宋龍朝， 王科社， 索雙富， 王冬， 李德生

（1.北京信息科技大學(xué)，北京100192；2.清華大學(xué)，北京100083；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，武漢430074）

1 引 言

生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源。目前世界能源緊缺，石化能源儲(chǔ)量有限，亟待開(kāi)發(fā)新能源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)每年林業(yè)廢棄物和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剩余物質(zhì)產(chǎn)量高達(dá)7 億t，蘊(yùn)藏著巨大的生物質(zhì)能。提高生物質(zhì)能的利用效率，對(duì)節(jié)約常規(guī)能源、減少環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

目前人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多生物質(zhì)能利用技術(shù)，主要分為直接燃燒技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)和生化轉(zhuǎn)換技術(shù)，其中生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。生物質(zhì)氣化設(shè)備主要有固定床氣化爐和流化床氣化爐兩類(lèi)。固定床氣化爐又有下吸式和上吸式兩種。流化床氣化爐結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不利于大規(guī)模推廣。目前應(yīng)用比較廣泛的主要是下吸式固定床氣化爐,但下吸式氣化爐普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣化氣雜質(zhì)過(guò)多等缺點(diǎn)，急需開(kāi)發(fā)新型實(shí)用氣化爐［1-2］。

2 下吸式氣化爐的工作原理

下吸式氣化爐的示意圖如圖1 所示，生物質(zhì)及空氣由上部進(jìn)入，生物質(zhì)產(chǎn)出氣由下部排出。

圖1 下吸式氣化爐示意圖

下吸式氣化爐的工作原理如圖2。生物質(zhì)進(jìn)入到氣化爐內(nèi)后最初在物料的最上層，即處于干燥區(qū)內(nèi)，在干燥區(qū)物料由于受外腔里的熱氣體及內(nèi)膽里熱氣體的熱輻射作用，物料吸收熱量，生物質(zhì)內(nèi)的水分蒸發(fā)出去，變成干物料。隨著物料的消耗干燥區(qū)物料向下移動(dòng)進(jìn)入裂解區(qū)，裂解區(qū)的溫度高，達(dá)到了揮發(fā)分溢出溫度，生物質(zhì)在裂解區(qū)開(kāi)始裂解，產(chǎn)生揮發(fā)分氣體，干生物質(zhì)逐漸分解為炭、揮發(fā)分及焦油等成分。而生成的炭隨著物料的消耗繼續(xù)下移落入氧化區(qū)，空氣氣化劑一般在氧化區(qū)加入。在氧化區(qū)，裂解區(qū)生成的炭與氣化劑中的氧進(jìn)行燃燒反應(yīng)生成二氧化碳、一氧化碳，并放出大量的熱量，這些熱量是整個(gè)生物質(zhì)氣化全過(guò)程順利進(jìn)行的保證。在反應(yīng)中沒(méi)有消耗掉的炭繼續(xù)下移進(jìn)入還原區(qū)，在還原區(qū)，與裂解區(qū)及氧化區(qū)生成的二氧化碳發(fā)生還原反應(yīng)生成一氧化碳；爐內(nèi)水蒸氣也會(huì)與炭反應(yīng)生成氫氣和一氧化碳，灰渣則排入灰室中。下吸式氣化爐的還原區(qū)溫度為800℃，氧化區(qū)溫度達(dá)1100℃，裂解區(qū)溫度為500℃～700℃，干燥區(qū)溫度約為300℃［4］。

圖2 下吸式氣化爐工作原理

3 下吸式生物質(zhì)氣化爐的結(jié)構(gòu)、要求及設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 氣化爐所要滿(mǎn)足的要求

（1）產(chǎn)氣效率高且質(zhì)量好；（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作；

（3）運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。

生物質(zhì)氣化爐為錳礦還原提供熱量，這就要求氣化爐能夠連續(xù)供氣并能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

3.2 氣化爐的結(jié)構(gòu)

根據(jù)下吸式氣化爐的原理，設(shè)計(jì)一種新型實(shí)用氣化爐，其結(jié)構(gòu)如圖3。

下吸式氣化爐的工況：料斗內(nèi)物料經(jīng)下料機(jī)構(gòu)進(jìn)入爐體，下料機(jī)構(gòu)由電機(jī)帶動(dòng)皮帶傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料在下落到爐橋的過(guò)程中，進(jìn)行氣化反應(yīng)，產(chǎn)生氣化氣，氣化氣中有灰分等雜質(zhì)，先后進(jìn)入一二級(jí)過(guò)濾筒，灰分落入下部?jī)?chǔ)灰室，積累過(guò)多時(shí)，灰分從一二級(jí)出灰口中排除。較干凈的氣化氣最終從出氣口排除。

為了便于反應(yīng)，要對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行制粒加工。生物質(zhì)顆粒燃料致密均勻，限制了揮發(fā)分溢出速度，延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間，緩解了空氣供給矛盾。生物質(zhì)顆粒燃料碳結(jié)構(gòu)緊密，充分反應(yīng)后形成焦炭，利于灰分排除。使用550 型生物質(zhì)顆粒機(jī)加工后的生物質(zhì)顆粒如圖4。

圖3 新型實(shí)用氣化爐結(jié)構(gòu)圖

圖4 生物質(zhì)顆粒

3.3 生物質(zhì)原料的選取及燃?xì)獬煞?/h3>

秸稈是農(nóng)村最常見(jiàn)的生物質(zhì)資源，本文氣化爐采用玉米秸稈作為生物質(zhì)。玉米秸稈的主要成分是碳（C）、氫（H）、氧（O）及少量的氮（N）、硫（S）等元素，并含有少量灰分及水分。生物質(zhì)含有不同元素，它將影響生物質(zhì)的燃燒狀態(tài)。玉米秸稈的化學(xué)成分見(jiàn)表1［4］。

生物質(zhì)的工業(yè)成分是指生物質(zhì)含有揮發(fā)分、固定碳、水分和灰分的多少，這也對(duì)生物質(zhì)的燃燒狀態(tài)產(chǎn)生影響。玉米秸稈的工業(yè)分析見(jiàn)表2［4］。

由于不同類(lèi)型的氣化爐，燃?xì)獬煞謺?huì)有所差異，同一氣化爐使用不同的生物質(zhì)時(shí)燃?xì)獬煞忠膊煌?，因此，我們使用生物質(zhì)燃?xì)馄骄颠M(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。生物質(zhì)燃?xì)饨M份體積含量見(jiàn)表3。

表1 玉米秸稈的化學(xué)成分

表2 玉米秸稈的工業(yè)分析

表3 生物質(zhì)燃?xì)饨M份體積含量/%

3.4 生物質(zhì)氣化爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

氣化強(qiáng)度是指氣化爐單位截面積單位時(shí)間內(nèi)氣化的生物質(zhì)量，kg/（m2·h），固定床一般為100～250kg/（m2·h）［5-7］。

本文選用玉米秸稈的氣化強(qiáng)度Φ 為：

氣化效率是指單位質(zhì)量生物質(zhì)所得到的燃?xì)馔耆紵尫诺臒崃颗c所使用的生物質(zhì)發(fā)熱量之比，即

式中，η-氣化效率；Vm-單位質(zhì)量生物質(zhì)的產(chǎn)氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），m3/kg；Hm-燃?xì)獾臀粺嶂担?biāo)準(zhǔn)狀況下），kJ/m3；H-生物質(zhì)的低位熱值；國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化爐的氣化效率一般為70%～75%，我們?nèi)饣师?70%。

式中：M-每小時(shí)氣化爐所氣化的物料重量（M=150kg）［8］；Φ-氣化強(qiáng)度，200kg/（m2·h）；S-氣化爐爐膛截面積，m2；D-氣化爐爐膛直徑，m；結(jié)合式（1）～式（4），S=0.75m2；D=0.98m。

氣化爐高度：生物質(zhì)在爐內(nèi)應(yīng)有足夠的反應(yīng)滯留時(shí)間，這與燃燒層的高度及生物質(zhì)的下降速度有關(guān)。

式中，t-氣化爐連續(xù)工作時(shí)間，取t=1h；ρ-玉米秸稈的堆密度，取ρ=200kg/m3。

式中，q-生物質(zhì)氣化體積所效率。當(dāng)玉米秸稈作為生物質(zhì)原料時(shí)，取q=0.22，則β1=1，β2=1.22。

為保證爐內(nèi)原料能夠穩(wěn)定下移，爐膛上部要有足夠的空間，取爐膛上端距離爐口高度為0.3m。爐膛下部為灰室，去灰室高度0.3m。

3.5 玉米秸稈完全燃燒所需空氣量的計(jì)算

由表1 知，玉米秸稈含有碳、氫、硫、氧、氮等元素，氮不參與反應(yīng)，因此只考慮其他四種元素的含量。

碳完全燃燒的反應(yīng)：

可知1kg 碳需要氧氣為1.866m3；

氫燃燒反應(yīng)：

可知1kg 氫需要氧氣為5.6m3；

硫燃燒反應(yīng)：

可知1kg 硫需要氧氣為0.7m3；

1kg 秸稈中含氧［O］，即相當(dāng)于提供了［O］×22.4/32=0.7［O］m3氧氣，則秸稈完全燃燒所需氧氣量［10］：

由表1 知，玉米秸稈中，主要元素含量：

則玉米秸稈完全燃燒需要的氧氣量：

3.6 氣化爐中玉米秸稈氣化所需空氣量的計(jì)算

圖5 氣化氣成分與空氣量的關(guān)系

3.7 主要部件的功能及結(jié)構(gòu)

料斗：儲(chǔ)存生物質(zhì)顆粒；

下料機(jī)構(gòu)：下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，既要保證物料順利下落進(jìn)入反應(yīng)爐體，又要保證物料下降速度不能過(guò)快，以免造成物料在爐橋上的堆積。所設(shè)計(jì)的下料機(jī)構(gòu)如圖6。工作時(shí)，下料機(jī)構(gòu)兩端封閉，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。下料機(jī)構(gòu)筒壁有一方形缺口，當(dāng)缺口轉(zhuǎn)到料斗方向時(shí)，物料掉入下料機(jī)構(gòu)內(nèi)部，當(dāng)下料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到反應(yīng)爐方向時(shí)，物料落入反應(yīng)爐內(nèi)。此下料機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、密封性較好、能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 下料機(jī)構(gòu)

觀察口：用于觀察爐內(nèi)反應(yīng)情況及點(diǎn)火；

爐橋：隔離反應(yīng)區(qū)和爐底，保證空氣順利鼓入鼓風(fēng)機(jī)：用于鼓入空氣；

出灰口：排出爐橋落入的灰分；；

一二級(jí)過(guò)濾筒：生物質(zhì)氣中的雜質(zhì)在過(guò)濾筒內(nèi)因重力下降，分離氣體中灰分等雜質(zhì)；雜質(zhì)可由一二級(jí)出灰口排出。

此下吸式氣化爐的另一主要部件是爐橋。爐橋是隔絕灰室與反應(yīng)區(qū)的部件，既要保證空氣能夠順利地從灰室進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，又不能阻擋灰分下落，是固定床氣化爐中易損壞的部件。所涉及的上吸式生物質(zhì)氣化爐體積小、成本低，故爐橋要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于拆卸。所設(shè)計(jì)的爐橋是用不銹鋼鋼條平行布置，焊接在環(huán)形鋼條上，傾斜安裝在爐膛內(nèi)，可以從觀察口取出。傾斜放置時(shí)，爐橋截面為一橢圓，爐橋應(yīng)為橢圓。爐橋外形如圖7。

圖7 爐橋

爐橋在反應(yīng)爐爐體內(nèi)傾斜40°安裝，靠近進(jìn)風(fēng)口一段偏高，這樣安裝可以保證爐橋靠進(jìn)風(fēng)口一側(cè)風(fēng)速更高，吹入爐體內(nèi)的空氣可以形成渦流，延長(zhǎng)生物質(zhì)在爐體內(nèi)停留時(shí)間，從而延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，使反應(yīng)更充分地進(jìn)行。

4 氣化爐爐壁的熱傳導(dǎo)分析

生物質(zhì)氣化爐爐壁的熱傳導(dǎo)描述：氣化爐爐體為鋼圓柱體，半徑為0.5m，爐壁厚度為0.1m，鋼的傳熱系數(shù)為70W/（m·°C）。先測(cè)得爐外壁溫度400°C，內(nèi)壁溫度900°C。由于爐壁厚度遠(yuǎn)小于爐體半徑，因此爐壁可簡(jiǎn)化為矩形模型。運(yùn)用ANSYS 進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，爐壁的溫度分布如圖8。

圖8 爐壁熱傳導(dǎo)分析

可以看出，爐壁溫度很高。高的溫度會(huì)輻射到周?chē)諝庵?，不僅不利于人員安全，也會(huì)對(duì)電機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生不良影響，因此，必須設(shè)計(jì)散熱裝置。散熱結(jié)構(gòu)如圖9，它利用水的流動(dòng)帶走熱量，達(dá)到降溫的目的，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果明顯。

圖9 散熱結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)下吸式固定床生物質(zhì)氣化理論，研制出了一種新型實(shí)用生物質(zhì)氣化爐。該氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)操作，且產(chǎn)氣中雜質(zhì)較少。由于氣化爐爐壁溫度高，專(zhuān)門(mén)為氣化爐設(shè)計(jì)了水冷卻裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果明顯。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所的不同，生物質(zhì)氣化爐系統(tǒng)也不同，所介紹的生物質(zhì)氣化爐適合小規(guī)模商業(yè)使用，實(shí)用性強(qiáng)。

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