下吸式生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)

任永志(遼寧省能源研究所營口　115000)

董立明(遼寧省營口市環(huán)境監(jiān)測中心站營口　115003)

　　摘要：介紹了下吸式生物質(zhì)氣化爐的工作原理、特點(diǎn)，以及主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　下吸式生物質(zhì)氣化爐由于具有結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，產(chǎn)出氣的焦油含量低等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。生物質(zhì)氣化過程是一個(gè)復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)過程，生物質(zhì)氣化爐各部位結(jié)構(gòu)尺寸將極大地影響氣化爐的熱效率、產(chǎn)氣成分和產(chǎn)氣品質(zhì)，所以設(shè)計(jì)合理的生物質(zhì)氣化爐是有效利用生物質(zhì)能的關(guān)鍵。下面針對(duì)下吸式氣化爐的特點(diǎn)介紹其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　1下吸式生物質(zhì)氣化爐的工作原理

　　如圖1所示，作為氣化劑的空氣從氣化爐側(cè)壁空氣噴嘴吹入，產(chǎn)出氣的流動(dòng)方向與物料下落的方向一致，故下吸式氣化爐也稱為順流式氣化爐。吹入的空氣與物料混合燃燒，這一區(qū)域稱為氧化區(qū)，溫度約為900~1200℃，產(chǎn)生的熱量用于支持熱解區(qū)裂解反應(yīng)和還原區(qū)還原反應(yīng)的進(jìn)行；氧化區(qū)的上部為熱解區(qū)，溫度約為300~700℃，在這一區(qū)域，生物質(zhì)中的揮發(fā)分(裂解氣、焦油以及水分)被分離出來；熱解區(qū)的上部為干燥區(qū)，物料在此區(qū)域被預(yù)熱；氧化區(qū)的下部為還原區(qū)，氧化區(qū)產(chǎn)生的CO2、炭和水蒸氣在這一區(qū)域進(jìn)行還原反應(yīng)，同時(shí)殘余的焦油在此區(qū)域發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生以CO和H2為主的產(chǎn)出氣，這一區(qū)域的溫度約為700~900℃。來自熱解區(qū)富含焦油的氣體須經(jīng)過高溫氧化區(qū)和以熾熱焦炭為主的還原區(qū)，其中的焦油在高溫下被裂解，從而使產(chǎn)出氣中的焦油大為減少。

　　2下吸式生物質(zhì)氣化爐的特點(diǎn)

　　①氣化爐料斗下部橫截面尺寸較小的部位稱為“喉部”，“喉部”尺寸的大小決定了氣化爐的產(chǎn)氣能力和產(chǎn)氣品質(zhì)。

　?、跒楸ＷC物料與空氣的充分混合，在“喉部”布置多個(gè)空氣噴嘴。一般有外噴(空氣由喉部外壁向中心噴射)和內(nèi)噴(空氣由喉部中心供氣管向外噴射)兩種布置形式，其中第一種形式應(yīng)用較多。

　?、蹥饣癄t料斗外壁焊有翅片，以增大產(chǎn)出氣與料斗的換熱面積，降低產(chǎn)出氣的溫度，提高氣化爐的熱效率。

　?、軞饣癄t內(nèi)具有火焰溫度穩(wěn)定效應(yīng)，即當(dāng)反應(yīng)溫度偏高時(shí)，作為吸熱的還原反應(yīng)相對(duì)加劇，從而降低了氣體溫度；當(dāng)反應(yīng)溫度偏低時(shí)，還原反應(yīng)相對(duì)減緩，放熱的氧化反應(yīng)占優(yōu)勢，又使氣體溫度升高?；鹧鏈囟确€(wěn)定在800~1200℃，這樣產(chǎn)出氣成分也相對(duì)穩(wěn)定。

　　⑤由于“喉部”的存在，使下吸式氣化爐的氣化能力要低于外形尺寸相同的其它結(jié)構(gòu)形式的氣化爐，尤其是上吸式氣化爐。

　　3下吸式生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　(1)設(shè)計(jì)要求

　　應(yīng)了解生物質(zhì)物料的物理特性。

　?、傥锪蠠嶂禐榱吮ＷC生物質(zhì)氣化爐結(jié)構(gòu)尺寸的合理性與經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算氣化爐入爐熱量時(shí)，應(yīng)采用生物質(zhì)物料的應(yīng)用基低位發(fā)熱量，即:物料完全燃燒時(shí)放出的全部熱量中扣除水蒸氣氣化潛熱后所得到的發(fā)熱量。

　　·物料水分含量物料中水分的蒸發(fā)所造成的熱損失使氣化爐熱效率降低，同時(shí)也降低了產(chǎn)出氣的品質(zhì)。當(dāng)物料中的水分高于一定值(約70%)時(shí)，燃燒反應(yīng)不能進(jìn)行，依靠燃燒反應(yīng)提供熱量的還原反應(yīng)(產(chǎn)氣反應(yīng))也停止進(jìn)行。物料中水分一般控制在15%以內(nèi)。

　　·物料粒度從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度分析，粒度較小的物料表面積較大，與氣化劑混合充分，利于氣化反應(yīng)，但氣流阻力和風(fēng)機(jī)的負(fù)荷增加；反之，粒度較大的物料與氣化劑接觸面積變小，反應(yīng)不夠完全，同時(shí)容易產(chǎn)生“搭橋”現(xiàn)象，使物料不能均勻下落。推薦物料尺寸在80mm×80mm×80mm與40mm×40mm×40mm之間較為合適。

　　·物料的堆密度物料的堆密度系指物料在自然堆積狀態(tài)下的密度。堆密度的大小影響到氣化爐內(nèi)物料的駐留時(shí)間、下落速度，同時(shí)也影響到氣化爐各部位的幾何尺寸。表1給出常見生物質(zhì)物料的堆密度，以供參考。

　　·揮發(fā)分含量生物質(zhì)物料中的揮發(fā)分含量為63%~80%。通過合理的“喉部”設(shè)計(jì)，保證一定厚度的熾熱焦炭層存在，可以使氣體中的焦油得到充分裂解，從而得到較為潔凈的產(chǎn)出氣。

　　·灰分含量物料中存在較多的灰分且灰熔點(diǎn)較低時(shí)會(huì)造成氣化爐氧化區(qū)內(nèi)結(jié)渣，產(chǎn)出氣中焦油含量增大，嚴(yán)重時(shí)，氣化爐不能運(yùn)行。一般灰分含量在5%以內(nèi)，氣化爐能夠可靠地運(yùn)行。表2給出常見生物質(zhì)物料的灰分含量，以供參考。確定氣化爐產(chǎn)出氣參數(shù)，如產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣成分等。對(duì)于下吸式氣化爐，單臺(tái)最大產(chǎn)氣量不應(yīng)超過500m3/h。

　　②應(yīng)從結(jié)構(gòu)上考慮氣化爐各密封面的良好密封，防止漏風(fēng)和產(chǎn)出氣泄露。

　?、?ldquo;喉部”空氣噴嘴附近區(qū)域應(yīng)敷設(shè)耐火材料，以防燒壞“喉部”，噴嘴應(yīng)采用不銹鋼材料。

　?、?ldquo;喉部”尺寸較大或生物質(zhì)物料粒度較小時(shí)應(yīng)加設(shè)鑄鐵爐柵。

　　(2)理論計(jì)算及主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定

　?、倮碚摽諝饬康拇_定以及噴嘴幾何尺寸的計(jì)算

　　生物質(zhì)物料與空氣在氣化爐中發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，從熱動(dòng)力學(xué)角度分析，空氣量對(duì)于產(chǎn)出氣成分的影響可以從圖2中看出，圖中橫坐標(biāo)值為所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當(dāng)量比。

　　從圖2中曲線可以看出，當(dāng)量比為0時(shí)，沒有氧氣輸入，直接加熱物料的反應(yīng)屬于熱解反應(yīng)，雖然也可以產(chǎn)生H2，CO，CH4等可燃成分，但產(chǎn)出氣中焦油含量很高，并且約占物料質(zhì)量30%的焦炭不能同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇細(xì)怏w；當(dāng)量比為1時(shí)，物料與氧氣發(fā)生完全燃燒反應(yīng)，不能產(chǎn)生可燃?xì)?；只有在?dāng)量比為0.25~0.3時(shí)，即氣化反應(yīng)所需的氧僅為完全燃燒耗氧量的25%~30%，產(chǎn)出氣成分較理想。當(dāng)生物質(zhì)物料中水分較大或揮發(fā)分較小時(shí)應(yīng)取上限，反之取下限。計(jì)算氣化爐反應(yīng)所需空氣量時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)生物質(zhì)物料的元素分析結(jié)果，按下式計(jì)算出其完全燃燒所需理論空氣量V，然后按當(dāng)量比0.25~0.3計(jì)算實(shí)際所需空氣量V氣。

　　噴嘴中空氣流速推薦值為15~20m/s，根據(jù)計(jì)算出的理論空氣量以及喉部的幾何尺寸確定噴嘴的孔徑和數(shù)量。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，較多的噴嘴有利于空氣和物料的良好混合，但也增大了阻力，增加風(fēng)機(jī)負(fù)荷。

　　②“喉部”幾何尺寸的計(jì)算

　　“喉部”的幾何尺寸決定了氣化爐的產(chǎn)氣能力，應(yīng)根據(jù)氣化強(qiáng)度以及物料的物理特性進(jìn)行計(jì)算。

　　由于生物質(zhì)物料的堆密度、粒度相差較大，這將明顯影響物料在爐內(nèi)的駐留時(shí)間，這就要求氣化爐因物料不同而選用差別較大的氣化強(qiáng)度。對(duì)于堆密度較小或粒度較小的物料，其爐內(nèi)駐留時(shí)間短，氣化強(qiáng)度應(yīng)相應(yīng)減??；反之，應(yīng)增大氣化強(qiáng)度。一般氣化強(qiáng)度推薦值為500~2000kg/(h·m2)。

　　盡管下吸式氣化爐產(chǎn)出氣中焦油含量很少，但根據(jù)產(chǎn)出氣的不同應(yīng)用場合，還應(yīng)當(dāng)配置不同的除焦油設(shè)備，以及除塵、除濕設(shè)備，以進(jìn)一步提高產(chǎn)出氣的品質(zhì)。