生物質(zhì)氣化爐設(shè)計要點
2021-10-25
摘 要：介紹了下吸式生物質(zhì)氣化爐的工作原理、特點，以及主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計要點。
1前言
我國每年林業(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，如何有效利用這一巨大資源，已成為擺在科研工作者面前的重要課題。生物質(zhì)氣化技術(shù)改變了直接燃燒生物質(zhì)的利用方式，提高了廢棄生物質(zhì)的能源品位，對節(jié)約常規(guī)能源、降低環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。
下吸式固定床氣化爐由于具有結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，產(chǎn)出氣焦油含量低等優(yōu)點已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。生物質(zhì)氣化過程是一個復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)過程，生物質(zhì)氣化爐各部位結(jié)構(gòu)尺寸將極大地影響氣化爐的熱效率、產(chǎn)氣成分和產(chǎn)氣品質(zhì),故設(shè)計合理的生物質(zhì)氣化爐是有效利用生物質(zhì)能的關(guān)鍵。
2下吸式生物質(zhì)氣化爐的工作原理
空氣作為氣化劑從氣化爐側(cè)壁空氣噴嘴吹入，其產(chǎn)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(qū)域稱為氧化區(qū)，溫度約為900～1200℃，產(chǎn)生的熱量用于支持熱解區(qū)裂解反應(yīng)和還原區(qū)還原反應(yīng)的進(jìn)行；氧化區(qū)的上部為熱解區(qū)，溫度約為300～700℃，在這一區(qū)域，生物質(zhì)中的揮發(fā)分（裂解氣、焦油以及水分）分離出來；熱解區(qū)的上部為干燥區(qū)，物料在此區(qū)域被預(yù)熱；在氧化區(qū)的下部為還原區(qū)，氧化區(qū)產(chǎn)生的CO2和碳、水蒸氣在這一區(qū)域進(jìn)行還原反應(yīng)，同時殘余的焦油在此區(qū)域發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生以CO和H2為主的產(chǎn)出氣，這一區(qū)域的溫度約為700～900℃。由于來自熱解區(qū)富含焦油的氣體須經(jīng)過高溫氧化區(qū)和以熾熱焦炭為主的還原區(qū)，氣體中的焦油在高溫下被裂解，從而使產(chǎn)出氣中的焦油大為減少。
3下吸式生物質(zhì)氣化爐的特點
a.為了使氧化區(qū)各部位的溫度均勻一致，不至于產(chǎn)生死區(qū)和過熱區(qū)，從而保證焦油裂解反應(yīng)最大限度地進(jìn)行，下吸式氣化爐料斗下部的橫截面尺寸變小，這個部位即所謂的“喉部”，“喉部”尺寸的大小決定了氣化爐的產(chǎn)氣能力和產(chǎn)氣品質(zhì)。
b.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（空氣由喉部外向中心噴射）和內(nèi)噴（空氣由喉部中心供氣管向外噴）兩種布置形式，其中第一種形式應(yīng)用較多。
c.在料斗外壁，多數(shù)下吸式氣化爐為增大換熱面積而焊有翅片，目的是用產(chǎn)出氣的熱量預(yù)熱料斗中的物料，同時也降低了產(chǎn)出氣的溫度，提高氣化爐的熱效率。
d.由于還原區(qū)位于氧化區(qū)下部以及高溫區(qū)裂解反應(yīng)的存在，使下吸式氣化爐內(nèi)產(chǎn)生了火焰溫度穩(wěn)定效應(yīng)。即當(dāng)反應(yīng)溫度偏高時，作為吸熱的還原反應(yīng)相對加劇，從而降低了氣體溫度；當(dāng)反應(yīng)溫度偏低時，還原反應(yīng)相對減緩，放熱的氧化反應(yīng)占優(yōu)勢，又使氣體溫度升高，火焰溫度的穩(wěn)定在800～1200℃，這樣產(chǎn)出氣成分也相對穩(wěn)定。
e.由于截面積較小的“喉部”的存在，使下吸式氣化爐在負(fù)荷適應(yīng)能力方面受到了一定的限制，同樣外形尺寸條件下，其產(chǎn)氣能力要低于其它結(jié)構(gòu)形式的氣化爐，尤其是上吸式氣化爐。
4下吸式生物質(zhì)氣化爐設(shè)計要點
4.1設(shè)計要求
首先要了解生物質(zhì)物料的物理特性，以及物料的主要化學(xué)成分。
4.1.1生物質(zhì)物料熱值
為了保證生物質(zhì)氣化爐結(jié)構(gòu)尺寸的合理性與經(jīng)濟(jì)性，計算氣化爐入爐熱量時，應(yīng)采用生物質(zhì)物料的應(yīng)用基低位發(fā)熱量。多數(shù)情況下，文獻(xiàn)或資料中提供的物料熱值為采用氧彈熱量計測出的應(yīng)用基高位發(fā)熱量，此時應(yīng)折算出其應(yīng)用基低位發(fā)熱量。
物料中的水分的蒸發(fā)所產(chǎn)生熱損失使氣化爐熱效率降低，同時也降低了產(chǎn)出氣的品質(zhì)。當(dāng)物料中的水分高于一定值時（約70%），燃燒反應(yīng)不能進(jìn)行，依靠燃燒反應(yīng)提供熱量的還原反應(yīng)（產(chǎn)氣反應(yīng)）更無法進(jìn)行。一般物料中水分控制在15%以內(nèi)時可以保證下吸式氣化爐經(jīng)濟(jì)、可靠地運行；物料過干時會使氣化爐過熱，可以采用濕空氣作為氣化劑。
4.1.2物料粒度
從化學(xué)動力學(xué)角度分析，較小的物料粒度能夠增大物料的表面積，使之與氣化劑混合充分，提高反應(yīng)速度，也使反應(yīng)更為完全，但較小的粒度增加了氣體的流動阻力和風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，同時會使下吸式氣化爐產(chǎn)出氣出口溫度降低；反之，較大的粒度使物料與氣化劑接觸面積變小，物料在爐內(nèi)駐留時間變短，反應(yīng)不夠完全，同時較大尺寸物料的存在會產(chǎn)生“搭橋”現(xiàn)象，使物料不能均勻下落，造成爐內(nèi)局部溫度增高（最高達(dá)2000℃），尤其是對于灰分大、灰熔點較低的物料，易于結(jié)渣。推薦物料尺寸在80×80×80mm與40×40×40mm之間較為合適，物料中允許有的過大尺寸顆粒與過小尺寸顆粒成分應(yīng)在10%以內(nèi)。
4.1.3物料的堆比重
物料的堆比重系指物料在自然堆積狀態(tài)的比重，堆比重的大小影響到氣化爐內(nèi)物料的駐留時間，物料下落速度以及產(chǎn)出氣流量，同時也影響到氣化爐各部位的幾何尺寸。
4.1.4揮發(fā)分含量
生物質(zhì)物料中的揮發(fā)分含量約為63%～80%，如圖1所示，在熱解區(qū)，溫度在300～700℃條件下，物料中的揮發(fā)分以水蒸氣、焦油、以及裂解氣混合物的形式從物料中分離出來，通過合理的喉部設(shè)計，保證一定厚度的熾熱焦炭層存在，可以使氣體中的焦油在氧化區(qū)和熾熱焦炭層中充分裂解，從而得到較為潔凈的產(chǎn)出氣。
4.1.5灰分含量
物料中存在較高的灰分且灰熔點較低時會造成氣化爐氧化區(qū)結(jié)渣，產(chǎn)出氣中焦油含量增大，嚴(yán)重時，氣化爐不能運行。一般灰分含量在5%以內(nèi)，氣化爐能夠可靠地運行。
4.1.6物料的主要化學(xué)成分
生物質(zhì)物料屬有機(jī)燃料，是復(fù)雜的高分子化合物。其主要成分是：碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、灰分及水分，除灰分和水分外，其它元素多以化合物狀態(tài)存在，通過元素分析可得知其化學(xué)成分。
4.2理論計算及主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定
4.2.1理論空氣量的確定
生物質(zhì)物料與空氣在氣化爐中發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，從熱動力學(xué)角度分析，空氣量對于產(chǎn)出氣的成分影響可以從圖2中看出，圖中橫坐標(biāo)值為所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當(dāng)量比。
根據(jù)試驗結(jié)果可知，當(dāng)量比為0時，沒有氧氣輸入，直接加熱物料的反應(yīng)屬于熱解反應(yīng)，雖然也可以產(chǎn)生H2，CO，CH4等可燃成分，但產(chǎn)出氣中焦油含量很高，并且約占物料質(zhì)量的30%焦炭不能同時轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇細(xì)怏w；當(dāng)量比為1時，物料與氧氣發(fā)生完全燃燒反應(yīng)，不能產(chǎn)生可燃?xì)?；只有在?dāng)量比為0.25～0.3，產(chǎn)出氣成分較理想，即氣化反應(yīng)所需的氧僅為完全燃燒耗氧量的25%～30%，當(dāng)生物質(zhì)物料中水分較大或揮發(fā)分較小時應(yīng)取上限，反之取下限。計算氣化爐反應(yīng)所需空氣量時，應(yīng)首先根據(jù)生物質(zhì)物料的元素分析結(jié)果按下式計算出其完全燃燒理論空氣量，然后按當(dāng)量比0.25～0.3計算實際所需空氣量V氣。
V=1/0.21（1.866C/100+5.55H/100+0.7S/100-0.7O/100）
式中：V——物料完全燃燒所需的理論空氣量，m3/kg；
C——物料碳元素含量，%；
H——物料氫元素含量，%；
S——物料硫元素含量，%；
O——物料氧元素含量，%。
4.2.2噴嘴幾何尺寸的計算
噴嘴幾何尺寸按下式計算。
V=GV氣/(3600 n π r2）
式中：G——生物質(zhì)消耗量，kg/h；
V——噴嘴中空氣流速，m/s；
V氣——氣化所需空氣量，m3/h；
n——嘴個數(shù)；
r——噴嘴半徑，m。
噴嘴中空氣流速推薦為15-20m/s，個根據(jù)計算的理論空氣量以及喉部的幾何尺寸確定噴嘴的孔徑和數(shù)量，在結(jié)構(gòu)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(fēng)機(jī)負(fù)荷。
4.2.3“喉部”幾何尺寸的計算
“喉部”的幾何尺寸決定了氣化爐的產(chǎn)氣能力，應(yīng)根據(jù)氣化強(qiáng)度以及物料的物理特性進(jìn)行計算。
氣化強(qiáng)度=每小時生物質(zhì)消耗量/喉部截面積 , kg/（h·m2）
由于生物質(zhì)物料的堆比重、粒度相差較大，這將明顯影響物料在爐內(nèi)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(qiáng)度。對于堆比重較小或粒度較小的物料
