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任永志(遼寧省能源研究所營口 115000)
董立明(遼寧省營口市環境監測中心站營口 115003)
摘要：介紹了下吸式生物質氣化爐的工作原理、特點，以及主要結構尺寸的設計要點。
下吸式生物質氣化爐由于具有結構簡單，易于操作，產出氣的焦油含量低等優點已經得到了廣泛的應用。生物質氣化過程是一個復雜的熱化學反應過程，生物質氣化爐各部位結構尺寸將極大地影響氣化爐的熱效率、產氣成分和產氣品質，所以設計合理的生物質氣化爐是有效利用生物質能的關鍵。下面針對下吸式氣化爐的特點介紹其設計要點。
1下吸式生物質氣化爐的工作原理
如圖1所示，作為氣化劑的空氣從氣化爐側壁空氣噴嘴吹入，產出氣的流動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，這一區域稱為氧化區，溫度約為900~1200℃，產生的熱量用于支持熱解區裂解反應和還原區還原反應的進行；氧化區的上部為熱解區，溫度約為300~700℃，在這一區域，生物質中的揮發分(裂解氣、焦油以及水分)被分離出來；熱解區的上部為干燥區，物料在此區域被預熱；氧化區的下部為還原區，氧化區產生的CO2、炭和水蒸氣在這一區域進行還原反應，同時殘余的焦油在此區域發生裂解反應，產生以CO和H2為主的產出氣，這一區域的溫度約為700~900℃。來自熱解區富含焦油的氣體須經過高溫氧化區和以熾熱焦炭為主的還原區，其中的焦油在高溫下被裂解，從而使產出氣中的焦油大為減少。
2下吸式生物質氣化爐的特點
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氣能力和產氣品質。
②為保證物料與空氣的充分混合，在“喉部”布置多個空氣噴嘴。一般有外噴(空氣由喉部外壁向中心噴射)和內噴(空氣由喉部中心供氣管向外噴射)兩種布置形式，其中第一種形式應用較多。
③氣化爐料斗外壁焊有翅片，以增大產出氣與料斗的換熱面積，降低產出氣的溫度，提高氣化爐的熱效率。
④氣化爐內具有火焰溫度穩定效應，即當反應溫度偏高時，作為吸熱的還原反應相對加劇，從而降低了氣體溫度；當反應溫度偏低時，還原反應相對減緩，放熱的氧化反應占優勢，又使氣體溫度升高。火焰溫度穩定在800~1200℃，這樣產出氣成分也相對穩定。
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構形式的氣化爐，尤其是上吸式氣化爐。
3下吸式生物質氣化爐設計要點
(1)設計要求
應了解生物質物料的物理特性。
①物料熱值為了保證生物質氣化爐結構尺寸的合理性與經濟性，計算氣化爐入爐熱量時，應采用生物質物料的應用基低位發熱量，即:物料完全燃燒時放出的全部熱量中扣除水蒸氣氣化潛熱后所得到的發熱量。
·物料水分含量物料中水分的蒸發所造成的熱損失使氣化爐熱效率降低，同時也降低了產出氣的品質。當物料中的水分高于一定值(約70%)時，燃燒反應不能進行，依靠燃燒反應提供熱量的還原反應(產氣反應)也停止進行。物料中水分一般控制在15%以內。
·物料粒度從化學反應動力學角度分析，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，但氣流阻力和風機的負荷增加；反之，粒度較大的物料與氣化劑接觸面積變小，反應不夠完全，同時容易產生“搭橋”現象，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下的密度。堆密度的大小影響到氣化爐內物料的駐留時間、下落速度，同時也影響到氣化爐各部位的幾何尺寸。表1給出常見生物質物料的堆密度，以供參考。
·揮發分含量生物質物料中的揮發分含量為63%~80%。通過合理的“喉部”設計，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出氣。
·灰分含量物料中存在較多的灰分且灰熔點較低時會造成氣化爐氧化區內結渣，產出氣中焦油含量增大，嚴重時，氣化爐不能運行。一般灰分含量在5%以內，氣化爐能夠可靠地運行。表2給出常見生物質物料的灰分含量，以供參考。確定氣化爐產出氣參數，如產氣量、產氣成分等。對于下吸式氣化爐，單臺最大產氣量不應超過500m3/h。
②應從結構上考慮氣化爐各密封面的良好密封，防止漏風和產出氣泄露。
③“喉部”空氣噴嘴附近區域應敷設耐火材料，以防燒壞“喉部”，噴嘴應采用不銹鋼材料。
④“喉部”尺寸較大或生物質物料粒度較小時應加設鑄鐵爐柵。
(2)理論計算及主要結構尺寸的確定
①理論空氣量的確定以及噴嘴幾何尺寸的計算
生物質物料與空氣在氣化爐中發生復雜的熱化學反應，從熱動力學角度分析，空氣量對于產出氣成分的影響可以從圖2中看出，圖中橫坐標值為所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當量比。
從圖2中曲線可以看出，當量比為0時，沒有氧氣輸入，直接加熱物料的反應屬于熱解反應，雖然也可以產生H2，CO，CH4等可燃成分，但產出氣中焦油含量很高，并且約占物料質量30%的焦炭不能同時轉變為可燃氣體；當量比為1時，物料與氧氣發生完全燃燒反應，不能產生可燃氣；只有在當量比為0.25~0.3時，即氣化反應所需的氧僅為完全燃燒耗氧量的25%~30%，產出氣成分較理想。當生物質物料中水分較大或揮發分較小時應取上限，反之取下限。計算氣化爐反應所需空氣量時，應首先根據生物質物料的元素分析結果，按下式計算出其完全燃燒所需理論空氣量V，然后按當量比0.25~0.3計算實際所需空氣量V氣。
噴嘴中空氣流速推薦值為15~20m/s，根據計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量。在結構允許的條件下，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，增加風機負荷。
②“喉部”幾何尺寸的計算
“喉部”的幾何尺寸決定了氣化爐的產氣能力，應根據氣化強度以及物料的物理特性進行計算。
由于生物質物料的堆密度、粒度相差較大，這將明顯影響物料在爐內的駐留時間，這就要求氣化爐因物料不同而選用差別較大的氣化強度。對于堆密度較小或粒度較小的物料，其爐內駐留時間短，氣化強度應相應減小；反之，應增大氣化強度。一般氣化強度推薦值為500~2000kg/(h·m2)。
盡管下吸式氣化爐產出氣中焦油含量很少，但根據產出氣的不同應用場合，還應當配置不同的除焦油設備，以及除塵、除濕設備，以進一步提高產出氣的品質。 |
