以空气-水蒸汽为气化剂下吸式生物质气化炉设计与试验

傅玉栋，徐有宁，陈俊峰

（沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳 110136）

面对日益突出的能源短缺和环境治理问题，新型清洁能源的开发与利用是社会发展的必然要求。在众多新能源之中，生物质能的开发与利用得到了更广泛的关注。生物质能是最重要和最普遍的能源之一。目前，我国的生物质能利用效率非常低，一些新技术还未成熟，未能得到广泛发展[1]。

生物质气化技术主要包括以空气、水蒸汽、富氧等为气化剂的固定床和流化床气化技术[2]。其中，下吸式固定床气化炉的燃料由气化炉顶部加入。随着气化反应的进行，生物质燃料依靠自身重量，逐渐下移，气化后产生的灰由炉底排出。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，燃气焦油含量较少等特点被广泛应用[3]。然而，下吸式气化炉的气化效率相对较低，床层阻力较大，运行不稳定，易发生“搭桥”和床层烧穿等问题。因此，针对下吸式气化炉特点，分析了下吸式气化炉的设计要素，并设计了以空气-水蒸汽为气化剂的气化炉。

1下吸式气化炉主要部件设计

设计1台功率为135 kW的下吸式气化炉，取燃气低位热值Qnet=5 200 kJ/Nm3，气化炉产气负荷取值Bg=0.3 Nm3/(cm2·h)。气化燃料选取松木颗粒，其元素分析和工业分析结果如表1所示。

表1松木的工业分析和元素分析 %

1.1喉部尺寸

喉部形状和直径大小直接决定气化炉的性能。带喉部的气化炉可以增加气化还原区的反应时间，提高气化效率,一定程度上还对“搭桥”有所改善。此外，还能保证还原反应区的温度要求。喉部直径直接影响气化炉的出力，直径过小满足不了断面热负荷的要求，而直径过大需要更高的流速才能够使空气喷射到气化炉中心，会对燃气穿层造成影响[4]，这也限制了下吸式气化炉大型化的发展。

通过气化炉功率计算公式得出气化炉单位时间产气量V[5-6]：

式中，P为气化炉功率，A为气化炉喉部截面积，其值由式（2）算得，通过式（3）可算出气化炉喉部直径d=20 cm。

1.2空气喷嘴

ER是实际通入的空气量与理论完全燃烧空气量的比值。ER小于0.2，则会导致气化不完全，燃气中有过多的焦油，生成的燃气热值过低等问题；ER大于0.4，完全燃烧比重加大，燃气中CO2、H2O量增加，CO、H2含量减少，热值降低。所以，最佳ER选择范围是0.2～0.3[7]。

ER选取0.25，按照气化炉最大处理燃料量为100 kg/h设计，生物质气化所需空气量约为69 m3/h，则喷嘴直径取30 mm。

1.3气化炉高度

固定床气化炉高度为炉内各反应区与灰室、燃料储存层高度之和。干燥和热解区热量来源于氧化区燃料燃烧产生的热量，所以干燥区与热解区高度很小。此外，干燥热解区高度还和气化炉直径、燃料颗粒度等因素有关。综合考虑各因素，干燥热解区高度取值为300 mm。

考虑灰室和燃料储存层高度不低于600 mm，气化炉总高度取值为1 250 mm。

1.4蒸汽喷嘴尺寸

蒸汽作为气化剂不仅可以提高燃气品质，增加H2含量，还能辅助控制反应床温，避免床温过高，造成碱金属腐蚀设备。

蒸汽量的衡量用指标S/B，其值取0.1，蒸汽喷嘴直径为dn1=25 mm。

气化炉结构如图1所示。

图1气化炉结构

2试验方法

试验采用空气-水蒸汽作为气化剂，在仅以空气为气化剂的条件下，改变空气当量比ER，测定反应温度、燃气组分及热值，确定最佳空气当量比。保持最佳空气当量比不变，改变通入水蒸汽的流量，确定以空气-水蒸汽为气化介质的气化炉特性参数。

试验过程如下：

1）为气化炉添加新料至加料口，点火后待各测温点温度稳定后，通入空气和空气-水蒸汽，每隔3 min，记录该工况下气化温度及燃气组分变化。燃气组分通过型号为GASBOARD-3100P的红外煤气分析仪进行检测。

2）待气化反应结束，燃烧器火焰熄灭后，关停蒸汽发生器和通风机，排空尾气。

3试验结果与分析

图2为还原反应温度、热值与ER关系曲线，随着ER的增加，炉内O2增加，氧化反应增强，产生更多热量使还原反应温度增加，当ER为0.263时，反应温度为671℃，达到峰值。当ER大于0.263时，随着ER继续增加，惰性气体N2也增加，使炉内部分热量被N2带出，降低反应温度。

图2还原区反应温度和热值随ER变化曲线

图3为ER对燃气各组分百分含量的影响，随着ER从0.242增加到0.283，燃气中CO和H2的含量先增加后降低。当ER为0.271时，CO含量最高，达到27.9%，而此时H2含量较低，为7.86%。图2热值与ER变化曲线显示，当ER为0.263时，燃气具有较高热值，为1 569 kcal/Nm3，还原区温度升高促进了CO和H2的生成。所以，该气化炉最佳ER值取0.263。

图3燃气各组分百分含量随ER变化曲线

对于下吸式气化炉，气化剂量和反应温度直接决定气化效果。随着S/B的增加，燃气各成分含量有较大的变化，其中CO含量逐渐降低，当S/B增加到0.144时，达到最低值；H2含量则逐渐升高，当S/B增加到0.108时，达到峰值。而CH4和CnHm含量变化并不大，如图4所示。

图4燃气各组分百分含量随S/B变化曲线

产生该变化的原因是当通入蒸汽气化剂后，还原区进行CO变换反应：

由反应式可以看出，CO参与了变换反应，生成了H2。因此，CO浓度是逐渐降低的，而H2含量是逐渐增加的。H2含量增加时，燃气燃烧火焰外缘颜色呈蓝色。

还原区反应温度随S/B的增加而逐渐降低，当温度低于600℃时，CO变换反应进行缓慢。当S/B进一步增加，反应温度则继续降低，使气化炉内的可燃气体含量减少。通过分析可以得出，该气化炉当量比ER为0.263，S/B值为0.078时，燃气热值达到最大，即1 627 kcal/Nm3，如图5所示。

图5还原区反应温度和热值随S/B变化曲线

4结论

下吸式气化炉喉部直径、空气喷嘴等主要部件对气化效果有较大的影响，综合考虑各影响因素，设计了1台以空气-水蒸汽为气化剂的生物质气化炉。在仅以空气为气化剂的条件下，确定了该气化炉最佳空气当量比；在保持最佳空气当量比不变的条件下，研究了S/B值对该气化炉气化特性的影响。

试验表明，当ER为0.263时，还原区反应温度最高为671℃，燃气热值最大为1 569 kcal/Nm3；而当ER大于0.263时，继续增大ER，反应温度会降低，可燃气体CO和H2含量也减少。通入水蒸汽后，随着S/B值的增加，还原区发生CO变换反应，燃气中CO含量会逐渐减少，而H2含量会逐渐增加。但是随着S/B值的增加，反应区温度会逐渐降低，当温度低于600℃以下时，气化效果变差，燃气热值降低较多。该气化炉在以空气-水蒸汽为气化剂，ER为0.263、S/B为0.078时，得到最大燃气热值为1 627 kcal/Nm3。