秸秆连续气化大型装备的研究

续建康，张玉珍

1.山东红帆能源科技有限公司，山东济南 250101

2.济南重工股份有限公司，山东济南 250109

0 引言

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，目前我国正处在城镇化,工业化快速发展阶段，要保持经济长期平稳较快发展，保障能源安全十分重要。而煤、石油、天然气等传统化石能源资源日益枯竭，迫切需要开发可再生的能源资源以补充和替代现有的化石能源。生物质作为重要的环境友好的可再生能源资源，是开发利用可再生能源资源实现可持续发展的一个主要方向。

我国潜在的生物质资源非常丰富。全国农作物年产生物质约7亿吨，可作为燃料的生物质占50%以上。农产品加工废弃物如稻壳、甘蔗渣、发酵残渣等在2亿吨以上。各类林木质废弃物资源量在3亿吨以上。据推测，到2020年，中国可开发生物质资源量至少可相当于15亿吨标准煤。如何对这些生物质资源进行深层次、有效的开发利用成为我国建立资源节约型、环境友好型社会和社会主义新农村建设的迫切要求。

1 背景

生物质气化是实现低品位生物质能源深层次利用的有效手段，可以减缓对化石燃料的严重依赖和直接燃用化石燃料带来的严重环境污染，对提高农村生活水平、改善生态环境、保障国家能源安全等具有重要意义。我国政府近年来对生物质气化逐渐重视起来，相关研究取得了一定成果，相关技术也已在国内进行了示范应用。

目前我国的气化技术主要以固定床生物质气化炉为主，总体上可分为上吸式和下吸式两种。原料都是从设备上部投入，经过干燥、热分解、还原、氧化。上吸式在设备底部用风机强制送风，在设备上部输出燃气。而下吸式在设备底部用引风机强制输出燃气。上吸式燃气中的焦油含量高，净化程序复杂，成本高。下吸式燃气中的焦油含量低，净化程序简单，因而在市场上得到更多应用。但下吸式存在不能连续产气，间歇运行造成大量原料浪费，产气率低，燃气质量也不高，难以应用于发电等诸多领域。而且技术开发还主要依赖于政府资金扶持，难以引起投资者的兴趣进行工程开发。因此，开发一种具有高附加值，产气量大且能连续运行的气化装备，尤其能够为投资者带来经济效益的气化装备是十分必要的。

3 气化装备技术研发

3.1 系统简介

本研究课题通过深入研究气化过程中的影响因素，并根据气化产生热化学反应的能量转化过程，研制开发了一种产气量大，可连续运行，自动化程度高的生物质气化装备。设备整体性能指标得到大幅提升,气化效率大于70%,燃气热值大于1250kcal/Nm3,出炉燃气焦油含量小于1000mg/Nm3,氧含量小于1%。设备可以满足连续稳定运行,可调控性能显著提升,燃气品质好,应用范围广，将实现对固定床气化技术及设备的革新。

装备主要由炉顶、炉膛、链条传动、炉底、传动轴、炉腰、炉顶搅拌配风、燃烧层配风、炉排、炉底排灰密封、炉排电动机等装置及控制系统组成。工作流程为∶生物质原料由炉顶的螺旋进料器进入炉膛,由炉顶搅拌配风装置拌合均匀,启动引风和配风风机,根据气化燃烧的特点和气化剂供给量需求,通过炉顶搅拌配风装置和燃烧层配风装置对炉膛内进行主动配风。同时根据工况要求,启动配风控制系统对配风过程进行实时控制和调节。通过引风机使气化装备底部形成微负压,炉膛内燃烧气化产生的燃气由上而下输出。系统燃烧所产生的灰分通过滚动炉排装置连续排出,排灰装置根据中央控制系统采集到的炉底灰层高度数据,实时启动将灰渣及时排出。通过系统各装置的协同工作,保证装备系统的连续稳定运行。

图1

图2

本装备具有以下特点：1）设计方案中采用主动配风，富氧燃烧的理念，研制主动配风装置，自动调节气化过程中所需气化剂量及各层的温度,优化气化反应过程,使生物质在燃烧层内均匀充分燃烧,实现高产气率、高热值, 提高气化效率；2）研制输送便利且能相对密封的物料供给装置，满足主动配风环境要求；3）研制可以自动破渣，连续排灰的炉排装置，提高气化装备自动化程度和连续工作能力；4）优化气化结构，实现余热的充分收集和气化剂预热，提高系统热效率；5）建立完善的自动调控系统，保障气化过程的自动，可靠地运行。装备结构如图1、图2：

设备外景

中试试验

3.2 重点零部件炉排装置计算机有限元分析

炉排装置采用RQTA122作为炉排材料。RQTA122在空气环境中耐热温度达到1100℃,抗高温、耐腐蚀性较好。利用Pro-E软件建模和Ansys软件对炉排装置进行热-力耦合分析研究。

温度场分布云图

位移场变化云图

综合温度场和位移场云图,炉排材料RQTA122满足实际工况需求。

3.3 典型原料的气化性能试验分析

以玉米秸秆为原料进行气化性能检测分析：

可燃气体成分随配风量的变化趋势

非可燃气体含量随配风量的变化趋势

由图分析，CO2的比例随着配风总量的增加呈现先降后增的变化趋势。当CO2的含量达到最低时，装备内气化运行状况处于最佳状态, 此时CO2充分还原转化为CO。

燃气热值随配风流量的变化趋势

装备各层反应温度的变化趋势

焦油含量随配风流量的变化趋势

焦油的裂解随温度的升高较为敏感，在800℃以上的高温时，焦油的裂解率随着气化剂供应的增加而迅速升高。因此，通过气化剂的调节，实现对焦油热裂解去除具有重要意义。

原料产气率随配风流量的变化趋势

配风流量在550～680m3/h为第一阶段，这一区域气化装备产气率较低，气体中可燃气体含量较低，燃气质量较差。配风流量在680～910m3/h为第二阶段，为可燃气体占比例最高的一个阶段。氧化、还原反应均衡，气体反应处于最佳阶段。配风流量在910m3/h以后，虽然原料产气率较高，但随着空气量增加，燃气中非可燃气体占有的比重升高。

针对不同秸秆原料，课题组对装备工作性能进行了现场测试，总结如下：

本装备经北京市公共事业研究院检测，装备燃气热值达到5488KJ/Nm3，远优于国家标准4600KJ/Nm3的规定，氧含量0.9%，完全符合行业标准的指标要求。

4 结论

本气化装备的燃气生产连续性强,焦油裂解效率高,燃气清洁性好,适合于规模化生产应用。对我国生物质气化炊事、发电、供热技术的工业化应用提供了可靠的依据。不仅可以实现生物质能源的高效利用，还可以直接推进农村经济的可持续发展。同时也是贯彻党中央国务院提出的可持续发展观和科学发展观，在促进我国经济进步的同时，减少温室气体的排放，最大限度的保护好我们赖以生存的环境。

[1]董玉平，等.中国生物质气化技术的研究和发展现状，山东大学学报（工学版），2007，2.

[2]袁振宏，吴创之，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.

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