1 000 m3下吸式固定床氣化爐的研制

劉 原，許東來，王新雷，安亞群

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

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1 000 m3下吸式固定床氣化爐的研制

劉 原，許東來，王新雷，安亞群

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

介紹了下吸式固定床生物質(zhì)氣化爐的氣化原理，并結(jié)合其出現(xiàn)的問題和現(xiàn)有技術(shù)條件，設(shè)計了一種適合中小規(guī)模鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級的新型下吸式氣化爐。該氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，運行穩(wěn)定，產(chǎn)氣量大。同時采用空氣-水蒸氣為氣化劑，并加裝余熱回收裝置產(chǎn)生蒸汽和可升降破穿孔裝置，明顯提高氣化氣品質(zhì)，有利于秸稈氣化技術(shù)的推廣。

下吸式固定床氣化爐；氣化原理；氣化劑

生物質(zhì)能作為一種重要的可再生能源，與人類的生產(chǎn)活動息息相關(guān)，是非常重要且廉價的可存儲和運輸?shù)目稍偕茉础Ｊ澜绺鞯厣镔|(zhì)年產(chǎn)量約合1 700億t，所蘊含的能量相當(dāng)于全球消耗主要燃料的10倍左右，但其能源的利用率還不足1%[1]。隨著化石能源的日趨緊張，生物質(zhì)能將在未來能源結(jié)構(gòu)體系中占有極其重要的地位[2]。根據(jù)預(yù)測，我國每年生產(chǎn)50余億t的生物質(zhì)，其中僅約6億t被用作能源，主要作為農(nóng)民的生活和生產(chǎn)用能，且能源利用率較低，僅為 10%～20%[3]。提高生物質(zhì)能的利用效率，對節(jié)約常規(guī)能源、減少環(huán)境污染、保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

生物質(zhì)利用的主要技術(shù)方式為生物質(zhì)氣化，主要方式為秸稈氣化集中供氣，其中關(guān)鍵設(shè)備是氣化爐[4]。而固定床下吸式氣化爐因其燃?xì)饨?jīng)過高溫區(qū)的特性，氣化氣焦油含量相對較少而得到比較廣泛的應(yīng)用。但已建成的生物質(zhì)氣化供氣系統(tǒng)依然存在氣化爐產(chǎn)氣量低，供氣規(guī)模過小，燃?xì)鉄嶂档停\行不穩(wěn)定等問題[5]，限制了其推廣發(fā)展。因此筆者設(shè)計一種適合中小規(guī)模鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級使用的新型1 000 m3產(chǎn)氣量下吸式氣化爐。

1 下吸式氣化爐工作原理與氣化劑選擇

1.1 下吸式氣化爐工作原理 秸稈氣化的基本原理是將秸稈原料加熱，析出揮發(fā)物，并在高溫下裂解成CO、H2、CH4等可燃性氣體，在轉(zhuǎn)換過程中要加氣化劑(空氣、氧氣或水蒸氣)，其產(chǎn)品主要指可燃性氣體與N2等的混合氣體。

下吸式氣化爐工作原理如圖1所示，在氣化過程中，秸稈在氣化爐內(nèi)分為干燥層、熱解層、氧化層、還原層。物料從氣化爐頂部依次經(jīng)過各反應(yīng)層，物料在干燥層中受熱輻射作用吸收熱量，溫度達到100～300 ℃，水分蒸發(fā)變成干物料。隨著反應(yīng)的進行，物料消耗床層下移，物料進入熱解區(qū)，溫度保持在400～750 ℃左右，物料中的揮發(fā)份析出，生物質(zhì)逐漸分解成炭、揮發(fā)份、焦油等成分。生成的炭隨著料層的下移進入氧化區(qū)，并與此反應(yīng)區(qū)氣化劑中的空氣進行氧化反應(yīng)，主要生成CO2、水和CO，并釋放大量的熱量，溫度可達1 100～1 200 ℃，這些熱量為整個生物質(zhì)氣化各反應(yīng)層提供熱量。還原區(qū)為吸熱反應(yīng)，溫度達700～900 ℃，未反應(yīng)完全的炭和CO2在這里還原成CO。同時水會在氣化爐內(nèi)與炭進行還原反應(yīng)生成CO和H2，以及發(fā)生甲烷化反應(yīng)生成CH4。各種揮發(fā)份和焦油經(jīng)過高溫區(qū)域后會裂解成各種可燃?xì)怏w[6]。

圖1 下吸式氣化爐工作原理

1.2 生物質(zhì)氣化劑選擇 生物質(zhì)氣化劑主要有空氣、氧氣、水蒸氣、空氣(氧氣)-水蒸氣等[7]。以空氣為氣化劑最為簡單經(jīng)濟，但由于空氣中含有大量N2，所產(chǎn)燃?xì)釴2含量高達 50%左右，使得燃?xì)鉄嶂惦y以提高，熱值多在4～5 MJ/m3；以氧氣為氣化介質(zhì)的氣化過程，其過程原理與空氣氣化相同，但沒有隋性氣體N2稀釋反應(yīng)介質(zhì)，燃?xì)鉄嶂悼蛇_12～16 MJ/m3，但氧氣制取成本高；以水蒸氣為氣化介質(zhì)的氣化過程，它不僅包括水蒸氣和炭的還原反應(yīng)，還有CO與水蒸氣的變換反應(yīng)等各種甲烷化反應(yīng)，其熱值也可達到 11～18 MJ/m3，水蒸氣氣化的熱源來自外部熱源及蒸氣本身熱源，該技術(shù)復(fù)雜，不易控制和操作；以空氣(氧氣)和水蒸氣同時作為氣化劑的氣化過程，合適的空氣量和蒸氣量，既能保證系統(tǒng)自供熱，不需要復(fù)雜的外供熱源，又能生成含有更多H2及碳?xì)浠衔锏娜細(xì)猓岣呷細(xì)鉄嶂怠Ｒ虼耍P者選用空氣-水蒸氣作為氣化劑。

2 下吸式氣化爐結(jié)構(gòu)、設(shè)計要求與主要參數(shù)設(shè)計計算

2.1 氣化爐設(shè)計要求 依據(jù)項目要求，綜合現(xiàn)有技術(shù)條件，氣化爐技術(shù)指標(biāo)為產(chǎn)氣量Vg=1 000 Nm3/h，燃?xì)鉄嶂礠g≥6 000 kJ/Nm3。氣化爐主要面向鄉(xiāng)鎮(zhèn)，用來供氣和發(fā)電，因此氣化爐需要結(jié)構(gòu)簡單可靠，便于操作，產(chǎn)氣量大，長時間穩(wěn)定運行。

2.2 氣化原料選取與燃?xì)獬煞?目前我國大部分秸稈氣化所使用的原料為農(nóng)作物秸稈，也是我國農(nóng)村最常見的農(nóng)業(yè)廢棄物。它的資源分布廣，成本低，主要有4種原料：棉柴、玉米秸、麥秸、棉花秸、稻草。因此，設(shè)計中選取這幾種常見生物質(zhì)秸稈的參數(shù)平均值作為設(shè)計依據(jù)。4種秸稈原料的干燥基元素分析及熱值見表1，工業(yè)分析見表2[8-9]。

表1 元素分析及熱值

表2 工業(yè)分析 %

不同類型的氣化爐，燃?xì)獬煞謺兴町悾粴饣癄t不同的工況、不同的生物質(zhì)原料時，燃?xì)獬煞忠膊煌Ｈ細(xì)庵饕珻O、H2、CH4、CO2、N2和少部分未裂解完全的焦油。

2.3 下吸式氣化爐各主要參數(shù)設(shè)計計算

2.3.1 空氣當(dāng)量比ER。當(dāng)量比是指生物質(zhì)在氣化過程中所消耗的空氣量(氧量)與完全燃燒所需要的理論空氣量(氧量)之比，是影響燃?xì)馄焚|(zhì)的重要因素，圖2為氣化氣成分與ER的關(guān)系[10]。ER增大，物料燃燒加快，為氣化過程提供更多熱量，有利于氣化反應(yīng)，氣化效率提高，但是容易使得爐內(nèi)溫度過高出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象。此外，ER的增大還會導(dǎo)致燃?xì)庵蠧O2、N2含量的增加，從而降低燃?xì)鉄嶂怠R過小會直接導(dǎo)致氣化過程中氧化反應(yīng)釋放熱量不足，氣化反應(yīng)不完全，使得可燃?xì)饨褂秃吭黾樱扇細(xì)怏w產(chǎn)率減小。從圖2可知，一般氣化系統(tǒng)ER取值為0.2～0.4，可使得氣化反應(yīng)良好進行。考慮到該氣化爐采用水蒸氣-空氣作為氣化劑，由于水蒸氣的因素，比單純空氣氣化需要更多熱量，可以取ER為0.25。

圖2 當(dāng)量比與氣化氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

2.3.2 氣化強度Φ。氣化強度是指氣化爐單位截面積單位時間內(nèi)氣化的生物質(zhì)量，kg/(m2·h)。固定床氣化爐由于其床層不穩(wěn)，反應(yīng)不平均易燒穿等的反應(yīng)特性，氣化強度一般為100～300 kg/(m2·h)[10-11]。筆者取氣化強度Φ=250 kg/(m2·h)。

2.3.3 理論空氣量VL。理論空氣量VL是指每公斤原料完全燃燒所需的空氣量， m3/kg。

(1)

式中,VL為物料完全燃燒理論空氣量，m3/kg；C為每千克物料中碳元素含量，%；H為每千克物料中氫元素含量，%；S為每千克物料中硫元素含量，%；O為每千克物料中氧元素含量，%。筆者將農(nóng)村4種常見秸稈的元素含量取平均值，C：43.00%，H：5.38%，O：38.7%，N：0.93%，S：0.10%。代入式(1)可得，理論空氣量VL=3.96m3/kg。

2.3.4 氣化反應(yīng)實際氣化空氣量Vo。實際氣化空氣量：

Vo=α×VL

(2)

將α=0.25，VL=3.96 m3/kg代入上式可得，Vo=0.99 m3/kg。

2.3.5 原料轉(zhuǎn)化率Tm及氣化效率η。氣化效率是指單位燃料轉(zhuǎn)換成氣體燃料的化學(xué)能(熱值)與生物質(zhì)原料的熱值之比，是衡量氣化過程的主要指標(biāo)。氣化效率：

(3)

式中，η為氣化效率；Tm為每千克原料產(chǎn)出的燃?xì)饬考丛限D(zhuǎn)化率， Nm3/kg；Qg為氣化燃?xì)獾臀粺嶂担?kJ/Nm3；Qm為原料低位熱值，kJ/kg。原料低位熱值Qm筆者取4種常見秸稈原料的平均熱值，即Qm=17 555 kJ/kg；依據(jù)《秸稈氣化供氣系統(tǒng)技術(shù)條件及驗收規(guī)范》(NY/T443-2001)的技術(shù)指標(biāo)[12]，該指標(biāo)規(guī)定氣化效率η≥70%；筆者規(guī)定所產(chǎn)燃?xì)鉄嶂礠g≥6 000 kJ/Nm3。代入式(3)可得：Tm=2.05 Nm3/kg。

2.3.6 原料消耗量Mm。原料消耗量：

(4)

式中,Mm為原料消耗量，kg/h；Vg為產(chǎn)氣量， Nm3/h；Tm為原料轉(zhuǎn)化率， Nm3/kg。將數(shù)據(jù)代入公式(4)，可得Mm=487.8 kg/h。

2.4 氣化爐主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計計算

2.4.1 氣化爐爐膛截面積S與內(nèi)徑D。

(5)

(6)

將原料消耗量Mm=487.8 kg/h，氣化強度Φ=250 kg/(m2·h)，代入上述兩式可得，S=1.95 m2，D=1.58 m，取D=1.6 m。

2.4.2 氣化爐高度設(shè)計計算。秸稈在氣化爐內(nèi)有一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程與熱力過程，要使得這些關(guān)鍵過程能正常進行就必須保證各種揮發(fā)物與氣化劑在爐內(nèi)高溫區(qū)有足夠的滯留間。揮發(fā)物以焦油等大分子化合物為主，因此以焦油裂解的停留時間為參照，在900～1 200 ℃時停留時間一般為0.5～4.0 s[13-14]，該研究氣化爐滯留時間t=1.5s。

氣體在爐膛內(nèi)的流速：

(7)

爐內(nèi)揮發(fā)物的主要反應(yīng)區(qū)域為氧化區(qū)和還原區(qū)，這兩個反應(yīng)區(qū)的高度為H1。

H1=υ×t

(8)

將數(shù)據(jù)代入上式,可得H1=1m。

為了使原料能充分干燥，揮發(fā)物能在裂解區(qū)充分析出，以及保證爐內(nèi)的原料能夠在一定的壓力作用下穩(wěn)定地向下移動，干燥、裂解區(qū)應(yīng)有足夠厚度，取這兩層厚H2=0.8m。同時料層頂部需要預(yù)留壓實撫平機構(gòu)的運動空間，取高度為H3=0.4m。

由于該氣化爐的灰渣是實時排出，因此不需要很大的儲灰空間，只需要保證出灰機構(gòu)有足夠的運行空間。因此氣化爐灰處理部分的高度以實際設(shè)計為準(zhǔn)，筆者設(shè)計其高度為H0=1m。

該氣化爐總高度H=H0+H1+H2+H3=3.2m，其中反應(yīng)區(qū)爐膛高度H=H1+H2+H3=2.2m。

2.5 氣化爐結(jié)構(gòu) 根據(jù)下吸式氣化爐原理以及上述設(shè)計計算，筆者設(shè)計的1 000 m3下吸式固定床氣化爐結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用空氣-水蒸氣為氣化劑，從氣化爐中部和頂層通入，使得氣化劑在爐內(nèi)分布均勻。進料口設(shè)在頂層，出灰口和燃?xì)獬隹谠O(shè)在底層，同時中心設(shè)有破穿孔機構(gòu)，底層設(shè)有余熱蒸氣發(fā)生器。

注：1.氣化劑通入管道；2.破穿孔裝置；3.下料裝置；4.中層爐膛；5.下灰裝置；6.燃?xì)獬隹冢?.出灰裝置；8.余熱蒸氣發(fā)生器。圖3 下吸式氣化爐結(jié)構(gòu)

2.6 氣化爐輔助結(jié)構(gòu)與功能

2.6.1 中心破穿孔機構(gòu)。 下吸式固定床氣化爐在運行時容易出現(xiàn)炭層穿孔，氣化劑直接與氣化氣燃燒影響燃?xì)馄焚|(zhì)，造成溫度升高，如不處理會造成炭層崩塌導(dǎo)致反應(yīng)不能進行。目前大部分氣化爐的處理方式是從秸稈原料入手，通過秸稈原料的切碎或成型壓塊處理，使其尺寸變小更均勻，堆積密度變大，從而減少穿孔的出現(xiàn)幾率。但仍然會出現(xiàn)穿孔，而且成本較高，出現(xiàn)穿孔后也沒有相應(yīng)處理措施。因此筆者設(shè)計一套可升降式破穿孔裝置，其結(jié)構(gòu)原理圖與實體模型見圖4。此裝置可以相互獨立進行升降和旋轉(zhuǎn)，從而對不同炭層的穿孔進行處理。出現(xiàn)穿孔時，通過升降機構(gòu)下降到相應(yīng)位置，T型桿旋轉(zhuǎn)進行破穿孔操作，完成后返回上部低溫區(qū)。通過實際運行測試，其效果明顯。

注：1.破穿孔升降傳動裝置；2.破穿孔水平旋轉(zhuǎn)傳動裝置；3.T型桿。圖4 破穿孔裝置原理圖與實體模型

2.6.2 余熱蒸氣發(fā)生器。蒸氣發(fā)生器利用氣化爐底層灰室的余熱加熱底層夾套內(nèi)的水來產(chǎn)生蒸氣，避免了額外增加一套蒸氣發(fā)生器導(dǎo)致成本增加，實現(xiàn)能量的回收利用。其結(jié)構(gòu)簡圖見圖5。

3 結(jié)語

該氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，運行成本低，產(chǎn)氣量合適，采用空氣-水蒸氣為氣化劑，避免了N2對燃?xì)馄焚|(zhì)的影響，專門設(shè)計了余熱利用裝置產(chǎn)生蒸氣，同時加裝可升降破穿孔裝置，結(jié)構(gòu)簡單，效果明顯，提高了氣化爐運行穩(wěn)定性與燃?xì)馄焚|(zhì)。通過8 h連續(xù)運行測試，該氣化爐點火20 min后開始產(chǎn)氣，運行期間每隔1 h取氣檢測，通過5次檢測，燃?xì)鉄嶂灯骄_到5.5 MJ/m3，且期間運行平穩(wěn)。該氣化爐主要面向中小規(guī)模商業(yè)使用，相對于其他大型氣化設(shè)備的投資運行成本高與小型設(shè)備產(chǎn)氣量不足穩(wěn)定性差等問題，該氣化爐可以很好綜合產(chǎn)氣量與成本低的要求，適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級供氣，對秸稈氣化的推廣有很好的推動作用。

圖5 余熱蒸氣發(fā)生器

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Development of 1 000 m3Downdraft Fixed-bed Biomass Gasifier

LIU Yuan, XU Dong-lai, WANG Xin-lei et al

(Beijing University of Technology, Beijing 100124)

The gasification principle of downdraft fixed-bed biomass gasifier was introduced, combined with the existing problems and current technical conditions,a new type downdraft gasifier which suitable for small and medium size or township level was designed. The gasification gasifier structure is simple, convenient operation, running stability, large gas production. At the same time using air-water vapor as gasification agent, and installation of waste heat recovery device to generate steam and the lifting break perforation device, significantly improve the quality of gasification gas, it is conducive to the promotion of straw gasification technology.

Downdraft fixed-bed biomass gasifier; Gasification principle; Gasification agent

劉原(1989-)，男，江西贛州人，碩士研究生，研究方向：現(xiàn)代機械系統(tǒng)設(shè)計。

2015-04-21

S 216.7

A

0517-6611(2015)17-285-03