1 000 m3下吸式固定床气化炉的研制

刘 原，许东来，王新雷，安亚群

(北京工业大学，北京 100124)



1 000 m3下吸式固定床气化炉的研制

刘 原，许东来，王新雷，安亚群

(北京工业大学，北京 100124)

介绍了下吸式固定床生物质气化炉的气化原理，并结合其出现的问题和现有技术条件，设计了一种适合中小规模乡镇一级的新型下吸式气化炉。该气化炉结构简单，便于操作，运行稳定，产气量大。同时采用空气-水蒸气为气化剂，并加装余热回收装置产生蒸汽和可升降破穿孔装置，明显提高气化气品质，有利于秸秆气化技术的推广。

下吸式固定床气化炉；气化原理；气化剂

生物质能作为一种重要的可再生能源，与人类的生产活动息息相关，是非常重要且廉价的可存储和运输的可再生能源。世界各地生物质年产量约合1 700亿t，所蕴含的能量相当于全球消耗主要燃料的10倍左右，但其能源的利用率还不足1%[1]。随着化石能源的日趋紧张，生物质能将在未来能源结构体系中占有极其重要的地位[2]。根据预测，我国每年生产50余亿t的生物质，其中仅约6亿t被用作能源，主要作为农民的生活和生产用能，且能源利用率较低，仅为 10%～20%[3]。提高生物质能的利用效率，对节约常规能源、减少环境污染、保护生态环境具有重要意义。

生物质利用的主要技术方式为生物质气化，主要方式为秸秆气化集中供气，其中关键设备是气化炉[4]。而固定床下吸式气化炉因其燃气经过高温区的特性，气化气焦油含量相对较少而得到比较广泛的应用。但已建成的生物质气化供气系统依然存在气化炉产气量低，供气规模过小，燃气热值低，运行不稳定等问题[5]，限制了其推广发展。因此笔者设计一种适合中小规模乡镇一级使用的新型1 000 m3产气量下吸式气化炉。

1 下吸式气化炉工作原理与气化剂选择

1.1 下吸式气化炉工作原理 秸秆气化的基本原理是将秸秆原料加热，析出挥发物，并在高温下裂解成CO、H2、CH4等可燃性气体，在转换过程中要加气化剂(空气、氧气或水蒸气)，其产品主要指可燃性气体与N2等的混合气体。

下吸式气化炉工作原理如图1所示，在气化过程中，秸秆在气化炉内分为干燥层、热解层、氧化层、还原层。物料从气化炉顶部依次经过各反应层，物料在干燥层中受热辐射作用吸收热量，温度达到100～300 ℃，水分蒸发变成干物料。随着反应的进行，物料消耗床层下移，物料进入热解区，温度保持在400～750 ℃左右，物料中的挥发份析出，生物质逐渐分解成炭、挥发份、焦油等成分。生成的炭随着料层的下移进入氧化区，并与此反应区气化剂中的空气进行氧化反应，主要生成CO2、水和CO，并释放大量的热量，温度可达1 100～1 200 ℃，这些热量为整个生物质气化各反应层提供热量。还原区为吸热反应，温度达700～900 ℃，未反应完全的炭和CO2在这里还原成CO。同时水会在气化炉内与炭进行还原反应生成CO和H2，以及发生甲烷化反应生成CH4。各种挥发份和焦油经过高温区域后会裂解成各种可燃气体[6]。

图1 下吸式气化炉工作原理

1.2 生物质气化剂选择 生物质气化剂主要有空气、氧气、水蒸气、空气(氧气)-水蒸气等[7]。以空气为气化剂最为简单经济，但由于空气中含有大量N2，所产燃气N2含量高达 50%左右，使得燃气热值难以提高，热值多在4～5 MJ/m3；以氧气为气化介质的气化过程，其过程原理与空气气化相同，但没有隋性气体N2稀释反应介质，燃气热值可达12～16 MJ/m3，但氧气制取成本高；以水蒸气为气化介质的气化过程，它不仅包括水蒸气和炭的还原反应，还有CO与水蒸气的变换反应等各种甲烷化反应，其热值也可达到 11～18 MJ/m3，水蒸气气化的热源来自外部热源及蒸气本身热源，该技术复杂，不易控制和操作；以空气(氧气)和水蒸气同时作为气化剂的气化过程，合适的空气量和蒸气量，既能保证系统自供热，不需要复杂的外供热源，又能生成含有更多H2及碳氢化合物的燃气，提高燃气热值。因此，笔者选用空气-水蒸气作为气化剂。

2 下吸式气化炉结构、设计要求与主要参数设计计算

2.1 气化炉设计要求 依据项目要求，综合现有技术条件，气化炉技术指标为产气量Vg=1 000 Nm3/h，燃气热值Qg≥6 000 kJ/Nm3。气化炉主要面向乡镇，用来供气和发电，因此气化炉需要结构简单可靠，便于操作，产气量大，长时间稳定运行。

2.2 气化原料选取与燃气成分 目前我国大部分秸秆气化所使用的原料为农作物秸秆，也是我国农村最常见的农业废弃物。它的资源分布广，成本低，主要有4种原料：棉柴、玉米秸、麦秸、棉花秸、稻草。因此，设计中选取这几种常见生物质秸秆的参数平均值作为设计依据。4种秸秆原料的干燥基元素分析及热值见表1，工业分析见表2[8-9]。

表1 元素分析及热值

表2 工业分析 %

不同类型的气化炉，燃气成分会有所差异，同一气化炉不同的工况、不同的生物质原料时，燃气成分也不同。燃气主要包含CO、H2、CH4、CO2、N2和少部分未裂解完全的焦油。

2.3 下吸式气化炉各主要参数设计计算

2.3.1 空气当量比ER。当量比是指生物质在气化过程中所消耗的空气量(氧量)与完全燃烧所需要的理论空气量(氧量)之比，是影响燃气品质的重要因素，图2为气化气成分与ER的关系[10]。ER增大，物料燃烧加快，为气化过程提供更多热量，有利于气化反应，气化效率提高，但是容易使得炉内温度过高出现烧结现象。此外，ER的增大还会导致燃气中CO2、N2含量的增加，从而降低燃气热值。ER过小会直接导致气化过程中氧化反应释放热量不足，气化反应不完全，使得可燃气焦油含量增加，可燃气体产率减小。从图2可知，一般气化系统ER取值为0.2～0.4，可使得气化反应良好进行。考虑到该气化炉采用水蒸气-空气作为气化剂，由于水蒸气的因素，比单纯空气气化需要更多热量，可以取ER为0.25。

图2 当量比与气化气体积分数关系

2.3.2 气化强度Φ。气化强度是指气化炉单位截面积单位时间内气化的生物质量，kg/(m2·h)。固定床气化炉由于其床层不稳，反应不平均易烧穿等的反应特性，气化强度一般为100～300 kg/(m2·h)[10-11]。笔者取气化强度Φ=250 kg/(m2·h)。

2.3.3 理论空气量VL。理论空气量VL是指每公斤原料完全燃烧所需的空气量， m3/kg。

(1)

式中,VL为物料完全燃烧理论空气量，m3/kg；C为每千克物料中碳元素含量，%；H为每千克物料中氢元素含量，%；S为每千克物料中硫元素含量，%；O为每千克物料中氧元素含量，%。笔者将农村4种常见秸秆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，理论空气量VL=3.96m3/kg。

2.3.4 气化反应实际气化空气量Vo。实际气化空气量：

Vo=α×VL

(2)

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

2.3.5 原料转化率Tm及气化效率η。气化效率是指单位燃料转换成气体燃料的化学能(热值)与生物质原料的热值之比，是衡量气化过程的主要指标。气化效率：

(3)

式中，η为气化效率；Tm为每千克原料产出的燃气量即原料转化率， Nm3/kg；Qg为气化燃气低位热值， kJ/Nm3；Qm为原料低位热值，kJ/kg。原料低位热值Qm笔者取4种常见秸秆原料的平均热值，即Qm=17 555 kJ/kg；依据《秸秆气化供气系统技术条件及验收规范》(NY/T443-2001)的技术指标[12]，该指标规定气化效率η≥70%；笔者规定所产燃气热值Qg≥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为原料消耗量，kg/h；Vg为产气量， Nm3/h；Tm为原料转化率， Nm3/kg。将数据代入公式(4)，可得Mm=487.8 kg/h。

2.4 气化炉主要结构尺寸设计计算

2.4.1 气化炉炉膛截面积S与内径D。

(5)

(6)

将原料消耗量Mm=487.8 kg/h，气化强度Φ=250 kg/(m2·h)，代入上述两式可得，S=1.95 m2，D=1.58 m，取D=1.6 m。

2.4.2 气化炉高度设计计算。秸秆在气化炉内有一系列复杂的化学反应过程与热力过程，要使得这些关键过程能正常进行就必须保证各种挥发物与气化剂在炉内高温区有足够的滞留间。挥发物以焦油等大分子化合物为主，因此以焦油裂解的停留时间为参照，在900～1 200 ℃时停留时间一般为0.5～4.0 s[13-14]，该研究气化炉滞留时间t=1.5s。

气体在炉膛内的流速：

(7)

炉内挥发物的主要反应区域为氧化区和还原区，这两个反应区的高度为H1。

H1=υ×t

(8)

将数据代入上式,可得H1=1m。

为了使原料能充分干燥，挥发物能在裂解区充分析出，以及保证炉内的原料能够在一定的压力作用下稳定地向下移动，干燥、裂解区应有足够厚度，取这两层厚H2=0.8m。同时料层顶部需要预留压实抚平机构的运动空间，取高度为H3=0.4m。

由于该气化炉的灰渣是实时排出，因此不需要很大的储灰空间，只需要保证出灰机构有足够的运行空间。因此气化炉灰处理部分的高度以实际设计为准，笔者设计其高度为H0=1m。

该气化炉总高度H=H0+H1+H2+H3=3.2m，其中反应区炉膛高度H=H1+H2+H3=2.2m。

2.5 气化炉结构 根据下吸式气化炉原理以及上述设计计算，笔者设计的1 000 m3下吸式固定床气化炉结构如图3所示。采用空气-水蒸气为气化剂，从气化炉中部和顶层通入，使得气化剂在炉内分布均匀。进料口设在顶层，出灰口和燃气出口设在底层，同时中心设有破穿孔机构，底层设有余热蒸气发生器。

注：1.气化剂通入管道；2.破穿孔装置；3.下料装置；4.中层炉膛；5.下灰装置；6.燃气出口；7.出灰装置；8.余热蒸气发生器。图3 下吸式气化炉结构

2.6 气化炉辅助结构与功能

2.6.1 中心破穿孔机构。 下吸式固定床气化炉在运行时容易出现炭层穿孔，气化剂直接与气化气燃烧影响燃气品质，造成温度升高，如不处理会造成炭层崩塌导致反应不能进行。目前大部分气化炉的处理方式是从秸秆原料入手，通过秸秆原料的切碎或成型压块处理，使其尺寸变小更均匀，堆积密度变大，从而减少穿孔的出现几率。但仍然会出现穿孔，而且成本较高，出现穿孔后也没有相应处理措施。因此笔者设计一套可升降式破穿孔装置，其结构原理图与实体模型见图4。此装置可以相互独立进行升降和旋转，从而对不同炭层的穿孔进行处理。出现穿孔时，通过升降机构下降到相应位置，T型杆旋转进行破穿孔操作，完成后返回上部低温区。通过实际运行测试，其效果明显。

注：1.破穿孔升降传动装置；2.破穿孔水平旋转传动装置；3.T型杆。图4 破穿孔装置原理图与实体模型

2.6.2 余热蒸气发生器。蒸气发生器利用气化炉底层灰室的余热加热底层夹套内的水来产生蒸气，避免了额外增加一套蒸气发生器导致成本增加，实现能量的回收利用。其结构简图见图5。

3 结语

该气化炉结构简单，便于操作，运行成本低，产气量合适，采用空气-水蒸气为气化剂，避免了N2对燃气品质的影响，专门设计了余热利用装置产生蒸气，同时加装可升降破穿孔装置，结构简单，效果明显，提高了气化炉运行稳定性与燃气品质。通过8 h连续运行测试，该气化炉点火20 min后开始产气，运行期间每隔1 h取气检测，通过5次检测，燃气热值平均达到5.5 MJ/m3，且期间运行平稳。该气化炉主要面向中小规模商业使用，相对于其他大型气化设备的投资运行成本高与小型设备产气量不足稳定性差等问题，该气化炉可以很好综合产气量与成本低的要求，适用于乡镇一级供气，对秸秆气化的推广有很好的推动作用。

图5 余热蒸气发生器

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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

刘原(1989-)，男，江西赣州人，硕士研究生，研究方向：现代机械系统设计。

2015-04-21

S 216.7

A

0517-6611(2015)17-285-03