高效洁净户用生物质气化及供热装置的研制

赵晓文，矫振伟，辛玲玲

(1．吉林大学 汽车动能模拟国家重点实验室，吉林 长春 130022;

2．吉林大学 汽车工程学院，吉林 长春 130022;

3．电装(中国)投资有限公司长春分公司，吉林 长春 130022)

0 引言

随着化石能源的日益枯竭和环境问题的日趋严重，具有环境友好和可再生的双重属性的生物质固体燃料受到重视［1］，近几年来在欧盟、北美、中国得到了迅速发展。尤其是在瑞典，每年以8% ～10%的速度增加，2008 年瑞典生物质颗粒燃料消耗量达到185 万t［2］。目前，生物质能利用技术成熟且综合效益较高的利用方式主要有:厌氧发酵产沼气、燃料乙醇、生物质气化发电和秸秆固化成型、燃烧。中国对固体生物质燃料及炉具产业的发展研究相对较少［3－5］。

在生物质燃烧方面还存在一些需要解决的问题。如:生物质具有密度小、易压缩、粘附性强，燃料易出现架拱现象;生物质燃气中焦油含量高，裂解控制难度大;生物质灰渣熔融温度低，易出现结渣现象，使燃烧不能持续等问题。从生物质气化炉的研究发展趋势来看，改进气化炉的结构和气化工艺，达到洁净燃烧和提高生物质能利用系统的热效率，一直是国内外学者关注的焦点［6－8］。

我们针对东北地区主要农作物是玉米以及冬季寒冷期长的特点，采用新概念、新技术、新工艺开发研制出高效气化、洁净燃烧、强化传热的集炊事、采暖、洗浴及卫生用水为一体的多功能新一代户用气化供热装置。

1 气化供热装置的设计与研制

1．1 燃料特性的研究

燃烧装置的燃料选择玉米芯为研究对象。玉米芯具有以下特性:

(1)玉米芯的堆积密度为210 kg/m3，有利于玉米芯充分接触气化剂;减少气化燃气通过料层的阻力;

(2)通过热值测定和工业分析实验得出玉米芯的挥发分高达88．65%，固定碳含量为4．32%，气化特性好。灰分的含量很低，仅为1．03%，如表1，积灰少，气化炉可连续多天运行;

(3)灰熔性实验玉米芯的软化温度ST 为1 113℃，说明玉米芯存在结渣的可能，因此在设计和运行过程中气化炉炉箅子适当增大空隙。料层的最高温度控制在1 000℃以下。

表1 玉米芯的工业分析及热值参数表

通过对玉米芯的热重实验和燃烧动力学分析研究，发现玉米芯的燃烧是纯热解和多相氧化综合作用的结果，有利于挥发分的产生。

得出的结论:玉米芯的气化特性较好，适合作为户用气化炉的气化原料。

1．2 样机设计

我们在设计玉米芯燃烧装置时，充分考虑到燃料的燃烧特点，使设备的性能达到最优。力求结构简单，操作维护简便易行，耗资少，满足农民用户需求。装置如图1 所示，由气化反应室、燃气灶、第一燃烧室、第二燃烧室、燃尽除尘室、换热装置等部件所构成。此装置能够实现燃气发生、燃气供应、燃气燃烧、热水供应一体化，一机多用。燃气灶通过燃气输出管道与气化反应室相连接;气化剂喷环可上下调节位置;气化反应室与第一燃烧室在同一筒内，由水冷炉排相隔;第一燃烧室通过火焰通道与第二燃烧室相连通，第二燃烧室通过烟气通道与燃尽除尘室相连通;燃尽除尘室上部装有高效强化传热对流换热面，其上布置有间断肋片。

图1 生物质气化燃烧装置结构简图

1．3 样机主要零部件优化模拟

采用CFD 进行了强化传热换热面数值模拟。模拟结果表明离散间断型翅片比烟管内加装扭曲带有更大的优势。平均换热系数随着翅片的高度而增大。但翅片过高，也会增大沿翅片高度方向的热阻。研究还发现，翅片的间距小，烟气的流线变化快，间断的翅片在烟气流道中干扰边界层的增长。随着翅片布置的距离增大，这种影响烟气流动的能力降低了。

从强化传热的角度看，较优的一组参数为翅片间距4 mm，翅片高度12 mm，翅片厚度0．9 mm。从实际使用的角度考虑高温烟气对翅片冲刷的磨损。最终的结果为翅片间距4 mm，翅片高度12 mm，翅片厚度1．2 mm［9］。

第一燃烧室与第二燃烧室之间的燃烧通道的结构尺寸是强化燃烧及改善燃烧的重要环节，它以提高气体流速的方式来增强扰动，从而达到增强可燃气体与空气的混合程度，提高燃烧室内温度，有利于可燃气充分燃烧。模拟实验中优化出当燃烧通道为缩放型结构，其喉径为50 mm 时，第二燃烧室内气流滞留区面积较小，扰动增强。

2 样机的实验研究

2．1 气化燃烧换热性能实验台

实验台如图2 所示，实验中测量燃烧室炉膛内温度、锅炉进出水温度、炉体温度、热功率。采用KM9106 综合烟气分析仪对尾部烟气进行测量，通过其组分、浓度、温度等参数分析燃烧和排放情况。

图2 多功能生物质气化燃烧供热装置试验台

2．2 实验结果

2．2．1 燃气灶试验

当将气化剂喷环置于炉排上方的300 mm 处，气化剂通入量在3．5 ～4 m3/h 时，气化炉热效率较高，热解层温度为400 ～600℃，还原层温度为600 ～900℃时，生物质气化效果最好，可燃气转化率高。气化燃气供热强度2．32 kW，超过了设计值2 kW;气化强度54．34 kg/m2·h。火势适中，燃气热量利用率最高。如图3。

图3 气化剂3．5 m3/h 时可燃气火势图

2．2．2 供热试验

在最佳的火焰通道形式基础上进行热工性能、排放性能实验，对燃烧装置进行供热试验和综合评价。

由于加强了燃烧室内气体的扰动，使生物质燃料燃烧产生的挥发分和可燃气与空气的混合度增大，促进了挥发分的继续燃烧，同时也增强了其在第二燃烧室内的换热。从而降低了排烟损失和气体不完全燃烧损失，使得热效率提高了4%以上。结果如表2 所示。由此，可以得出结论，增强燃烧室内的扰动，在生物质逆向燃烧装置中起到了改善炉内燃烧环境，降低污染物排放，加强换热等积极作用，这为今后生物质燃烧装置的设计与运行管理提供了一定的参考价值［10］。

表2 生物质气化燃烧装置热工性能测试数据结果

3 结论

我们对高效洁净户用生物质气化及供热装置从基础性研究开始，建立了关键结构的数学模型，进行了性能数字模拟及优化设计。在大量试验的基础上对高效洁净户用生物质气化及供热装置进行了数次改型。最终得到较为理想的样机。样机热效率76.88%，烟气林格曼黑度0 ～1 级，出口烟尘浓度34．84 mg/Nm3，二氧化硫浓度17．3 mg/Nm3，氮氧化物浓度135． 7 mg/Nm3，一氧化碳浓度0． 06%。经科技查新，此装置的混吸气化，层式均流，旋流燃烧及间断肋强化传热等技术未见国内研究。经吉林省科技厅组织有关专家鉴定，鉴定委员会认为:所研制的户用生物质气化及供热装置在气化燃烧方式，结构形式上有独特的创新。产品具有结构合理，环保效果显著，高效节能，一机多用等特点。经测试各项指标达到国家热工、环保相关标准。该课题在生物质气化燃烧方式及产品结构等方面具有创新性。

［1］李斌，董金社，李星桥，等． 孤岛微网组网控制模式研究［J］．电网与清洁能源，2014，30(2):66 －69．

［2］姚宗路，等． 生物质颗粒燃料特性及其对燃烧的影响分析［J］．农业机械学报，2010，41(10):97 －102．

［3］刘祖军，等． 固体生物质燃料产业发展的核心问题［J］．北京林业大学学报，2011，10(1):80 －83．

［4］马君，马兴元，等． 生物质能源的利用与研究进展［J］．安徽农业科学，2012，40(4):2202 －2206．

［5］苏俊林，矫振伟，王翰平．生物质颗粒燃料灰行为研究进展［J］．节能技术，2012，30(2):173 －175．

［6］郭培红，朱莉，梅艳阳．生物质气化系统中气化炉设计及进料装置改进［J］．农机化研究，2013(6):222 －225．

［7］王贵路，等． 生物质气化气中焦油非催化裂解实验研究［J］．节能技术，2011，29(2):163 －166．

［8］朱华柄，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．

［9］陈霍．户用生物质气化炉传热模拟及实验研究［D］．长春:吉林大学，2011．

［10］辛玲玲．多功能生物质气化燃烧装置的研究［D］．长春:吉林大学，2012．