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劉軍偉1，雷廷宙1，劉景偉2，李在峰1，楊樹華1
(1.河南省科學院能源研究所有限公司，鄭州450008；2.河南省扶溝縣城關鎮一中，461300)
摘要：采用新設計的中型下吸式生物質顆粒氣化爐供能系統，針對用戶實際需要進行了試驗研究。特別是對供風量與火力大小的關系、生物質的密度與氣化強度間的關系和最快啟動方式、最優封火方式等進行了試驗，試驗結果可為氣化爐高效運行及進一步的改進提供依據。
生物質氣化-燃燒系統采用先氣化后燃燒的方式利用生物質燃料，由于燃燒部分燃用的是生物質燃氣，因此燃燒充分不會產生黑煙，不需要除塵裝置，而且負荷調節范圍寬，還可以儲存輸送，使用靈活便利。通常利用鍋爐直接燃燒生物質，燃料熱效率通常僅15%，采用生物質氣化2燃燒，由于生物質可以被充分氣化，技術灰分中殘留碳含量低，生物質資源的利用效率可以提高到約70%。下吸式氣化爐是一種傳統的生物質氣化裝置，可以為小型企業生產提供用能，也適合用于居民取暖，其特點也比較符合我國的國情，有很好的應用前景，當然這種裝置目前還有許多缺點和不足，有待于改進和完善。本文將在常規的下吸式氣化爐基礎上設計一種新的氣化爐，并把它與燃氣裝置形成組成完整的生物質能燃燒系統，對燃氣一些關鍵的運行參數進行試驗，探討達到理想效果的措施。
1系統的設計
1.1氣化特點
采用下吸式氣化，顆粒燃料在氣化爐中自上而下形成干燥層、氧化層、還原層、灰層：在進氣口附近，由于空氣充足主要形成氧化層；揮發份已經析出但未燃盡的顆粒在下部形成還原層；顆粒燃料經過揮發份析出、氧化、還原和成灰等過程，最終形成燃盡的白灰。隨著反應的進行，燃料逐步向下流動，產生的燃氣經過爐排輸送至管道，氣化產生的灰通過搖桿定期排入灰倉。運行過程中，形成穩定的反應層是氣化爐正常產氣的可靠保證。爐體的保溫不但影響系統的熱效率，而且對氣化爐的快速啟動和穩定運行起到了決定作用[1，2]。
1.2結構和參數
傳統的下吸式氣化采用抽風的方式，氣化爐在負壓下運行，由于氣化產生的高溫燃氣含有的一些酸性物，容易對風機造成腐蝕，而且燃氣中的焦油含量高，容易造成管道堵塞。為防止管道的堵塞，新設計的氣化爐采用正壓方式，把抽風改為鼓風，同時敞開的加料口改為密閉的。為了讓進氣口的配氣更均勻，把4個口增加到8個口，避免氧化層處結渣影響氣化爐的運行。保溫采用三層，最內部耐火層，中間為珍珠巖，爐體外部再涂保溫漆一層，可以使氣化爐表面溫度保持在50℃以下。該氣化燃燒系統主要由氣化爐、輸送管道、燃氣燃燒器和控制柜組成，為防止燃氣中的焦油析出，輸送管道亦采用保溫材料包裹，見圖1。氣化爐的相關參數見表1。
1.3裝置的性能和使用效果
新設計的生物質氣化裝置，經過試驗運行，結果表明性能良好，特別是采用了高溫燃氣直燃技術和保溫技術，熱效率高，氣化過程中不再析出焦油。清潔的燃氣作為加熱鍋、灶、鍋爐的燃料非常適合于對環境要求較高的小城鎮城區飯店、賓館、洗浴等行業。
(1)生物質燃料利用的熱效率高本文設計研制的氣化裝置生產的燃氣，由于采用了直接燃燒技術，因此可以不降溫凈化，因而熱能的浪費大大減少，熱效率可以達到75%以上，比普通氣化爐高20%以上，燃氣熱值也比普通氣化爐高30%以上。
(2)運行穩定氣化裝置運行工況穩定，產生的氣體成分和熱值穩定。
(3)啟動快，一次加料使用時間長該氣化裝置啟動快，可以在3min內啟動完畢，加一次料最長可以連續使用4h。
(4)控制調節方便供風量和產氣量在很大范圍內有良好的線性關系，可以通過調節供風量直接控制產氣量，控制系統設計方便簡單運行可靠。
(5)封火方便能夠在1min內完成封火，由于該氣化裝置在設計中加強了保溫，停爐后熱損少。封火時間可以持續5天以上。
(6)配置方便氣化裝置與燃氣裝置分離，可以通過管道將氣化裝置的產氣將輸送供遠處(30m之內)的燃氣裝置燃用。根據用戶需要，一臺氣化爐還可以通過兩條管道帶動兩臺燃燒設備。
(7)無焦油的二次污染，燃燒效率高由于氣化燃氣不經過降溫凈化，焦油隨燃氣一起燃燒，因此不但可以提高產氣的熱值，而且可以避免輸氣管道的堵塞，焦油帶來的二次污染得到了解決。
2運行優化的試驗分析
為了使系統達到最優的運行效果，并為系統的改進提供參考依據，課題組利用試驗的方法，對新設計研制氣化裝置的供風量與火力大小的關系、氣化原料生物質的密度與氣化強度的關系和所生產的燃氣成分與空氣當量比的關系進行了研究，并對最佳的啟動與封火方式進行了探討。試驗采用的顆粒燃料由玉米稈制作；供風由羅茨風機提供，風量通過轉子流量計測定；火力強度和氣化效率用正平衡的方法測定，即氣化燃氣的有效利用熱量與氣化爐的輸入熱量的比值。
2.1空氣當量比與火力、氣化效率間的關系
氣化裝置運行時，爐膛內的氣化強度是指單位時間單位橫截面積所產生的燃氣量，其大小與供風量密切相關，運行中掌握合適的供風量非常重要。如果供風量太小，生物質燃料的氣化速度就會太慢，導致爐膛的火力不強，氣化爐的氣化效率就會很低；如果供風量過大，生物質燃料的氣化就會太強烈，導致氣化爐內部熱量劇烈聚集甚至結渣，盡管燃料消耗量大大增加但是爐膛內的火力不一定得到相應的加強，氣化爐的氣化效率也不一定高；供風量調整得合適火力強度和最大熱效率也較高[3]。調節不同的運行工況，并測定火力強度，得到了圖2和圖3的結果。
從圖2中可以看到，在供風量小于14m3/h(換算為空氣當量比小于0.23)時，隨著供風量的增大，火力強度也在增大，但是超過14m3/h后，再增大供風量，火力強度的增速減緩，曲線趨于平直。從圖3可以看到，當空氣當量比為0.22附近時氣化效率最高，表明生物質原料中的能量在該爐中已經最大限度地轉移到了輸出的燃氣中。
2.2生物質成型燃料的密度與氣化強度間的關系
未成型的生物質燃料結構疏松能量密度低，不便長距離運輸與儲存，因此為了適合大規模應用一般都被壓成顆粒、塊狀或者棒狀的成型燃料[4]。由于壓制工藝或因其他原因成型燃料密度會有差異，這種差異也會影響到氣化效果。試驗采用顆粒與塊狀燃料，顆粒與塊狀燃料又分別取密度不同的3種形態。圖4是采用各種生物質成型燃料氣化，在相同的氣化爐中可以達到的火力強度；圖5是各種燃料可以達到的連續運行時間，這個時間長短反映了氣化爐運行的穩定性。
從圖中可以看到，采用顆粒燃料作為原料氣化裝置的氣化強度要比塊狀高，連續運行時間也要比塊狀長；這是因為塊狀燃料的體積大、孔隙大，密度要比顆粒小、流動性也差。同一種形狀的成型燃料，氣化效果也是密度大的比密度小的好。實踐表明，采用合格的顆粒燃料，新研制的氣化爐啟動后可以連續運行。這是因為致密性高的顆粒流動性好，隨著反應的進行，顆粒燃料的料層在自身重力作用下可以自行地緩慢地下移，補充下面的氧化層與還原層保證氣化穩定的進行。
2.3啟動方式
除了運行特性，氣化爐的快速啟動也是氣化系統的關鍵技術之一，因為氣化裝置的冷啟動性能影響到啟動時對環境的污染以及使用的便利性。氣化爐啟動時燃氣因氣化不完全熱值較低不能燃用，只能放空，對周圍空氣環境造成污染，因此氣化裝置的啟動時間越短越好；啟動時間短氣化裝置能夠很快達到穩定產氣狀態，也便利氣化爐的使用。氣化爐在冷爐啟動時，一般要先用木材等易燃物烘爐，烘爐的溫度和時間直接影響到啟動的效果。圖6是烘爐時間和啟動氣時間的試驗結果，試驗中每次烘爐達到給的時間后立即停止添加木材，進入啟動狀態加入顆粒原料并開始計時，啟動初期產生的燃氣不可燃，待產氣完全可燃時認為啟動結束進入正常運行。
從圖中可以看到，烘爐時間越長則啟動時間越短，因此在實際應用中為了縮短啟動時間減少廢氣的排放，應當在啟動前充分加熱預熱。
2.4封火方式
封火性能也影響到了氣化爐的使用便利性，與燃煤爐相似，生物質氣化爐封火時亦需通入少量空氣，以維持爐內溫度。新氣化爐頂部開孔，利用自然抽力引入空氣，并加閥門以調節進入爐內的空氣量。影響封火性能的主要因素是空氣引入量與爐中生料量，保溫層的效果也間接影響到封火性能。
試驗中發現，氣化爐在封火期間爐內的生料如果太多，生料中的水分大量析出會使氣化爐內部結滿冷凝水，導致下次開爐無法正常啟動；但是生料不夠就不能在封火期間為氣化爐提供足夠的熱量。試驗結果表明，對于內徑為400mm的氣化爐，如果要封火10h，爐內的最佳的生料余量為5～7kg。封火期間通入爐內的空氣量對封火效果也有很大影響。空氣量過大生料將提前燃盡導致熄火；空氣量過小爐內反應產生的熱量不足以維持爐溫，同樣導致熄火。該系統封火時通氣采用了DN20型通氣閥，試驗結果表明開度在70%～80%為宜。
3結論
本文設計研制的中型下吸式生物質顆粒正壓氣化爐，采用了正壓運行，燃氣不需降溫凈化直接燃燒，同時加強了保溫，因此熱效率高，無二次污染。通過試驗探索了氣化爐運行的優化措施，結果表明：
(1)采用氣化燃氣高溫直燃的方式具有較大的優越性，焦油不析出，解決了二次污染；
(2)空氣當量比在0.22～0.23時，火力強度較大，而氣化效率此時為最高；
(3)采用致密顆粒燃料時氣化強度最高，氣化爐運行最穩定，低密度成型燃料、碎料或者是大塊成型燃料由于其孔隙大、流動性差，因此不適合采用；
(4)采用正確的操作方法，該氣化供能系統可以實現快速啟動，并且可以實現封火。
參考文獻：
[1]王華軍，李淑蘭，何曉峰，等.家用生物質氣化機關鍵設計技術的研究與分析[J].河南科學，2001(4)：19-23.
[2]雷廷宙，沈勝強，崔俊貞，等.固定床生物質氣化機組主要技術性能試驗研究[J].河南科學，2006(1)：33-35.
[3]萬仁新.生物質能工程[M].北京：中國農業出版社，1995.
[4]張瑞芹.生物質衍生的燃料和化學物質[M].鄭州：鄭州大學出版社，2004. |
