以空氣-水蒸汽為氣化劑下吸式生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

傅玉棟，徐有寧，陳俊峰

（沈陽(yáng)工程學(xué)院能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136）

面對(duì)日益突出的能源短缺和環(huán)境治理問(wèn)題，新型清潔能源的開(kāi)發(fā)與利用是社會(huì)發(fā)展的必然要求。在眾多新能源之中，生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)與利用得到了更廣泛的關(guān)注。生物質(zhì)能是最重要和最普遍的能源之一。目前，我國(guó)的生物質(zhì)能利用效率非常低，一些新技術(shù)還未成熟，未能得到廣泛發(fā)展[1]。

生物質(zhì)氣化技術(shù)主要包括以空氣、水蒸汽、富氧等為氣化劑的固定床和流化床氣化技術(shù)[2]。其中，下吸式固定床氣化爐的燃料由氣化爐頂部加入。隨著氣化反應(yīng)的進(jìn)行，生物質(zhì)燃料依靠自身重量，逐漸下移，氣化后產(chǎn)生的灰由爐底排出。下吸式固定床氣化爐由于其裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行方便，而且對(duì)反應(yīng)變化適應(yīng)性強(qiáng)，燃?xì)饨褂秃枯^少等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[3]。然而，下吸式氣化爐的氣化效率相對(duì)較低，床層阻力較大，運(yùn)行不穩(wěn)定，易發(fā)生“搭橋”和床層燒穿等問(wèn)題。因此，針對(duì)下吸式氣化爐特點(diǎn)，分析了下吸式氣化爐的設(shè)計(jì)要素，并設(shè)計(jì)了以空氣-水蒸汽為氣化劑的氣化爐。

1下吸式氣化爐主要部件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)1臺(tái)功率為135 kW的下吸式氣化爐，取燃?xì)獾臀粺嶂礠net=5 200 kJ/Nm3，氣化爐產(chǎn)氣負(fù)荷取值Bg=0.3 Nm3/(cm2·h)。氣化燃料選取松木顆粒，其元素分析和工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

表1松木的工業(yè)分析和元素分析 %

1.1喉部尺寸

喉部形狀和直徑大小直接決定氣化爐的性能。帶喉部的氣化爐可以增加氣化還原區(qū)的反應(yīng)時(shí)間，提高氣化效率,一定程度上還對(duì)“搭橋”有所改善。此外，還能保證還原反應(yīng)區(qū)的溫度要求。喉部直徑直接影響氣化爐的出力，直徑過(guò)小滿足不了斷面熱負(fù)荷的要求，而直徑過(guò)大需要更高的流速才能夠使空氣噴射到氣化爐中心，會(huì)對(duì)燃?xì)獯釉斐捎绊慬4]，這也限制了下吸式氣化爐大型化的發(fā)展。

通過(guò)氣化爐功率計(jì)算公式得出氣化爐單位時(shí)間產(chǎn)氣量V[5-6]：

式中，P為氣化爐功率，A為氣化爐喉部截面積，其值由式（2）算得，通過(guò)式（3）可算出氣化爐喉部直徑d=20 cm。

1.2空氣噴嘴

ER是實(shí)際通入的空氣量與理論完全燃燒空氣量的比值。ER小于0.2，則會(huì)導(dǎo)致氣化不完全，燃?xì)庵杏羞^(guò)多的焦油，生成的燃?xì)鉄嶂颠^(guò)低等問(wèn)題；ER大于0.4，完全燃燒比重加大，燃?xì)庵蠧O2、H2O量增加，CO、H2含量減少，熱值降低。所以，最佳ER選擇范圍是0.2～0.3[7]。

ER選取0.25，按照氣化爐最大處理燃料量為100 kg/h設(shè)計(jì)，生物質(zhì)氣化所需空氣量約為69 m3/h，則噴嘴直徑取30 mm。

1.3氣化爐高度

固定床氣化爐高度為爐內(nèi)各反應(yīng)區(qū)與灰室、燃料儲(chǔ)存層高度之和。干燥和熱解區(qū)熱量來(lái)源于氧化區(qū)燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，所以干燥區(qū)與熱解區(qū)高度很小。此外，干燥熱解區(qū)高度還和氣化爐直徑、燃料顆粒度等因素有關(guān)。綜合考慮各因素，干燥熱解區(qū)高度取值為300 mm。

考慮灰室和燃料儲(chǔ)存層高度不低于600 mm，氣化爐總高度取值為1 250 mm。

1.4蒸汽噴嘴尺寸

蒸汽作為氣化劑不僅可以提高燃?xì)馄焚|(zhì)，增加H2含量，還能輔助控制反應(yīng)床溫，避免床溫過(guò)高，造成堿金屬腐蝕設(shè)備。

蒸汽量的衡量用指標(biāo)S/B，其值取0.1，蒸汽噴嘴直徑為dn1=25 mm。

氣化爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1氣化爐結(jié)構(gòu)

2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用空氣-水蒸汽作為氣化劑，在僅以空氣為氣化劑的條件下，改變空氣當(dāng)量比ER，測(cè)定反應(yīng)溫度、燃?xì)饨M分及熱值，確定最佳空氣當(dāng)量比。保持最佳空氣當(dāng)量比不變，改變通入水蒸汽的流量，確定以空氣-水蒸汽為氣化介質(zhì)的氣化爐特性參數(shù)。

試驗(yàn)過(guò)程如下：

1）為氣化爐添加新料至加料口，點(diǎn)火后待各測(cè)溫點(diǎn)溫度穩(wěn)定后，通入空氣和空氣-水蒸汽，每隔3 min，記錄該工況下氣化溫度及燃?xì)饨M分變化。燃?xì)饨M分通過(guò)型號(hào)為GASBOARD-3100P的紅外煤氣分析儀進(jìn)行檢測(cè)。

2）待氣化反應(yīng)結(jié)束，燃燒器火焰熄滅后，關(guān)停蒸汽發(fā)生器和通風(fēng)機(jī)，排空尾氣。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為還原反應(yīng)溫度、熱值與ER關(guān)系曲線，隨著ER的增加，爐內(nèi)O2增加，氧化反應(yīng)增強(qiáng)，產(chǎn)生更多熱量使還原反應(yīng)溫度增加，當(dāng)ER為0.263時(shí)，反應(yīng)溫度為671℃，達(dá)到峰值。當(dāng)ER大于0.263時(shí)，隨著ER繼續(xù)增加，惰性氣體N2也增加，使?fàn)t內(nèi)部分熱量被N2帶出，降低反應(yīng)溫度。

圖2還原區(qū)反應(yīng)溫度和熱值隨ER變化曲線

圖3為ER對(duì)燃?xì)飧鹘M分百分含量的影響，隨著ER從0.242增加到0.283，燃?xì)庵蠧O和H2的含量先增加后降低。當(dāng)ER為0.271時(shí)，CO含量最高，達(dá)到27.9%，而此時(shí)H2含量較低，為7.86%。圖2熱值與ER變化曲線顯示，當(dāng)ER為0.263時(shí)，燃?xì)饩哂休^高熱值，為1 569 kcal/Nm3，還原區(qū)溫度升高促進(jìn)了CO和H2的生成。所以，該氣化爐最佳ER值取0.263。

圖3燃?xì)飧鹘M分百分含量隨ER變化曲線

對(duì)于下吸式氣化爐，氣化劑量和反應(yīng)溫度直接決定氣化效果。隨著S/B的增加，燃?xì)飧鞒煞趾坑休^大的變化，其中CO含量逐漸降低，當(dāng)S/B增加到0.144時(shí)，達(dá)到最低值；H2含量則逐漸升高，當(dāng)S/B增加到0.108時(shí)，達(dá)到峰值。而CH4和CnHm含量變化并不大，如圖4所示。

圖4燃?xì)飧鹘M分百分含量隨S/B變化曲線

產(chǎn)生該變化的原因是當(dāng)通入蒸汽氣化劑后，還原區(qū)進(jìn)行CO變換反應(yīng)：

由反應(yīng)式可以看出，CO參與了變換反應(yīng)，生成了H2。因此，CO濃度是逐漸降低的，而H2含量是逐漸增加的。H2含量增加時(shí)，燃?xì)馊紵鹧嫱饩夘伾仕{(lán)色。

還原區(qū)反應(yīng)溫度隨S/B的增加而逐漸降低，當(dāng)溫度低于600℃時(shí)，CO變換反應(yīng)進(jìn)行緩慢。當(dāng)S/B進(jìn)一步增加，反應(yīng)溫度則繼續(xù)降低，使氣化爐內(nèi)的可燃?xì)怏w含量減少。通過(guò)分析可以得出，該氣化爐當(dāng)量比ER為0.263，S/B值為0.078時(shí)，燃?xì)鉄嶂颠_(dá)到最大，即1 627 kcal/Nm3，如圖5所示。

圖5還原區(qū)反應(yīng)溫度和熱值隨S/B變化曲線

4結(jié)論

下吸式氣化爐喉部直徑、空氣噴嘴等主要部件對(duì)氣化效果有較大的影響，綜合考慮各影響因素，設(shè)計(jì)了1臺(tái)以空氣-水蒸汽為氣化劑的生物質(zhì)氣化爐。在僅以空氣為氣化劑的條件下，確定了該氣化爐最佳空氣當(dāng)量比；在保持最佳空氣當(dāng)量比不變的條件下，研究了S/B值對(duì)該氣化爐氣化特性的影響。

試驗(yàn)表明，當(dāng)ER為0.263時(shí)，還原區(qū)反應(yīng)溫度最高為671℃，燃?xì)鉄嶂底畲鬄? 569 kcal/Nm3；而當(dāng)ER大于0.263時(shí)，繼續(xù)增大ER，反應(yīng)溫度會(huì)降低，可燃?xì)怏wCO和H2含量也減少。通入水蒸汽后，隨著S/B值的增加，還原區(qū)發(fā)生CO變換反應(yīng)，燃?xì)庵蠧O含量會(huì)逐漸減少，而H2含量會(huì)逐漸增加。但是隨著S/B值的增加，反應(yīng)區(qū)溫度會(huì)逐漸降低，當(dāng)溫度低于600℃以下時(shí)，氣化效果變差，燃?xì)鉄嶂到档洼^多。該氣化爐在以空氣-水蒸汽為氣化劑，ER為0.263、S/B為0.078時(shí)，得到最大燃?xì)鉄嶂禐? 627 kcal/Nm3。