生物质固定床气化炉异常工况的分析

陈建国，傅玉栋，徐有宁

(1.国家电投集团东北电力有限公司，辽宁 沈阳 110181；2.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136)



生物质固定床气化炉异常工况的分析

陈建国1，傅玉栋2，徐有宁2

(1.国家电投集团东北电力有限公司，辽宁 沈阳 110181；2.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136)

针对以空气为气化介质的径高比为0.32的下吸式固定床气化炉，当通风量为11 m3/h时，分别研究了在正常运行、“搭桥”及“烧穿”情况下反应温度及气化燃气组分百分率变化规律。研究结果表明，在发生“搭桥”、“烧穿”的异常工况下，反应温度会偏离正常值且各燃气组分百分率会明显下降，并分析了产生此效果的原因。

生物质；下吸式固定床气化炉；反应温度；搭桥；烧穿

随着世界经济的快速发展，煤炭、石油天然气等化石能源的消耗量也越来越多。面对能源枯竭和环境污染问题的挑战，开发和利用可再生的清洁能源已迫在眉睫。作为可再生能源，生物质能因其产量丰富和对环境污染小等特点，越来越得到各个国家的重视和认可。

我国生物质资源的特点是种类繁多、分布较广、产量巨大，主要以秸秆和农林生物质废弃物等为主。在我国许多农村地区，还保留着直接焚烧的方式来利用生物质，其效率低，对环境也有一定的污染。生物质气化技术具有效率高、环境友好等特点，近些年被广大学者认可并推广。目前，国内主要对生物质通过上吸式固定床气化炉、下吸式固定床气化炉以及循环流化床气化炉等方式进行气化应用。

其中，下吸式固定床气化炉由于其装置结构简单、坚固耐用、运行方便，而且对反应变化适应性强，气化燃气中焦油含量较少等特点被广泛应用。由于，我国生物质种类繁多，各生物质特性不一样，因此，生物质气化炉对不同种类生物质，其气化过程也有所不同，过程控制较为困难。此外，气化过程中易出现偏离正常气化过程的工况，严重影响气化效率和燃气质量。因此，下吸式固定床气化炉在气化过程中要避免在这些工况下运行。

针对径高比为0.32的下吸式固定床气化炉，以空气为气化介质，着重研究了在气化过程中反应区温度及气体组分百分率的变化规律，并分析比较了“搭桥”“烧穿”两种异常气化过程反应温度和气体组分的变化，进而对下吸式固定床气化炉异常情况有了深入研究，以得到下吸式气化炉最佳运行情况。

1 实验装置及方法

1.1 实验原料

采用松木颗粒作为试验原料，其工业分析和元素分析结果如表1所示。

表1 松木的工业分析和元素分析

1.2 实验台结构

整个实验工艺流程如图1所示，由下吸式固定床气化炉、燃气净化装置、送风系统等组成。

1)送风系统

由风机、阀门、风速测定仪等组成。空气经风机通过管道送入气化室，为氧化层和还原层提供空气。

2)下吸式固定床气化炉

固定床气化炉内腔直径为410 mm，总高为1 740 mm，燃烧室高度为1 260 mm，生物质原料由气化炉内腔顶部加料口投入炉内。在燃烧室炉身设置6个温度测量点，测量各反应区温度。

3)燃气净化装置

气化产生的燃气导出后，经过净化装置净化后，导入由武汉四方光电科技有限公司生产的GASBOARD-3100P红外煤气分析仪进行燃气组分百分率检测。

图1 实验系统

1.3 实验方法

在风量为11 m3/h的情况下，研究气化炉正常气化运行及发生“搭桥”“烧穿”情况下气化温度、燃气组分百分率的变化。实验采用的下吸式气化炉为定时填料，在实验前将松木原料加入炉内。实验采取人工点火方式，在气化燃烧稳定后，进行实验。实验过程中，每间隔5 min，对各测温点温度进行记录，煤气分析仪设置5 min时间间隔自动保存数据。

2 实验结果分析

当通风量为11 m3/h时，测定不同时间点气化炉各测点温度和各组分气体含量百分比，然后绘制氧化区和还原区温度随时间变化曲线，及对应各时间点各组分气体含量百分比曲线，如图2和图3所示。

图2 正常运行情况3、4号测点温度

图3 正常运行情况燃气组分百分率

由图2和图3可知，氧化区反应温度和还原区反应温度分别维持在750 ℃和560 ℃左右时，各燃气组分的百分比分别为CO含量约为20%，H2含量约为10%，CH4含量约为3.5%，CnHm含量约为0.18%。此时，气化炉气化过程较为稳定，气化温度波动较小，气化燃气各组分含量也较为理想。

当气化炉出现“搭桥”形成架空和燃料突然下落工况时，3、4号测点温度和气体组分百分比变化情况如图4和图5所示。对比之前稳定工况，各燃气组分含量均有所降低且3、4号测点维持在较高温度。搭桥架空后，原料不能顺利落入还原区，并且火焰偏离还原区导致还原区反应剧烈程度下降，可燃气体含量百分率降低。在中间阶段，各个参数发生急剧的变化，3号测点温度急剧下降，燃气含量百分率急剧增加，此时烧结层被烧穿，燃料迅速下落，填充架空区域。燃料下落瞬间，氧化区火焰会随着下移，因此温度会骤降。可燃气体含量明显增加，其中一部分源于还原区气化，还有一部分生物质燃料温度升高，发生了热解。随着反应的进行，气体组分百分率维持一定数值，接近稳定工况。

图4 “搭桥”情况3、4号测点温度

当生物质燃料被烧穿时，1、2、3号测点温度和燃气组分百分率变化情况如图6和图7所示。生物质燃料被烧穿时，1号测点和2号测点温度急剧上升。在此过程中，1号测点温度迅速上升，偏离稳定工况很多，接近3号测点温度，最高为445 ℃，此时各气体百分比都有下降，偏离稳定工况燃烧的数值。当生物质燃料被烧穿时，氧化区火焰明显上移，偏离还原区，CO2含量升高，说明燃气质量降低。

图5 “搭桥”情况燃气组分百分率

图6 “烧穿”情况3、4号测点温度

图7 “烧穿”情况燃气组分百分率

3 结 论

反应温度对气化炉气化效果有重要的影响，而反应温度变化与诸多因素有关。当通风量为11 m3/h时，炉内发生“搭桥”及“烧穿”情况下的反应温度变化明显，且燃气组分百分率有所降低。由此实验可知，生物质气化炉的“搭桥”现象会严重影响生物质气化效果。因此，在生物质气化研究及推广中，要注意原料粒度及粒度分布，及时调整燃烧，避免炉内生物质搭桥架空现象的出现。另外，气化炉用原料必须经过筛分，原料最大与最小粒度比一般不超过8，对于固定床气化炉要保证燃料充足，不发生烧穿现象。

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(责任编辑 张 凯 校对 魏静敏)

Abnormal Operation Analyses of Biomass Fixed Bed Gasifier

CHEN Jian-guo1,FU Yu-dong2,XU You-ning2

(1.Northeast Electric Power Co.,Ltd.,State Power Investment Corporation,Shenyang 110181; 2.School of Energy and Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

This paper mainly studied the varying patterns of the reaction temperature and gasification gas component percentage in the downdraft fixed-bed gasifier with 0.32 diameter to height ratio and utilizing air as gasification agent under the normal operation,the “bridging” and “burning through” cases when the ventilation rate is 11m3/h.The results showed that the reaction temperature would deviate from normal and each gas component percentage would decreased significantly in the abnormal cases of “bridging” and/or “burning through”.At last,this paper analyzed the causes of this conclusion.

Biomass fuel; Downdraft fixed-bed gasification furnace; Reaction temperature; Bridging; Burning through

2017-03-18

陈建国(1969-)，男，内蒙古通辽人，高级工程师。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.02.007

TK6

A

1673-1603(2017)02-0128-04