新型下吸式生物质气化炉的研制

宋龙朝， 王科社， 索双富， 王冬， 李德生

（1.北京信息科技大学，北京100192；2.清华大学，北京100083；3.中国地质大学，武汉430074）

1 引 言

生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源。目前世界能源紧缺，石化能源储量有限，亟待开发新能源，实现可持续发展。作为农业大国，我国每年林业废弃物和农业生产剩余物质产量高达7 亿t，蕴藏着巨大的生物质能。提高生物质能的利用效率，对节约常规能源、减少环境污染、保护生态环境具有重要意义。

目前人们已经开发了许多生物质能利用技术，主要分为直接燃烧技术、生物质气化技术和生化转换技术，其中生物质气化技术应用最为广泛。生物质气化设备主要有固定床气化炉和流化床气化炉两类。固定床气化炉又有下吸式和上吸式两种。流化床气化炉结构较复杂，不利于大规模推广。目前应用比较广泛的主要是下吸式固定床气化炉,但下吸式气化炉普遍存在结构复杂、气化气杂质过多等缺点，急需开发新型实用气化炉［1-2］。

2 下吸式气化炉的工作原理

下吸式气化炉的示意图如图1 所示，生物质及空气由上部进入，生物质产出气由下部排出。

图1 下吸式气化炉示意图

下吸式气化炉的工作原理如图2。生物质进入到气化炉内后最初在物料的最上层，即处于干燥区内，在干燥区物料由于受外腔里的热气体及内胆里热气体的热辐射作用，物料吸收热量，生物质内的水分蒸发出去，变成干物料。随着物料的消耗干燥区物料向下移动进入裂解区，裂解区的温度高，达到了挥发分溢出温度，生物质在裂解区开始裂解，产生挥发分气体，干生物质逐渐分解为炭、挥发分及焦油等成分。而生成的炭随着物料的消耗继续下移落入氧化区，空气气化剂一般在氧化区加入。在氧化区，裂解区生成的炭与气化剂中的氧进行燃烧反应生成二氧化碳、一氧化碳，并放出大量的热量，这些热量是整个生物质气化全过程顺利进行的保证。在反应中没有消耗掉的炭继续下移进入还原区，在还原区，与裂解区及氧化区生成的二氧化碳发生还原反应生成一氧化碳；炉内水蒸气也会与炭反应生成氢气和一氧化碳，灰渣则排入灰室中。下吸式气化炉的还原区温度为800℃，氧化区温度达1100℃，裂解区温度为500℃～700℃，干燥区温度约为300℃［4］。

图2 下吸式气化炉工作原理

3 下吸式生物质气化炉的结构、要求及设计计算

3.1 气化炉所要满足的要求

（1）产气效率高且质量好；（2）结构简单，便于操作；

（3）运行时间长。

生物质气化炉为锰矿还原提供热量，这就要求气化炉能够连续供气并能够长时间运行。

3.2 气化炉的结构

根据下吸式气化炉的原理，设计一种新型实用气化炉，其结构如图3。

下吸式气化炉的工况：料斗内物料经下料机构进入炉体，下料机构由电机带动皮带传动转动，物料在下落到炉桥的过程中，进行气化反应，产生气化气，气化气中有灰分等杂质，先后进入一二级过滤筒，灰分落入下部储灰室，积累过多时，灰分从一二级出灰口中排除。较干净的气化气最终从出气口排除。

为了便于反应，要对生物质进行制粒加工。生物质颗粒燃料致密均匀，限制了挥发分溢出速度，延长了燃烧时间，缓解了空气供给矛盾。生物质颗粒燃料碳结构紧密，充分反应后形成焦炭，利于灰分排除。使用550 型生物质颗粒机加工后的生物质颗粒如图4。

图3 新型实用气化炉结构图

图4 生物质颗粒

3.3 生物质原料的选取及燃气成分

秸秆是农村最常见的生物质资源，本文气化炉采用玉米秸秆作为生物质。玉米秸秆的主要成分是碳（C）、氢（H）、氧（O）及少量的氮（N）、硫（S）等元素，并含有少量灰分及水分。生物质含有不同元素，它将影响生物质的燃烧状态。玉米秸秆的化学成分见表1［4］。

生物质的工业成分是指生物质含有挥发分、固定碳、水分和灰分的多少，这也对生物质的燃烧状态产生影响。玉米秸秆的工业分析见表2［4］。

由于不同类型的气化炉，燃气成分会有所差异，同一气化炉使用不同的生物质时燃气成分也不同，因此，我们使用生物质燃气平均值进行设计计算。生物质燃气组份体积含量见表3。

表1 玉米秸秆的化学成分

表2 玉米秸秆的工业分析

表3 生物质燃气组份体积含量/%

3.4 生物质气化炉主要结构参数的设计计算

气化强度是指气化炉单位截面积单位时间内气化的生物质量，kg/（m2·h），固定床一般为100～250kg/（m2·h）［5-7］。

本文选用玉米秸秆的气化强度Φ 为：

气化效率是指单位质量生物质所得到的燃气完全燃烧释放的热量与所使用的生物质发热量之比，即

式中，η-气化效率；Vm-单位质量生物质的产气量（标准状况下），m3/kg；Hm-燃气低位热值（标准状况下），kJ/m3；H-生物质的低位热值；国内生物质气化炉的气化效率一般为70%～75%，我们取气化效率η=70%。

式中：M-每小时气化炉所气化的物料重量（M=150kg）［8］；Φ-气化强度，200kg/（m2·h）；S-气化炉炉膛截面积，m2；D-气化炉炉膛直径，m；结合式（1）～式（4），S=0.75m2；D=0.98m。

气化炉高度：生物质在炉内应有足够的反应滞留时间，这与燃烧层的高度及生物质的下降速度有关。

式中，t-气化炉连续工作时间，取t=1h；ρ-玉米秸秆的堆密度，取ρ=200kg/m3。

式中，q-生物质气化体积所效率。当玉米秸秆作为生物质原料时，取q=0.22，则β1=1，β2=1.22。

为保证炉内原料能够稳定下移，炉膛上部要有足够的空间，取炉膛上端距离炉口高度为0.3m。炉膛下部为灰室，去灰室高度0.3m。

3.5 玉米秸秆完全燃烧所需空气量的计算

由表1 知，玉米秸秆含有碳、氢、硫、氧、氮等元素，氮不参与反应，因此只考虑其他四种元素的含量。

碳完全燃烧的反应：

可知1kg 碳需要氧气为1.866m3；

氢燃烧反应：

可知1kg 氢需要氧气为5.6m3；

硫燃烧反应：

可知1kg 硫需要氧气为0.7m3；

1kg 秸秆中含氧［O］，即相当于提供了［O］×22.4/32=0.7［O］m3氧气，则秸秆完全燃烧所需氧气量［10］：

由表1 知，玉米秸秆中，主要元素含量：

则玉米秸秆完全燃烧需要的氧气量：

3.6 气化炉中玉米秸秆气化所需空气量的计算

图5 气化气成分与空气量的关系

3.7 主要部件的功能及结构

料斗：储存生物质颗粒；

下料机构：下料机构的设计很关键，既要保证物料顺利下落进入反应炉体，又要保证物料下降速度不能过快，以免造成物料在炉桥上的堆积。所设计的下料机构如图6。工作时，下料机构两端封闭，电动机带动下料机构转动。下料机构筒壁有一方形缺口，当缺口转到料斗方向时，物料掉入下料机构内部，当下料机构转到反应炉方向时，物料落入反应炉内。此下料机构具有结构简单、操作方便、密封性较好、能够实现连续工作等优点。

图6 下料机构

观察口：用于观察炉内反应情况及点火；

炉桥：隔离反应区和炉底，保证空气顺利鼓入鼓风机：用于鼓入空气；

出灰口：排出炉桥落入的灰分；；

一二级过滤筒：生物质气中的杂质在过滤筒内因重力下降，分离气体中灰分等杂质；杂质可由一二级出灰口排出。

此下吸式气化炉的另一主要部件是炉桥。炉桥是隔绝灰室与反应区的部件，既要保证空气能够顺利地从灰室进入反应区，又不能阻挡灰分下落，是固定床气化炉中易损坏的部件。所涉及的上吸式生物质气化炉体积小、成本低，故炉桥要结构简单，易于拆卸。所设计的炉桥是用不锈钢钢条平行布置，焊接在环形钢条上，倾斜安装在炉膛内，可以从观察口取出。倾斜放置时，炉桥截面为一椭圆，炉桥应为椭圆。炉桥外形如图7。

图7 炉桥

炉桥在反应炉炉体内倾斜40°安装，靠近进风口一段偏高，这样安装可以保证炉桥靠进风口一侧风速更高，吹入炉体内的空气可以形成涡流，延长生物质在炉体内停留时间，从而延长反应时间，使反应更充分地进行。

4 气化炉炉壁的热传导分析

生物质气化炉炉壁的热传导描述：气化炉炉体为钢圆柱体，半径为0.5m，炉壁厚度为0.1m，钢的传热系数为70W/（m·°C）。先测得炉外壁温度400°C，内壁温度900°C。由于炉壁厚度远小于炉体半径，因此炉壁可简化为矩形模型。运用ANSYS 进行热传导分析，炉壁的温度分布如图8。

图8 炉壁热传导分析

可以看出，炉壁温度很高。高的温度会辐射到周围空气中，不仅不利于人员安全，也会对电机等设备产生不良影响，因此，必须设计散热装置。散热结构如图9，它利用水的流动带走热量，达到降温的目的，它结构简单，效果明显。

图9 散热结构

5 结 语

根据下吸式固定床生物质气化理论，研制出了一种新型实用生物质气化炉。该气化炉结构简单，便于生产操作，且产气中杂质较少。由于气化炉炉壁温度高，专门为气化炉设计了水冷却装置，结构简单，效果明显。根据应用场所的不同，生物质气化炉系统也不同，所介绍的生物质气化炉适合小规模商业使用，实用性强。

［1］ 张明.生物质直接燃烧技术的发展研究［J］.能源研究与信息，2005，21（1）：15.

［2］ 任永志，董立明.下吸式生物质气化炉的设计［J］.农村能源，2000（4）：16-18.

［3］ 朱华柄，胡孔元，陈天虎，等.内燃加热式生物质气化炉设计［J］.农业机械学报，2009（2）：96－102.

［4］ 马隆龙，吴创之，孙立.生物质气化技术及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［5］ 张百良.农村能源工程学［M］.北京：中国农业出版社，1999.

［6］ 袁振宏，关创之，马隆龙.生物质能利用原理与技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.

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［8］ 王冬，等.一种以生物质还原二氧化锰矿系统的运行平衡量分析［J］.机械设计，2012（29）:193-195.

［9］ 程冠华，等.用于双燃料发动机的移动层下吸式生物质气化炉及净化系统［J］.农村能源，1998（6）:18-22.

［10］ 宋秋，任永志，孙波.生物质气化炉设计要点［J］.节能与环保，2002（2）：49－51.