一种固定床气化炉设计

吴广臣　马超　张翼

【摘 要】分析了生物质原料的化学和物理性质，指出了各种常见原料性质对固定床气化炉中反应过程的影响。分析固定床气化炉中的反应过程，辨析热解氧化和还原反应的机理，指出通过控制温度通气量等参数来达到产出较好合成气的气化炉设计方案。

【关键词】生物质；气化反应；气化炉设计

生物质气化是一种热化学处理技术，它可以将固体生物质原料转变成为气体燃料。基本机理是在热量的作用下，使较高分子量的有机碳氢化合物的分子链断裂，变成较低分子量的烃类或一氧化碳和氢等。这种方法改变了生物质原料的形态，使其使用更加方便，而且能量轉换效率比固体生物质的直接燃烧有较大提高。在固定床气化炉中，生物质原料经过干燥、热解 （析出挥发物质） 、燃烧和还原过程，转变成为CO、H2以及少量甲烷的合成气，（见图1），合成气可以直接燃烧使用，也可以将燃气冷却并通过净化系统除去灰粒和焦油，用作发电用途。

图1 气化炉的反应区域

低品质生物质的气化工艺，需要对其相关性质和对过程的影响因素有较为透彻的了解。生物质原料主要以植物为主，具有水分和灰分含量高、固定碳含量相对较少等特点，这些特点均不利于气化，同时也是导致气化气体热值低的主要原因之一。灰分含量较高，使得气化过程中的焦油生成量较高。而固定碳含量较低，则使生物气中的C含量较低，导致气体热值不高。同时由于生物质原料挥发分含量高，使得气化后的燃气中焦油含量高，造成管路堵塞严重，这就为生物质气化集中供气带来很大的困难（一些常见的生物质气化系统的性能见表1）。

1 常见生物质原料的性质分析。

以往的学者认为，农作物秸秆和草类原料是不适宜于气化工艺的。但生物质原料的元素分析指出，以得到简单气体燃料为目的的热解气化工艺，应该具有广泛的原料适应性。与煤炭比较，生物质原料化学性质的特征是：（1）氢、氧含量高，硫含量低；（2）挥发份高，固定碳低；（3）热值仅及煤炭的一半。

尽管生物质原料的元素组成变化很小，但是它们的物理性质有很大的差别。以往的生物质气化技术主要使用木炭、硬质术材和少量稻壳，这些原料具有较高的密度和机械强度，特别是挥发份裂解后保持了原有的现状和体积，留下大量孔隙的木炭具有很高的反应活性，易于组织良好的燃烧和还原反应。而秸秆等所谓的“软柴 的物理性质明显地劣于木材。主要表现在：（1）秸秆的堆积密度太小，反应区由于质量小而使热容量小且不稳定；（2）秸秆的流动性不好，即堆积时的休止角过大，反应区易于搭桥、穿孔，不能形成稳定的床层；（3）秸秆的机械强度很低，在大量挥发份析出后，不能保持现状，迅速形成细而散的炭粒 ，降低了反应的活性和反应区的透气性。

2 反应原理

生物质热解气化包括一系列热解 、燃烧和还原反应。这些反应在极其复杂的相平衡条件下相互影响，以至于还投有完善的反应方程式来分别描述它们。

原料进入气化器后，受到下边氧化层的加热，首先被干燥，当温度升高到250℃时开始发生热解。热解是高分子有机物在热作用下发生的不可逆的降解反应。其总的结果是析出生物质的挥发物，留下炭进入下面的氧化层。析出的气体中，一部分可以凝结成焦油（或叫木醋液），另一部分是不凝的可燃气体。热解是一个十分复杂的过程，其真实的反应包括若干沿着不同路线的一次、二次乃至高次反应。总的来说，热解反应是一个吸热过程，但由于生物质原料中含较多的氧，当温度升高到一定程度后，氧将参加反应 而使温度迅速提高，从而加速完成热解。随着工艺条件如温度和加热速率的不同，反应产物和得率变化很大，仅焦油中就含有四百多种有机化合物。

在以最终产生可燃气体为目的的下吸式气化器 中，热解产物 向下通过炽热的燃烧层时，将进一步裂解为H2，H2O，CH4，CO等简单的气体，在设计气化器时，实际上不必过多考虑这些中间反应过程。

3 固定式气化炉设计要点

固定床生物质气化器的设计目的是将固体生物质原料转换成单一的气体燃料，尽量提高转换效率 ，降低焦油等杂质含量。

下吸式气化器的热解产物通过炽热的氧化层而得到充分的裂解 ，因此焦油含量 比上吸式低得多，在需要使用洁净燃气 的场合得到了更多的应用。

尽管生物质热解气化反应的中间过程是相当复杂 的，但最终产物是较简单的气体混合物。在气化器中的氧化（燃烧）反应和还原反应之间，存在着自平衡机制。即当燃烧反应强烈时，释放的热量提高了反应区温度，而这正巧提高了吸热的气化反应的速率。同时强烈的燃烧产生较多的二氧化碳和水蒸汽，还原时则需吸取较多的热量，从而保持离开还原区的气体成份 、温度基本稳定。因此工艺设计时需要地考虑其中各个中间反应的过程，事实上也需要人为控制空气和原料的比例使其在可控范围内，所以需要设计各个层之间的通气装置，并通过控制逻辑和开关阀控制进气量。

下吸式气化器设计的关键在于保证燃烧的条件和燃烧层、气化层的稳定。对于木炭、木材等优质原料，其设计并不困难。但对秸秆和草类等物理性质较差的低品质原料，如不能保持床层稳定，就不能组织正常的气化。例如，在挥发份大量析出后，秸秆的体积迅速缩小，及时填充空间才能阻断空气的穿透，继续正常的燃烧和还原反应，而秸秆依靠重力向下流动的能力很差，合理的炉室形状和必要的拨火方式是不可少的。秸秆的容量极低，使得反应层的热容量很小，而燃烧层仅是一个10Dmm量级的薄层，燃烧层的温度场不容易稳定，截面上部分区域出现燃烧不良，会使整个气化失败。所以需要合适的排炭装置和进料控制机制。

图二是特别设计的气化炉上炉体，通过在各个反应区域位置布置通气管和开关阀来掌控氧气的进气量，进而控制反应过程。并在入料口布置光电探头，通过一定的控制逻辑来控制进料的插板阀的开闭，进而控制进料的过程。同样的在炉底设置排炭装置及时的处理炭渣。经过测试，这种设计样式能较稳定的产出合成气，并控制焦油的含量。

图2 一种特殊设计的气化炉endprint