中型下吸式生物质颗粒正压气化炉的研制和运行优化

刘军伟¹，雷廷宙¹，刘景伟²，李在峰¹，杨树华¹

(1.河南省科学院能源研究所有限公司，郑州450008；2.河南省扶沟县城关镇一中，461300)

　　摘要：采用新设计的中型下吸式生物质颗粒气化炉供能系统，针对用户实际需要进行了试验研究。特别是对供风量与火力大小的关系、生物质的密度与气化强度间的关系和最快启动方式、最优封火方式等进行了试验，试验结果可为气化炉高效运行及进一步的改进提供依据。

　　生物质气化-燃烧系统采用先气化后燃烧的方式利用生物质燃料，由于燃烧部分燃用的是生物质燃气，因此燃烧充分不会产生黑烟，不需要除尘装置，而且负荷调节范围宽，还可以储存输送，使用灵活便利。通常利用锅炉直接燃烧生物质，燃料热效率通常仅15%，采用生物质气化2燃烧，由于生物质可以被充分气化，技术灰分中残留碳含量低，生物质资源的利用效率可以提高到约70%。下吸式气化炉是一种传统的生物质气化装置，可以为小型企业生产提供用能，也适合用于居民取暖，其特点也比较符合我国的国情，有很好的应用前景，当然这种装置目前还有许多缺点和不足，有待于改进和完善。本文将在常规的下吸式气化炉基础上设计一种新的气化炉，并把它与燃气装置形成组成完整的生物质能燃烧系统，对燃气一些关键的运行参数进行试验，探讨达到理想效果的措施。

　　1系统的设计

　　1.1气化特点

　　采用下吸式气化，颗粒燃料在气化炉中自上而下形成干燥层、氧化层、还原层、灰层：在进气口附近，由于空气充足主要形成氧化层；挥发份已经析出但未燃尽的颗粒在下部形成还原层；颗粒燃料经过挥发份析出、氧化、还原和成灰等过程，最终形成燃尽的白灰。随着反应的进行，燃料逐步向下流动，产生的燃气经过炉排输送至管道，气化产生的灰通过摇杆定期排入灰仓。运行过程中，形成稳定的反应层是气化炉正常产气的可靠保证。炉体的保温不但影响系统的热效率，而且对气化炉的快速启动和稳定运行起到了决定作用^[1，2]。

　　1.2结构和参数

　　传统的下吸式气化采用抽风的方式，气化炉在负压下运行，由于气化产生的高温燃气含有的一些酸性物，容易对风机造成腐蚀，而且燃气中的焦油含量高，容易造成管道堵塞。为防止管道的堵塞，新设计的气化炉采用正压方式，把抽风改为鼓风，同时敞开的加料口改为密闭的。为了让进气口的配气更均匀，把4个口增加到8个口，避免氧化层处结渣影响气化炉的运行。保温采用三层，最内部耐火层，中间为珍珠岩，炉体外部再涂保温漆一层，可以使气化炉表面温度保持在50℃以下。该气化燃烧系统主要由气化炉、输送管道、燃气燃烧器和控制柜组成，为防止燃气中的焦油析出，输送管道亦采用保温材料包裹，见图1。气化炉的相关参数见表1。

　　1.3装置的性能和使用效果

　　新设计的生物质气化装置，经过试验运行，结果表明性能良好，特别是采用了高温燃气直燃技术和保温技术，热效率高，气化过程中不再析出焦油。清洁的燃气作为加热锅、灶、锅炉的燃料非常适合于对环境要求较高的小城镇城区饭店、宾馆、洗浴等行业。

　　(1)生物质燃料利用的热效率高本文设计研制的气化装置生产的燃气，由于采用了直接燃烧技术，因此可以不降温净化，因而热能的浪费大大减少，热效率可以达到75%以上，比普通气化炉高20%以上，燃气热值也比普通气化炉高30%以上。

　　(2)运行稳定气化装置运行工况稳定，产生的气体成分和热值稳定。

　　(3)启动快，一次加料使用时间长该气化装置启动快，可以在3min内启动完毕，加一次料最长可以连续使用4h。

　　(4)控制调节方便供风量和产气量在很大范围内有良好的线性关系，可以通过调节供风量直接控制产气量，控制系统设计方便简单运行可靠。

　　(5)封火方便能够在1min内完成封火，由于该气化装置在设计中加强了保温，停炉后热损少。封火时间可以持续5天以上。

　　(6)配置方便气化装置与燃气装置分离，可以通过管道将气化装置的产气将输送供远处(30m之内)的燃气装置燃用。根据用户需要，一台气化炉还可以通过两条管道带动两台燃烧设备。

　　(7)无焦油的二次污染，燃烧效率高由于气化燃气不经过降温净化，焦油随燃气一起燃烧，因此不但可以提高产气的热值，而且可以避免输气管道的堵塞，焦油带来的二次污染得到了解决。

　　2运行优化的试验分析

　　为了使系统达到最优的运行效果，并为系统的改进提供参考依据，课题组利用试验的方法，对新设计研制气化装置的供风量与火力大小的关系、气化原料生物质的密度与气化强度的关系和所生产的燃气成分与空气当量比的关系进行了研究，并对最佳的启动与封火方式进行了探讨。试验采用的颗粒燃料由玉米秆制作；供风由罗茨风机提供，风量通过转子流量计测定；火力强度和气化效率用正平衡的方法测定，即气化燃气的有效利用热量与气化炉的输入热量的比值。

　　2.1空气当量比与火力、气化效率间的关系

　　气化装置运行时，炉膛内的气化强度是指单位时间单位横截面积所产生的燃气量，其大小与供风量密切相关，运行中掌握合适的供风量非常重要。如果供风量太小，生物质燃料的气化速度就会太慢，导致炉膛的火力不强，气化炉的气化效率就会很低；如果供风量过大，生物质燃料的气化就会太强烈，导致气化炉内部热量剧烈聚集甚至结渣，尽管燃料消耗量大大增加但是炉膛内的火力不一定得到相应的加强，气化炉的气化效率也不一定高；供风量调整得合适火力强度和最大热效率也较高^[3]。调节不同的运行工况，并测定火力强度，得到了图2和图3的结果。

　　　　从图2中可以看到，在供风量小于14m3/h(换算为空气当量比小于0.23)时，随着供风量的增大，火力强度也在增大，但是超过14m3/h后，再增大供风量，火力强度的增速减缓，曲线趋于平直。从图3可以看到，当空气当量比为0.22附近时气化效率最高，表明生物质原料中的能量在该炉中已经最大限度地转移到了输出的燃气中。

　　2.2生物质成型燃料的密度与气化强度间的关系

　　未成型的生物质燃料结构疏松能量密度低，不便长距离运输与储存，因此为了适合大规模应用一般都被压成颗粒、块状或者棒状的成型燃料^[4]。由于压制工艺或因其他原因成型燃料密度会有差异，这种差异也会影响到气化效果。试验采用颗粒与块状燃料，颗粒与块状燃料又分别取密度不同的3种形态。图4是采用各种生物质成型燃料气化，在相同的气化炉中可以达到的火力强度；图5是各种燃料可以达到的连续运行时间，这个时间长短反映了气化炉运行的稳定性。

　　从图中可以看到，采用颗粒燃料作为原料气化装置的气化强度要比块状高，连续运行时间也要比块状长；这是因为块状燃料的体积大、孔隙大，密度要比颗粒小、流动性也差。同一种形状的成型燃料，气化效果也是密度大的比密度小的好。实践表明，采用合格的颗粒燃料，新研制的气化炉启动后可以连续运行。这是因为致密性高的颗粒流动性好，随着反应的进行，颗粒燃料的料层在自身重力作用下可以自行地缓慢地下移，补充下面的氧化层与还原层保证气化稳定的进行。

　　2.3启动方式

　　除了运行特性，气化炉的快速启动也是气化系统的关键技术之一，因为气化装置的冷启动性能影响到启动时对环境的污染以及使用的便利性。气化炉启动时燃气因气化不完全热值较低不能燃用，只能放空，对周围空气环境造成污染，因此气化装置的启动时间越短越好；启动时间短气化装置能够很快达到稳定产气状态，也便利气化炉的使用。气化炉在冷炉启动时，一般要先用木材等易燃物烘炉，烘炉的温度和时间直接影响到启动的效果。图6是烘炉时间和启动气时间的试验结果，试验中每次烘炉达到给的时间后立即停止添加木材，进入启动状态加入颗粒原料并开始计时，启动初期产生的燃气不可燃，待产气完全可燃时认为启动结束进入正常运行。

　　从图中可以看到，烘炉时间越长则启动时间越短，因此在实际应用中为了缩短启动时间减少废气的排放，应当在启动前充分加热预热。

　　2.4封火方式

　　封火性能也影响到了气化炉的使用便利性，与燃煤炉相似，生物质气化炉封火时亦需通入少量空气，以维持炉内温度。新气化炉顶部开孔，利用自然抽力引入空气，并加阀门以调节进入炉内的空气量。影响封火性能的主要因素是空气引入量与炉中生料量，保温层的效果也间接影响到封火性能。

　　试验中发现，气化炉在封火期间炉内的生料如果太多，生料中的水分大量析出会使气化炉内部结满冷凝水，导致下次开炉无法正常启动；但是生料不够就不能在封火期间为气化炉提供足够的热量。试验结果表明，对于内径为400mm的气化炉，如果要封火10h，炉内的最佳的生料余量为5～7kg。封火期间通入炉内的空气量对封火效果也有很大影响。空气量过大生料将提前燃尽导致熄火；空气量过小炉内反应产生的热量不足以维持炉温，同样导致熄火。该系统封火时通气采用了DN20型通气阀，试验结果表明开度在70%～80%为宜。

　　3结论

　　本文设计研制的中型下吸式生物质颗粒正压气化炉，采用了正压运行，燃气不需降温净化直接燃烧，同时加强了保温，因此热效率高，无二次污染。通过试验探索了气化炉运行的优化措施，结果表明：

　　(1)采用气化燃气高温直燃的方式具有较大的优越性，焦油不析出，解决了二次污染；

　　(2)空气当量比在0.22～0.23时，火力强度较大，而气化效率此时为最高；

　　(3)采用致密颗粒燃料时气化强度最高，气化炉运行最稳定，低密度成型燃料、碎料或者是大块成型燃料由于其孔隙大、流动性差，因此不适合采用；

　　(4)采用正确的操作方法，该气化供能系统可以实现快速启动，并且可以实现封火。

　　参考文献：

　　[1]王华军，李淑兰，何晓峰，等.家用生物质气化机关键设计技术的研究与分析[J].河南科学，2001(4)：19-23.

　　[2]雷廷宙，沈胜强，崔俊贞，等.固定床生物质气化机组主要技术性能试验研究[J].河南科学，2006(1)：33-35.

　　[3]万仁新.生物质能工程[M].北京：中国农业出版社，1995.

　　[4]张瑞芹.生物质衍生的燃料和化学物质[M].郑州：郑州大学出版社，2004.