生物质燃烧与气化中的设备改进

摘要：相对传统的化石能源，生物质具有可再生、低污染性等优点。目前，合理高效利用生物质已成为我国在能源安全和保障的重要任务之一。本文主要针对目前生物质在燃烧、气化等主流技术中的主要设备进行改进，从而对生物质进行更为科学高效利用。

关键词：生物质利用;设备改进

0前言

大力发展新能源及可再生能源是解决当前国内外能源短缺与环境污染问题的主要途径。生物质能作为可再生能源的一种，一直被广泛关注。生物质利用过程中相关设备的不断完善与改进是促进生物质能利用的有效途径。

1生物质固体燃料应用方面

1.1   压缩成型设备

目前国内生物质燃料成型机只是将生物质原料压成实心的块状或棒状等，但实心的生物质燃料在燃烧时由于与空气接触面积少，使得燃烧不充分。现针对螺旋挤压式成型机改进得到螺旋挤压式蜂窝成型机：

改进后的螺旋挤压式蜂窝煤成型机增加了一个冲孔机构，冲孔机构包括冲头、一对限位板、连杆、曲柄、环形滑块和驱动机构。环形滑块靠近壳体的一侧均匀分布有冲头，远离壳体的一端铰接有连杆，驱动机构包括驱动电机和减速箱，减速箱输出端固定有曲柄，曲柄的另一端与连杆远离环形滑块的一端转动连接。由于曲柄、连杆以及环形滑块构成一个曲柄滑块机构，环形滑块上设有冲头，所以曲柄转动时环形滑块带动冲头在轨道上做直线往复运动、冲头穿入保型筒内时会将保型筒内压实的生物质原料上穿孔形成蜂窝煤状，有利于燃料的充分燃烧。由于生物质原料源源不断地进入成型筒，进入保型筒内已成型的固体燃料便会从保型筒内被挤出。此时，冲头从保型筒内反向移动并与在保型筒内成型的燃料一并从保型筒的端口离开，切割刀在气缸的作用下竖直穿过出料口并将从保型筒端口出来的成型燃料切掉。因此，改进后的螺旋挤压式蜂窝煤成型机不仅运输平稳，也可以实现生物质燃料的连续输送挤压和成型，使成型的燃料为蜂窝煤状，有利于燃料的充分燃烧。

1.2   燃烧设备

生物质燃烧设备主要分为生物质直燃锅炉与生物质混燃锅炉，现只针对直燃锅炉进行介绍，直燃锅炉分为振动式炉排炉与流化床锅炉。

目前，生物质燃烧发电锅炉使用的燃料多为当地产的木质类废弃物、稻壳等，而能够长期全部使用黄秸秆作为燃料的流化床锅炉国内目前几乎没有。一方面是由于现有生物质流化床锅炉在使用黄秸秆作为燃料时需要对其进行破碎或压块等预处理，不仅成本高而且操作环境恶劣;另一方面，破碎后的黄秸秆不易进入流化床，而压块后的黄秸秆又会在锅炉内产生流化不良的现象。

针对生物质流化床锅炉在燃烧黄秸秆一类燃料时存在的一些问题，现对锅炉进料方式及锅炉燃烧系统进行相关改进：

改进后的锅炉系统包括如图2与图3所示。进料时，提升机将储存在锅炉底部的生物质燃料提升到炉顶给料平台上，然后将其通过皮带输送机输送到炉顶给料管的水平段滑落。给料推送装置的推送头将在炉顶给料管内的生物质燃料推送到炉膛内。炉顶给料管由水平段和垂直段组成，给料推送装置的推送头可沿着炉顶给料管的垂直段运动，在炉顶给料管的垂直段还有翻板阀，在炉顶给料管的水平段有切断阀和测温仪，切断阀和翻板阀互相连锁，互为开或关状态。给料推送装置的推送头向下运动时，也推开了炉顶给料管内的翻板阀，将生物质燃料推送到锅炉炉膛内，生物质燃料依靠重力落入到锅炉炉膛内后，翻板阀再次自动关闭，可以防止锅炉炉膛内热烟气反窜出炉顶给料管。同时，翻板阀与给料推送装置采用连锁控制，给料推送装置下推时翻板阀打开，给料推送装置后退时翻板阀关闭。当测温仪在检测到炉顶给料管内温度异常时，翻板阀自动进行连锁降温保护炉顶进料管。在对锅炉燃烧系统的改进时，在锅炉炉膛的顶部上设有烟气射流装置，锅炉炉膛的侧壁上设计有二次风口、三次风口，锅炉炉膛出口处布置分离折流板等。烟气射流装置可在其周边形成烟气幕墙，既阻止燃料的爆燃，对燃料进行了初步解离，同时也可以防止燃料被烟气直接携带出炉膛出口。二、三次风的布置可适时为燃料燃烧提供所需的空气，同时利用二、三次风喷入炉膛内的流场，对生物质燃料进行扰动，加强燃料包的散解。改进后的装置不仅解决了锅炉对黄秸秆之类生物质燃料进料困难的问题，而且增加了炉膛内燃料与床料之间的内循環，使内部温度场更加均匀，设备运行更为安全可靠。

2生物质气化方面

2.1   气化设备

气化炉是生物质气化系统中的核心设备。常用生物质气化炉包括固定床和流化床两种类型。现有生物质气化炉对生物质进行气化处理时会产生焦油，焦油存在不仅会导致气化效率降低，而且对气化和用气设备都会产生不利影响。因此，现针对现有气化炉些许改进：

改进后的气化设备在炉体内部增设精滤机构，外部设置粗滤机构，实现对燃气进一步的净化处理，降低焦油和烟尘含量。该精滤机构由旋风分离器、水箱、水泵、分流环管、雾化喷嘴、叶轮、刮刀、导管、螺旋叶轴、排污管及电机组成。粗滤机构指将燃气流经燃料内部，利用燃料之间孔隙过滤燃气中颗粒较大的固体。当气化炉工作时，从管道一经外界粗滤机构过滤后经由管道二进入旋风分离器，水泵将水箱内的水抽出输送至分流环管内，然后由雾化喷嘴雾化喷出，水雾与燃气中的焦油和烟尘接触粘结，提高焦油分离效果，从而在旋风分离器的作用下进一步的分离净化，提高燃气质量，降低焦油和烟尘含量。在燃气进入旋风分离器中的同时，气流带动叶轮转动，从而使得刮刀同步转动，对旋风分离器内壁上的焦油等污物刮除，并由导管流向排污管内部，电机带动螺旋叶轴转动将排污管内部的污物输送至过滤网底部的热解腔内，进行高温裂解，从根本上降低焦油对设备的损伤、提高燃气输出效率和质量。

2.2   气体净化设备

气化炉中直接出来的粗燃气由于其温度较高且含有大量杂质，并不能直接进行使用。目前，与燃气净化相关的设备主要有旋风除尘分离器、袋式除尘器等。

一般来说，两种方法或多种方法串联在一起时会达到比较好的脱焦效果，如采用湿式喷淋装置和干式过滤装置相结合的联合过滤方法对燃气净化，焦油脱除率可达99.5%以上。根据上表燃气净化设备特点、考虑多种除杂结合方式的优势，现针对旋风除尘分离器进行以下改进：

改进后的旋风除尘分离器如图6所示。粗燃气由分离器入口气道进入分离器筒体，首先与喷枪喷出的焦油裂解催化剂混合，后经过所有混合单元发生扰动，再依次经过分离器筒体以及分离器出口。分离器入口气道外壳内侧设置耐磨耐火层，耐磨耐火层沿垂直方向将气道分为两个通道，每个通道内壁由耐磨耐火可塑料塑成圆形通道;左旋单元片与右旋单元片均采用耐高温金属卷制或铸造而成，粗燃气流经左旋单元片后向左旋转前进，随后流经右旋单元片后改变旋转方向，使粗燃气与焦油裂解催化剂发生扰流现象而得到充分混合。由此可知，改进后的旋风除尘分离器具有更高的焦油脱除率，达到较高的燃气净化效果。

3总结

本文针对生物质固体燃料应用、气化等方面使用的主要设备特性及优缺点进行了相关分析，并对相应设备提出了以下几种改进措施，以期获得优于原有设备的效果。

（1）       针对螺旋挤压式成型机改进得到螺旋挤压式蜂窝成型机，不仅运输平稳，有利于燃料的充分燃燒。

（2）       针对生物质流化床锅炉在燃烧黄秸秆一类燃料时存在的一些问题对锅炉进行相关改进，不仅解决了流化床锅炉对黄秸秆之类生物质燃料进料困难的问题，而且增加了炉膛内燃料与床料之间的内循环。

（3）       通过对现有气化炉进行一些改进，不仅根本上解决燃气中的焦油产出问题，降低焦油对设备的损伤，而且提高了燃气的输出效率和质量。

（4）       考虑多种除杂结合方式的优势，对旋风除尘分离器进行改进，使其具有更高的焦油脱除率，能达到较高的燃气净化效果。

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作者简介：

台颖娣（1999.08—），女，河南省信阳人，江苏省镇江市京口区江苏大学，新能源科学与工程专业，本科生。