規上吸式氣化爐在實際應用時面臨三個需要解決的問題：一是提高氣體質量，減少焦油產量；二是使原料中的水份參加氣化反應避免混在燃氣中，以提高燃氣的實際熱值；三是解決加料操作時的煙氣外溢。中部出氣氣化爐有效解決了這幾個問題，出氣口設在氣化爐中部使得燃氣輸出溫度保持在300 ℃以上，焦油成份呈氣化狀態隨燃氣一起在鍋爐爐膛中燃燒，不僅有效避免的焦油凝結對設備可靠性的影響與二次污染問題，而且充分利用了焦油的熱值，因此氣化系統的總熱值及氣化總效率都得到提高。此外提高氣化爐氧化還原區反應溫度，避免低溫熱分解，也是提高氣化速率與氣體質量的重要因素，而選擇在氣化爐中部出氣，有效實現了氣化反應在高溫下進行的需要。

應用該氣化爐的蒸汽鍋爐的尾氣排放SO2、NOx、煙塵等實測數據均顯著低于《大氣污染物排放限值》(DB44/27-2001)第1時段二級標準規定的指標，無需對鍋爐尾氣治理即可直接排放。氣化強度在300～450 kg/(m2·h)之間都可得到穩定的操作與運行，運行的結果表明1 kg木料需要1 m3的助燃空氣，氣化后可得到2 m3的生物質燃氣，以空氣為氣化劑的木質生物質燃氣的熱值在5～6 MJ/Nm3之間。

系統在東莞市某五星級酒店的實際應用證明經濟效益明顯，該酒店每天用蒸汽24 t，改造前鍋爐以重油為燃料，改造后用生物質燃氣為燃料，只要3～3.5 t廢木料氣化產生的生物質燃氣所產生的能量與1 t重油所產生的能量相當，參照目前的市場價格，3 t廢木料只需1 500元左右，而1 t重油卻要3 500元，原料成本節省57%。

7 結論語

文中所述中部出氣氣化爐及料斗供料系統已成功應用于東莞百大新能源有限公司的2～3 T/h的生物質氣化集中供汽能源管理中心，系統自動化程度高，運行可靠穩定。生物質料主要來自家俱企業的生產剩余邊角廢木料，其中大部分均可直接投放，無需破碎烘干，降低了生物質利用的成本，具有顯著的經濟及社會效益。應用結果說明中部出氣的上吸式氣化爐及生物質燃氣在鍋爐中代替煤、木材、油燃燒，在技術上是可行的，經濟效益和環保效益是明顯的，可以有效解決中小企業的用能問題，達到節能減排的目的。

[1] 吳金卓，馬 琳，林文樹.生物質發電技術和經濟性研究綜述[J].森林工程，2012，28(5)：102-106.

[2] 吳創之，劉華財，陰秀麗. 生物質氣化技術發展分析[J] . 燃料化學學報, 2013, 41(7):798-804.

[3] 趙連臣，李曉偉，王貴路，等. 生物質氣化的研究與應用[J] .可再生能源, 2008, 26(6):55-58.

[4] 杜鵬東.生物質固化成型機控制系統的綜述[J].森林工程，2013，29(5)：76-78.

[5] 徐冰燕，羅曾凡，陳小旺，等. 上吸式氣化爐的設計與運行[J] . 太陽能學報, 1988, 9(4):358-368.

[6] 趙 力，景元琢，劉國喜. 下吸式固定床生物質氣化爐的加料裝置[J] .可再生能源, 2009, 27(1):85-87.

[7] 劉光華. 大型生物質氣化裝置[P]. 中國: CN200620058696.4, 2007.

[8] 陸長清，王世芬，劉光華. 改進型生物質上吸式固定床氣化爐的應用與效益分析[J] . 江西科學, 2014, 32(2):212-214.

Updraft Fixed-bed Biomass Gasifier with Gas Outlet in the Middle Position and its Automatic Hopper Feeding System

DU Hai-jiang1, XU Bing-yan2, LI Zong-nan2, LIU Guang-hua3, DONG Yan-ping3

(1.Chinese Academy of Sciences Guangzhou Electronic Technology CO., Ltd., Guangzhou 510070, China; 2.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3.Dongguan Baida New Energy Shares CO., Ltd., Dongguan 523808, Guangzhou Province China)

An improved fixed-bed updraft biomass gasifier, is divided into two parts, i.e. gasification chamber and storage chamber by a tapered feeding skirt. The gas outlet of the gasifier is designed in the corner of the skirt. This gasifier possesses the advantages of both updraft gasifier and downdraft gasifier, with high gasification efficiency, the outlet gas has the characteristics of temperature higher than 300℃, low ash content and high calorific value. The proposed method solves the problem of high tar content and low calorific value of conventional updraft gasifier. The hopper feeding method expands the scope of biomass material, and the automatic control provides the reliability and safety of the system. Using the outlet gas of gasifier as fuel of boiler instead of coal, wood, or oil，will effectively solve the energy problem of small and medium-sized enterprise , and achieve the purpose of energy -saving and emission-reduction.

Output gas in the middle position; Updraft fixed-bed biomass gasifier; Hopper feeding

2014-10-20

2014-12-10

杜海江(1964-)，男，高級工程師，中國科學院廣州電子技術研究所(中科院廣州電子技術有限公司)，從事電子產品設計研發、及工業自動化工程應用工作。

2009年廣東省中科院戰略合作項目(200-9B0913 00009)；2011年廣東省重大科技專項(2011A080803002)；2012年廣東省重大科技專項(2012A080103002)

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.007

TK6；TP273+.2

A

1009-3230(2015)01-0023-06