下吸式生物质气化炉的设计

16RURAL ENERGYNo 4 2000(92 Issue in Aul)下吸式生物质气化炉的设计任永志(辽宁省能源研究所营口115000董立明(辽宁省营口市环境监测中心站营口115003)摘要介绍了下吸式生物质气化炉的工作原理、特点,以及主要结构尺寸的设计要点。关键词生物质气化炉结构设计下吸式生物质气化炉由于具有结构简单,挥发分(裂解气、焦油以及水分)被分离出来;易于操作,产出气的焦油含量低等优点已经得热解区的上部为干燥区,物料在此区域被预到了广泛的应用。生物质气化过程是一个复杂热;氧化区的下部为还原区,氧化区产生的的热化学反应过程,生物质气化炉各部位结构CO2炭和水蒸气在这一区域进行还原反应,同尺寸将极大地影响气化炉的热效率、产气成分时残余的焦油在此区域发生裂解反应,产生以和产气品质,所以设计合理的生物质气化炉是CO和H2为主的产出气,这一区域的温度约为有效利用生物质能的关键。下面针对下吸式气700~900℃。来自热解区富含焦油的气体须经化炉的特点介绍其设计要点。过高温氧化区和以炽热焦炭为主的还原区,其下吸式生物质气化炉的工作原理中的焦油在高温下被裂解,从而使产出气中的如图1所示,作为气化剂的空气从气化炉焦油大为减少。侧壁空气喷嘴吹入,产出气的流动方向与物料2下吸式生物质气化炉的特点①气化炉料斗下部橫截面尺寸较小的部干燥区位称为“喉部”,“喉部”尺寸的大小决定了气化导热還片产出气炉的产气能力和产气品质。热解区②为保证物料与空气的充分混合,在“喉部”布置多个空气喷嘴。一般有外喷(空气由喉氧化区部外壁向中心喷射)和内喷(空气由喉部中心空气空气供气管向外喷射)两种布置形式,其中第一种还原区形式应用较多。③气化炉料斗外壁焊有翅片,以增大产出气与料斗的换热面积,降低产出气的温度,提图1下吸式气化炉结构简图高气化炉的热效率。下落的方向一致,故下吸式气化炉也称为顺流④气化炉内具有火焰温度稳定效应,即当式气化炉。吹入的空气与物料混合燃烧,这反应混度高时作为吸执的还原反应相对加区域称为氧化区,温度约为900-1200℃,产剧,中国煤化反应温度偏低时,生的热量用于支持热解区裂解反应和还原区还原CNMH氧化反应占优势,还原反应的进行;氧化区的上部为热解区,温又使气体温度升高。火焰温度稳定在800度约为300-700℃,在这一区域,生物质中的1200℃,这样产出气成分也相对稳定。2000年第4期(总第92期农村能源17⑤由于“喉部”的存在,使下吸式气化炉的产出气气化能力要低于外形尺寸相同的其它结构形灰分含量物料中存在较多的灰分且式的气化炉,尤其是上吸式气化炉。灰熔点较低时会造成气化炉氧化区内结渣,产3下吸式生物质气化炉设计要点出气中焦油含量增大,严重时,气化炉不能运(1)设计要求行。一般灰分含量在5%以内,气化炉能够可靠①应了解生物质物料的物理特性。地运行表2给出常见生物质物料的灰分含量,·物料热值为了保证生物质气化炉结以供参考。构尺寸的合理性与经济性,计算气化炉入炉热表2常见生物质物料的灰分含量量时,应采用生物质物料的应用基低位发热生物质木玉米量,即;物料完全燃烧时放出的全部热量中扣磊养除水蒸气气化潜热后所得到的发热量。灰分0.131.57.417.216-23物料水分含量物料中水分的蒸发所造成的热损失使气化炉热效率降低,同时也降②确定气化炉产出气参数,如产气量、产低了产出气的品质。当物料中的水分高于一定气成分等。对于下吸式气化炉,单台最大产气值(约70%)时,燃烧反应不能进行,依靠燃烧量不应超过500m3/he反应提供热量的还原反应(产气反应)也停止③应从结构上考虑气化炉各密封面的良进行。物料中水分一般控制在15%以内。好密封,防止漏风和产出气泄露。物料粒度从化学反应动力学角度分④“喉部”空气喷嘴附近区域应敷设耐火析,粒度较小的物料表面积较大,与气化剂混材料,以防烧坏“喉部”,喷嘴应采用不锈钢材合充分,利于气化反应,但气流阻力和风机的料。负荷增加;反之,粒度较大的物料与气化剂接触⑤“喉部”尺寸较大或生物质物料粒度较面积变小,反应不够完全,同时容易产生“搭桥”小时应加设铸铁炉栅。现象,使物料不能均匀下落。推荐物料尺寸在(2)理论计算及主要结构尺寸的确定80mmx80mm×80mm与40mm×40mmx40①理论空气量的确定以及喷嘴几何尺寸mm之间较为合适。的计算物料的堆密度物料的堆密度系指物生物质物料与空气在气化炉中发生复杂料在自然堆积状态下的密度。堆密度的大小影的热化学反应,从热动力学角度分析,空气量响到气化炉内物料的驻留时间、下落速度,同时对于产出气成分的影响可以从图2中看出,图也影响到气化炉各部位的几何尺寸。表1给出中横坐标值为所提供的空气中的氧与物料完常见生物质物料的堆密度,以供参考。全燃烧所需氧的当量比。表1生物质物料的堆密度kg/m3从图2中曲线可以看出,当量比为0时,没王米秸秆名木块本片(松散)50mm,20%水分玉米芯有氧气输入,直接加热物料的反应属于热解反应,虽然也可以产生H,CO,CH等可燃成分堆密度2001301但产出中油命母得烹并且约占物料质量·挥发分含量生物质物料中的挥发分30中国煤化工可燃气体;当量比含量为63%-80%。通过合理的“喉部”设计,为P,我\改王元全燃烧反应,不能产保证一定厚度的炽热焦炭层存在,可以使气体生可燃气;只有在当量比为0.25~0.3时,即气中的焦油得到充分裂解,从而得到较为洁净的化反应所需的氧仅为完全燃烧耗氧量的25%18RURAL ENERGYNo 4 2000(92 Issue in All确定喷嘴的孔径和数量。在结构允许的条件下,较多的喷嘴有利于空气和物料的良好混合,但也增大了阻力,增加风机负荷。P=lx 10Pa0.50②“喉部”几何尺寸的计算喉部”的几何尺寸决定了气化炉的产气能力,应根据气化强度以及物料的物理特性进0.行计算。0.20喉部截面积=每小时先物质耗量0.10由于生物质物料的堆密度、粒度相差较0.000.200.400.600.801.001.20大,这将明显影响物料在炉内的驻留时间,这当量比ε就要求气化炉因物料不同而选用差别较大的图2空气量与产出气成分关系气化强度。对于堆密度较小或粒度较小的物30%,产出气成分较理想。当生物质物料中料,其炉内驻留时间短,气化强度应相应减小;水分较大或挥发分较小时应取上限,反之取下反之,应增大气化强度。一般气化强度推荐值为限。计算气化炉反应所需空气量时,应首先根500~2000kg/(h·m2)。据生物质物料的元素分析结果,按下式计算出尽管下吸式气化炉产出气中焦油含量很其完全燃烧所需理论空气量V,然后按当量比少,但根据产出气的不同应用场合,还应当配0.25~0.3计算实际所需空气量。置不同的除焦油设备,以及除尘、除湿设备,以v、1(1.866C+5.55H+0.7S-0.70)进一步提高产出气的品质。0.21式中V物料完全燃烧所需的理论空气量参考m/kg1t. B. Reed. BIOMASS GASIFICATIONC—物料中碳元素含量,%;PRINCIPLES and TECHNOLOGY. NOYES DATAH—物料中氢元素含量,%;CORPORATION. Part Ridge, New Jersey, U.S.A.1981S——物料中硫元素含量,%;2 Albrecht Kaupp and John R. Goss. Small Scale Gas0—物料中氧元素含量,%。Producer-Enginme Systems. Deutsches Zentrum fur理论空气量确定之后,再确定喷嘴的尺Entwicklungstechn-ligien- GATE, German寸。喷嘴几何尺寸按下式计算。3陈学俊,陈听宽.锅炉原理,北京:机械工业出版d=301 nv收稿日期:2000-07-15式中G—一生物质耗用量kg/h;喷嘴中空气流速,m/s;K——气化所需空气量,m3/kg;欢迎钉阅n——喷嘴个数;中国煤化工》亲志d—喷嘴直径,m。CNMHG喷嘴中空气流速推荐值为15~20m/s,根欢迎刊登广告据计算出的理论空气量以及喉部的几何尺寸