高效节能型生物质气化炉新工艺设备选型设计创新要点

吕 复，吕 元，吕宜德，许 军，金敬龙，谈治水

（武汉奥杰科技股份有限公司，湖北 武汉 430223）

在我国能源多样化的今天，生物质再生资源来源主要是已木质化的，不可回收的生物质。如小型的树枝、稻壳、玉米秸秆、花生壳、椰子壳、小麦秸秆、芝麻秸秆、家具厂的下脚料或其它木质化的、不易腐烂的木质废料，均可作为产气原料。

目前，生物质一般均制成颗粒状，通过压缩机压制成20 mm×10 mm，25 mm×30 mm等不同大小的颗粒状，送入炉内燃烧产生热能供热。这样造成生物质颗粒的成本居高不下，且炉渣还得不到综合利用。如炉内温度控制过高还会容易结焦（钾、钠及其化合物熔点过低所致），同时还会造成严重的环境污染。

经济上，以供热能力平均2.09×104kJ/kg以上的煤和供热能力（0.67～1.02）×104kJ/kg的生物质比较，几乎两吨生物质的供热能力才能替代一吨煤的供热能力。对于同一型号的工业锅炉，使用生物质的用量几乎是用煤量的两倍。其采购价生物质一般为800～1 200元/t，燃煤烟煤一般为700元/t左右，无形之中对于生物质燃烧锅炉而言其燃料成本上升了3倍多，这对于企业而言简直是苦不堪言。如何降低生物质燃料燃烧的成本，是每一个企业面临的问题之一。降低生物质能源燃烧成本，是当务之急。

1 高效节能型全自动化的生物质层燃气化炉新工艺生产线

生物质气化热解产气与煤制气的原理大致一致，只是生物质气化原理中的煅烧温度、还原区的形成、鼓风量与抽风量的平衡要求更加严格[1]。这是要通过各类温度、压力、流量，CO检测等仪表，严格测定与控制入炉前的生物质化学分析中碳、钾与钠的含量进行分析，最好是一炉用同一种生物质燃料，这样更方便控制。同时也可以总结不同的生物质，不同的燃料特性，便于推广与应用。

高效节能型全自动化生物质层燃气化炉新工艺生产线如图1所示。本新工艺生产线是专门应用于生物质燃气的产生与应用。它的优势有：①生物质燃气燃烧后，所排放烟气中的CO2是一种生物级CO2，能够被海洋与森林快速吸收，以达到自然界的平衡，不会在地球两极的大气层中形成空洞，以至影响大气变暖，造成气候异常。②气化炉外排炉渣可以全部回收再利用，是良好的活性炭或制造钾肥的主要原料之一。③极大地降低了生产成本。从图1可以看出，该工艺上产线是不需要把生物质制成颗粒状的，只需要简单的破碎与干燥即可入炉，而有些细小颗粒（如稻壳、花生壳等），可直接入炉，克服了生物质再生能源不能大面积推广的瓶颈。④生物质气化炉通过计算可以带动多个受热炉使用，采用多管道输气在受热炉内燃烧，避免结焦现象发生。⑤烟气排放等辅助设施与天然气一样简单方便。生物质燃气不含硫，采用了低氮燃烧器燃烧,烟气中的NOx排放可以达标。

图1 高效节能型全自动化生物质层燃气化炉新工艺生产线示意图

1.1 生物质气化炉外形创新与工作原理

由于生物质的主要化学成分为碳（C），在727℃的环境下2C+O2=2CO，生成CO。在这一理论温度时，是C的不完全燃烧的反应。但实际生产中，CO2的还原反应才是气化炉的主要反应：2C+CO2=2CO。布林阿尔查特和泰勒以及其他学者的研究成果说明了对于生物质燃料燃烧的氧化层受热温度，在实际生产中，应根据生物质自身钾、钠含量的高低来确定[2]。为了防止在炉内结焦，其氧化层温度只能控制在750～850℃（理论值）。同时由于生物质含有大量的碱金属（K、Na），也是气化炉产气的良好催化剂。因此，不同种类的生物质气化炉基本是相同的，只是根据不同的生物质而设定出不同的燃烧温度而已。同时，还必须设计炉内的燃烧空间与还原区的还原空间。

生物质气化炉的外形，应根据空气流体力学的原理，采用花瓶式的外壳。图2是生物质气化炉工作原理示意图。可以看出，在氧化层中鼓风机鼓入的助燃空气，应根据不同的海拔高度来选择不同的鼓风量与风压。当生物质烧着后，其火焰温度应在1 000℃左右。当大量的CO2气体进入还原层时，其温度应控制在650～750℃进行还原反应。由于花瓶式的外壳，可燃气从扩散区进入花瓶式喉口区，这些可燃气由散漫型状态改变成集中喷出，使燃气产生的速度迅速提高。其燃气进入燃气凝集区，也有利于加大燃气的凝集与输送强度，因此，这种花瓶外形结构是全国首创。

图2 生物质气化炉工作原理示意图

1.2 高效型两级除水、除油、除粉尘的涡旋型高温分离器与自带收集焦油型燃气输送的引风机

高效型两级除水、除油、除粉尘的涡旋型高温分离器（见图3）与自带收集焦油型燃气输送引风机（见图4）的应用，是气化炉能得到成功应用的关键。生物质气化炉在产气过程中伴随着大量的焦油、水与粉尘，比炼铁高炉所产生的高炉煤气或炼焦炉产生的焦炉煤气要多得多。这些有害物占整个燃气的体积几乎达到10%左右。从经济性与可操作性来比较，目前只能选用上述设备来达到燃气的除油、除水、除尘的目的。因此，对于生物质气化炉工艺流程生产线来说，这两种设备的选型与应用太重要了。

图4 新型除油、除水、除尘多功能燃气净化引风机示意图

从图3可以看出，生物质燃气采用文氏管设计形式作为燃气入口管，其燃气中的粉尘、焦油、水雾经过喉管后，燃气中的粉尘，焦油，水雾经气流的压缩、扩张、凝结[3]，像滚雪球一样形成小的颗粒状，被分离器内侧设置的与气流相向而行的挡板收集下来；当气流通过鹅卵石层时，燃气流中部分的水雾、焦油与粉尘又被捕集下来，使得燃气流得到进一步净化；燃气中逃逸的水雾、焦油与粉尘又被燃气中心管的上、下挡水板捕集下来，使得燃气的净化得到进一步提高。采用涡旋型外壳的设计，燃气流阻力最小，离心力最大，进而气流的旋转力度最强，这样十分有利于燃气水雾、焦油与粉尘的收集。

图3 新型除油、除水、除尘多功能涡旋型高温分离器示意图

本产品在国内目前还没有出现与之一样的结构，应属首次创新。收集下来的泥渣经双层电动阀门的联锁开关，可达到零泄漏的效果，因为下渣处只要漏风5%，其除尘效率就会大减30%。因此，下渣处的设计也十分重要。

同时，对于一般高温分离器机壳的内部，应设置一定厚度的耐火材料来隔热，而我们的这种设计可省掉大量的耐火材料，这是由于高温燃气通过文氏管时与高压水雾凝结的降温效果所致。

从图1可知，生物质燃气通过第一级高温分离器净化后，在燃气中仍还存在不少水雾、焦油及粉尘，并没有彻底净化干净，仍不能满足生物质燃气燃烧的要求。因此，我们在除尘器后布置了自带收集焦油型燃气输送引风机。这种风机采用特殊结构，即风机叶片采用直形叶片。根据空气动力学原理，直型叶片出风力大，产生的离心力越大，叶片中心能够出现极大的负压区，唯一的缺陷是，该引风机所需要的动力比同类型号的风机动力要稍高一些。

在风机外壳下部开出一个长方形的小孔，并设置与燃气流相向方向的挡板，在强大离心力的作用下，比燃气的比重稍重的有害物颗粒均抛向机壳的内部，被相向方向的挡板所阻挡，流入风机下方的集渣桶，以达到二级燃气净化的目的。从而保证了生物质燃气顺利进入生物质燃气燃烧器，满足了受热体燃烧的要求。

1.3 高效节能型低氮生物质燃气燃烧器

生物质燃气经过燃气净化，仍比不上一般净化的天然气、石油液化气、高炉煤气或焦炉煤气，其发热值仍是一种低热值的燃气，其发热值一般在（0.3～0.51）×104kJ/m3，都远远高于生物质燃气。这种低热值燃气是不能用高压电子打火点燃的，必须采用高热值的明火引燃。

生物质燃气即使是经历了二级净化，燃气中仍然存在不少杂质，其燃气通道必须采用大型的直行通道，并采用液化气点火，明火引燃生物质燃气。根据上述特点，我们设计了一种新型低热值低氮型燃气燃烧器（见图5）。该新型生物质燃气燃烧器主要有以下的创新要点：

图5 生物质气燃烧器燃烧原理示意图

（1）生物质燃气采用大通道

由于大通道内风翅的作用，其燃气形成弱旋，并在通道内扩散锥的作用下，在喷口处形成了负压区（低氧还原区），并形成向四周的扩散式火焰，以便在二次风叶轮作用下，形成强旋风气流，并在强弱风的撞击下达到非常均匀的混合。在此混合作用下，其总体出风口的风速可达30～35 m/s，在燃气燃烧器出口附近形成未燃的高速气流（也就是我们通常所讲的黑火头），从而保护燃气燃烧器本体安全运行，真正做到抗粉尘、抗油、抗水等，从而延长了火焰在炉内的停留时间，保证了生物质燃气的燃尽率，也抑制了NOx的生成。

（2）循环烟气再利用控制技术

当生物质燃气充分燃烧时，与其供应的助燃空气产生激烈的热化学反应，空气中的氧气含量基本上消耗殆尽。其烟气中的氧气量也只有3%～6%，这种低氧烟气在进入燃烧系统后对于抑制NOx的生成带来了极大的好处，是降低NOx的有效手段之一。

因此，循环烟气分成两种形式。一种是外循环烟气进入燃气燃烧系统（如图1），即从工业炉（锅炉）炉后的引风机出口处通过阀门与循环风机按适当比例进入中央燃烧器的通风道内，生物质气在中央通道内喷枪头部的扩散锥处形成低温的还原区燃烧，从而抑制了NOx的生成；另一种是循环烟气按比例进入带有强旋叶轮的风道内，与生物质燃气强烈地掺入均混，形成较强的旋转火焰。主要可适当降低烟气中的含氧量，也能抑制NOx的生成。

（3）空气分级供应控制技术

生物质燃气是一种低热值的可燃气，其发热值约为（0.3～0.51）×104kJ/m3。通常提供的助燃空气量为1∶1～1∶1.5之间。在生产当中，为了使燃气燃烧更加完全，所采用的空气总量最好分级供应。这样可使燃烧火炬的内外温度一致，以减少NOx的产生。否则燃烧形成的大火，在火炬的内部（即中心部）形成高温区（＞1 350℃），必然会产生大量的NOx。

具体办法是在两个助燃空气入口，均掺入不同比例的外循环烟气（含氧量3%～6%），当石油液化气完成了点火任务后，其中心风管不能关掉，继续供风。这时，外喷火焰柱即可形成中空火焰，其外循环烟气与助燃空气仍按一定的比例进行供风。中空火焰形成后，可使火焰中部与外部温度一致，从而抑制了NOx的产生。

另一个助燃空气入口通过风轮会产生强烈的高速旋转气流，与弱旋的生物质燃气形成交叉掺入，从而带动火焰高速旋转，使空气与生物质燃气的混合更加均匀，以使火焰燃烧更加完全。

（4）放散管的控制阀门与炉后的引风机连锁安全控制技术

一般来讲，工业炉（锅炉）的炉膛均采用负压操作（特殊情况除外），这是由炉后引风机来完成操作的。引风机一旦坏了或失效，整个系统就会形成正压操作。特别是炉膛，可能会带来一系列的安全问题，如炉膛爆炸、人身安全事故等。若及时打开炉前的放散管阀门，让可燃气体向外排出，即可避免这一安全事故的发生。

（5）助燃空气的加热控制技术

对于工业锅炉而言，助燃风机一般设在燃气燃烧器旁。这对于天然气燃烧还可以，但由于生物质燃气是一种低热值燃气，其发热量为（700～1 200）×4.18 kJ/m3，是很难点着的，必须有其他燃气，如液化石油气、柴油、焦炉煤气等加以点火助燃。因此，供风温度越高越好，特别是北方。

因此，其助燃空气一般安装在锅炉后，空气预热器下方，将空气加热其助燃效果更好。加热后的助燃空气与生物质燃气均混后，可节约燃气最少在10%以上（与同类型的生物质燃气燃烧器相比）。

2 高效节能型生物质气化炉新工艺设备选型设计的创新要点

（1）系列型抗油、抗水、抗粉尘高效节能低氮型生物质燃气工艺生产线。

（2）花瓶式生物质层燃气化炉外形结构有利于产气、凝结有害物，集中产生可燃气流，极大减少气流阻力，通畅无阻地进入文氏管型的第一级除油、除水、除粉尘高温分离器。

（3）采用文氏管预混型气化炉炉下点火方式[4]。

（4）采用新式蜗壳型高温固气分离器，并将文氏管洗涤器应用于进气口连接管，在高压水雾的作用下使生物质燃气达到降温的目的。省去原设计的在高温旋风收尘器内为隔热设置的耐火高温浇注料，减轻了重量，提高了产品的竞争力。

（5）采用新式的固气分离器替代老式的旋风收尘器，新式的固气分离器内设置了垂直于内壁并与燃气气流相向一定角度的挡板。垂直于内壁的挡板均匀布置，这样有利于更加快捷收集燃气中的水雾、焦油与粉尘。并在筒内的下部设置气流凝集区，这样有助于灰、油、水加速凝聚，有助于除去燃气中的有害物，提高了除尘效率。

（6）下灰除渣进一步改进，设置二次相互连锁的电动阀门，有助于除渣并严防漏风。

（7）第二级除油、除水、除粉尘中的引风机采用了新型的直型叶片，这种叶片在高速回转情况下，产生强大的离心力，并在叶片中部产生强而有力的负压区，使燃气中的有害物抛向四周，直至风机机壳的内侧处。

（8）在风机底部设置有除油、除水、除尘的长方形小孔，与燃气气流相向处设置的挡板能让燃气中的有害物质顺着挡板流进小孔下方的灰渣小桶，并通过阀门定期加以清除。

（9）当生物质燃气通过相关燃气阀门组进入燃气燃烧器组织燃烧供热时，应国家环保要求设计成一种抗油、抗水、抗粉尘系列型全自动化生物质燃气低氮型燃烧器。

3 结语

为了实现我国的能源利用的多样化，生物质能源的利用应尽早提上日程。 如何利用好生物质能源，我们认为制成颗粒直接燃烧并不是唯一有效的办法。将生物质制气后通过管道输送至各个受热体，应是良好的替代方案。不同的生物质有不同的燃烧特性，只有不断地研究与探索各生物质的燃烧特性，才能有效地产出高热值的生物质燃气供给各个受热体使用。未来可能比较遥远，但我们的步伐仍会一步步前行。