續(xù)建康，張玉珍

1.山東紅帆能源科技有限公司，山東濟(jì)南 250101

2.濟(jì)南重工股份有限公司，山東濟(jì)南 250109

0 引言

能源是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，目前我國(guó)正處在城鎮(zhèn)化,工業(yè)化快速發(fā)展階段，要保持經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期平穩(wěn)較快發(fā)展，保障能源安全十分重要。而煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源資源日益枯竭，迫切需要開(kāi)發(fā)可再生的能源資源以補(bǔ)充和替代現(xiàn)有的化石能源。生物質(zhì)作為重要的環(huán)境友好的可再生能源資源，是開(kāi)發(fā)利用可再生能源資源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)主要方向。

我國(guó)潛在的生物質(zhì)資源非常豐富。全國(guó)農(nóng)作物年產(chǎn)生物質(zhì)約7億噸，可作為燃料的生物質(zhì)占50%以上。農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物如稻殼、甘蔗渣、發(fā)酵殘?jiān)仍?億噸以上。各類(lèi)林木質(zhì)廢棄物資源量在3億噸以上。據(jù)推測(cè)，到2020年，中國(guó)可開(kāi)發(fā)生物質(zhì)資源量至少可相當(dāng)于15億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。如何對(duì)這些生物質(zhì)資源進(jìn)行深層次、有效的開(kāi)發(fā)利用成為我國(guó)建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的迫切要求。

1 背景

生物質(zhì)氣化是實(shí)現(xiàn)低品位生物質(zhì)能源深層次利用的有效手段，可以減緩對(duì)化石燃料的嚴(yán)重依賴(lài)和直接燃用化石燃料帶來(lái)的嚴(yán)重環(huán)境污染，對(duì)提高農(nóng)村生活水平、改善生態(tài)環(huán)境、保障國(guó)家能源安全等具有重要意義。我國(guó)政府近年來(lái)對(duì)生物質(zhì)氣化逐漸重視起來(lái)，相關(guān)研究取得了一定成果，相關(guān)技術(shù)也已在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了示范應(yīng)用。

目前我國(guó)的氣化技術(shù)主要以固定床生物質(zhì)氣化爐為主，總體上可分為上吸式和下吸式兩種。原料都是從設(shè)備上部投入，經(jīng)過(guò)干燥、熱分解、還原、氧化。上吸式在設(shè)備底部用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制送風(fēng)，在設(shè)備上部輸出燃?xì)狻６挛皆谠O(shè)備底部用引風(fēng)機(jī)強(qiáng)制輸出燃?xì)?。上吸式燃?xì)庵械慕褂秃扛?，凈化程序?fù)雜，成本高。下吸式燃?xì)庵械慕褂秃康?，凈化程序?jiǎn)單，因而在市場(chǎng)上得到更多應(yīng)用。但下吸式存在不能連續(xù)產(chǎn)氣，間歇運(yùn)行造成大量原料浪費(fèi)，產(chǎn)氣率低，燃?xì)赓|(zhì)量也不高，難以應(yīng)用于發(fā)電等諸多領(lǐng)域。而且技術(shù)開(kāi)發(fā)還主要依賴(lài)于政府資金扶持，難以引起投資者的興趣進(jìn)行工程開(kāi)發(fā)。因此，開(kāi)發(fā)一種具有高附加值，產(chǎn)氣量大且能連續(xù)運(yùn)行的氣化裝備，尤其能夠?yàn)橥顿Y者帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的氣化裝備是十分必要的。

3 氣化裝備技術(shù)研發(fā)

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本研究課題通過(guò)深入研究氣化過(guò)程中的影響因素，并根據(jù)氣化產(chǎn)生熱化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，研制開(kāi)發(fā)了一種產(chǎn)氣量大，可連續(xù)運(yùn)行，自動(dòng)化程度高的生物質(zhì)氣化裝備。設(shè)備整體性能指標(biāo)得到大幅提升,氣化效率大于70%,燃?xì)鉄嶂荡笥?250kcal/Nm3,出爐燃?xì)饨褂秃啃∮?000mg/Nm3,氧含量小于1%。設(shè)備可以滿(mǎn)足連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,可調(diào)控性能顯著提升,燃?xì)馄焚|(zhì)好,應(yīng)用范圍廣，將實(shí)現(xiàn)對(duì)固定床氣化技術(shù)及設(shè)備的革新。

裝備主要由爐頂、爐膛、鏈條傳動(dòng)、爐底、傳動(dòng)軸、爐腰、爐頂攪拌配風(fēng)、燃燒層配風(fēng)、爐排、爐底排灰密封、爐排電動(dòng)機(jī)等裝置及控制系統(tǒng)組成。工作流程為∶生物質(zhì)原料由爐頂?shù)穆菪M(jìn)料器進(jìn)入爐膛,由爐頂攪拌配風(fēng)裝置拌合均勻,啟動(dòng)引風(fēng)和配風(fēng)風(fēng)機(jī),根據(jù)氣化燃燒的特點(diǎn)和氣化劑供給量需求,通過(guò)爐頂攪拌配風(fēng)裝置和燃燒層配風(fēng)裝置對(duì)爐膛內(nèi)進(jìn)行主動(dòng)配風(fēng)。同時(shí)根據(jù)工況要求,啟動(dòng)配風(fēng)控制系統(tǒng)對(duì)配風(fēng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)。通過(guò)引風(fēng)機(jī)使氣化裝備底部形成微負(fù)壓,爐膛內(nèi)燃燒氣化產(chǎn)生的燃?xì)庥缮隙螺敵?。系統(tǒng)燃燒所產(chǎn)生的灰分通過(guò)滾動(dòng)爐排裝置連續(xù)排出,排灰裝置根據(jù)中央控制系統(tǒng)采集到的爐底灰層高度數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)啟動(dòng)將灰渣及時(shí)排出。通過(guò)系統(tǒng)各裝置的協(xié)同工作,保證裝備系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1

圖2

本裝備具有以下特點(diǎn)：1）設(shè)計(jì)方案中采用主動(dòng)配風(fēng)，富氧燃燒的理念，研制主動(dòng)配風(fēng)裝置，自動(dòng)調(diào)節(jié)氣化過(guò)程中所需氣化劑量及各層的溫度,優(yōu)化氣化反應(yīng)過(guò)程,使生物質(zhì)在燃燒層內(nèi)均勻充分燃燒,實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)氣率、高熱值, 提高氣化效率；2）研制輸送便利且能相對(duì)密封的物料供給裝置，滿(mǎn)足主動(dòng)配風(fēng)環(huán)境要求；3）研制可以自動(dòng)破渣，連續(xù)排灰的爐排裝置，提高氣化裝備自動(dòng)化程度和連續(xù)工作能力；4）優(yōu)化氣化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)余熱的充分收集和氣化劑預(yù)熱，提高系統(tǒng)熱效率；5）建立完善的自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，保障氣化過(guò)程的自動(dòng)，可靠地運(yùn)行。裝備結(jié)構(gòu)如圖1、圖2：

設(shè)備外景

中試試驗(yàn)

3.2 重點(diǎn)零部件爐排裝置計(jì)算機(jī)有限元分析

爐排裝置采用RQTA122作為爐排材料。RQTA122在空氣環(huán)境中耐熱溫度達(dá)到1100℃,抗高溫、耐腐蝕性較好。利用Pro-E軟件建模和Ansys軟件對(duì)爐排裝置進(jìn)行熱-力耦合分析研究。

溫度場(chǎng)分布云圖

位移場(chǎng)變化云圖

綜合溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)云圖,爐排材料RQTA122滿(mǎn)足實(shí)際工況需求。

3.3 典型原料的氣化性能試驗(yàn)分析

以玉米秸稈為原料進(jìn)行氣化性能檢測(cè)分析：

可燃?xì)怏w成分隨配風(fēng)量的變化趨勢(shì)

非可燃?xì)怏w含量隨配風(fēng)量的變化趨勢(shì)

由圖分析，CO2的比例隨著配風(fēng)總量的增加呈現(xiàn)先降后增的變化趨勢(shì)。當(dāng)CO2的含量達(dá)到最低時(shí)，裝備內(nèi)氣化運(yùn)行狀況處于最佳狀態(tài), 此時(shí)CO2充分還原轉(zhuǎn)化為CO。

燃?xì)鉄嶂惦S配風(fēng)流量的變化趨勢(shì)

裝備各層反應(yīng)溫度的變化趨勢(shì)

焦油含量隨配風(fēng)流量的變化趨勢(shì)

焦油的裂解隨溫度的升高較為敏感，在800℃以上的高溫時(shí)，焦油的裂解率隨著氣化劑供應(yīng)的增加而迅速升高。因此，通過(guò)氣化劑的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焦油熱裂解去除具有重要意義。

原料產(chǎn)氣率隨配風(fēng)流量的變化趨勢(shì)

配風(fēng)流量在550～680m3/h為第一階段，這一區(qū)域氣化裝備產(chǎn)氣率較低，氣體中可燃?xì)怏w含量較低，燃?xì)赓|(zhì)量較差。配風(fēng)流量在680～910m3/h為第二階段，為可燃?xì)怏w占比例最高的一個(gè)階段。氧化、還原反應(yīng)均衡，氣體反應(yīng)處于最佳階段。配風(fēng)流量在910m3/h以后，雖然原料產(chǎn)氣率較高，但隨著空氣量增加，燃?xì)庵蟹强扇細(xì)怏w占有的比重升高。

針對(duì)不同秸稈原料，課題組對(duì)裝備工作性能進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，總結(jié)如下：

本裝備經(jīng)北京市公共事業(yè)研究院檢測(cè)，裝備燃?xì)鉄嶂颠_(dá)到5488KJ/Nm3，遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)4600KJ/Nm3的規(guī)定，氧含量0.9%，完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本氣化裝備的燃?xì)馍a(chǎn)連續(xù)性強(qiáng),焦油裂解效率高,燃?xì)馇鍧嵭院?適合于規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。對(duì)我國(guó)生物質(zhì)氣化炊事、發(fā)電、供熱技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。不僅可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源的高效利用，還可以直接推進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)也是貫徹黨中央國(guó)務(wù)院提出的可持續(xù)發(fā)展觀和科學(xué)發(fā)展觀，在促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的同時(shí)，減少溫室氣體的排放，最大限度的保護(hù)好我們賴(lài)以生存的環(huán)境。

[1]董玉平，等.中國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007，2.

[2]袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]馬隆龍，吳創(chuàng)之，孫立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.