一種固定床氣化爐設計

吳廣臣　馬超　張翼

【摘 要】分析了生物質原料的化學和物理性質，指出了各種常見原料性質對固定床氣化爐中反應過程的影響。分析固定床氣化爐中的反應過程，辨析熱解氧化和還原反應的機理，指出通過控制溫度通氣量等參數來達到產出較好合成氣的氣化爐設計方案。

【關鍵詞】生物質；氣化反應；氣化爐設計

生物質氣化是一種熱化學處理技術，它可以將固體生物質原料轉變成為氣體燃料。基本機理是在熱量的作用下，使較高分子量的有機碳氫化合物的分子鏈斷裂，變成較低分子量的烴類或一氧化碳和氫等。這種方法改變了生物質原料的形態，使其使用更加方便，而且能量轉換效率比固體生物質的直接燃燒有較大提高。在固定床氣化爐中，生物質原料經過干燥、熱解 （析出揮發物質） 、燃燒和還原過程，轉變成為CO、H2以及少量甲烷的合成氣，（見圖1），合成氣可以直接燃燒使用，也可以將燃氣冷卻并通過凈化系統除去灰粒和焦油，用作發電用途。

圖1 氣化爐的反應區域

低品質生物質的氣化工藝，需要對其相關性質和對過程的影響因素有較為透徹的了解。生物質原料主要以植物為主，具有水分和灰分含量高、固定碳含量相對較少等特點，這些特點均不利于氣化，同時也是導致氣化氣體熱值低的主要原因之一。灰分含量較高，使得氣化過程中的焦油生成量較高。而固定碳含量較低，則使生物氣中的C含量較低，導致氣體熱值不高。同時由于生物質原料揮發分含量高，使得氣化后的燃氣中焦油含量高，造成管路堵塞嚴重，這就為生物質氣化集中供氣帶來很大的困難（一些常見的生物質氣化系統的性能見表1）。

1 常見生物質原料的性質分析。

以往的學者認為，農作物秸稈和草類原料是不適宜于氣化工藝的。但生物質原料的元素分析指出，以得到簡單氣體燃料為目的的熱解氣化工藝，應該具有廣泛的原料適應性。與煤炭比較，生物質原料化學性質的特征是：（1）氫、氧含量高，硫含量低；（2）揮發份高，固定碳低；（3）熱值僅及煤炭的一半。

盡管生物質原料的元素組成變化很小，但是它們的物理性質有很大的差別。以往的生物質氣化技術主要使用木炭、硬質術材和少量稻殼，這些原料具有較高的密度和機械強度，特別是揮發份裂解后保持了原有的現狀和體積，留下大量孔隙的木炭具有很高的反應活性，易于組織良好的燃燒和還原反應。而秸稈等所謂的“軟柴 的物理性質明顯地劣于木材。主要表現在：（1）秸稈的堆積密度太小，反應區由于質量小而使熱容量小且不穩定；（2）秸稈的流動性不好，即堆積時的休止角過大，反應區易于搭橋、穿孔，不能形成穩定的床層；（3）秸稈的機械強度很低，在大量揮發份析出后，不能保持現狀，迅速形成細而散的炭粒 ，降低了反應的活性和反應區的透氣性。

2 反應原理

生物質熱解氣化包括一系列熱解 、燃燒和還原反應。這些反應在極其復雜的相平衡條件下相互影響，以至于還投有完善的反應方程式來分別描述它們。

原料進入氣化器后，受到下邊氧化層的加熱，首先被干燥，當溫度升高到250℃時開始發生熱解。熱解是高分子有機物在熱作用下發生的不可逆的降解反應。其總的結果是析出生物質的揮發物，留下炭進入下面的氧化層。析出的氣體中，一部分可以凝結成焦油（或叫木醋液），另一部分是不凝的可燃氣體。熱解是一個十分復雜的過程，其真實的反應包括若干沿著不同路線的一次、二次乃至高次反應。總的來說，熱解反應是一個吸熱過程，但由于生物質原料中含較多的氧，當溫度升高到一定程度后，氧將參加反應 而使溫度迅速提高，從而加速完成熱解。隨著工藝條件如溫度和加熱速率的不同，反應產物和得率變化很大，僅焦油中就含有四百多種有機化合物。

在以最終產生可燃氣體為目的的下吸式氣化器 中，熱解產物 向下通過熾熱的燃燒層時，將進一步裂解為H2，H2O，CH4，CO等簡單的氣體，在設計氣化器時，實際上不必過多考慮這些中間反應過程。

3 固定式氣化爐設計要點

固定床生物質氣化器的設計目的是將固體生物質原料轉換成單一的氣體燃料，盡量提高轉換效率 ，降低焦油等雜質含量。

下吸式氣化器的熱解產物通過熾熱的氧化層而得到充分的裂解 ，因此焦油含量 比上吸式低得多，在需要使用潔凈燃氣 的場合得到了更多的應用。

盡管生物質熱解氣化反應的中間過程是相當復雜 的，但最終產物是較簡單的氣體混合物。在氣化器中的氧化（燃燒）反應和還原反應之間，存在著自平衡機制。即當燃燒反應強烈時，釋放的熱量提高了反應區溫度，而這正巧提高了吸熱的氣化反應的速率。同時強烈的燃燒產生較多的二氧化碳和水蒸汽，還原時則需吸取較多的熱量，從而保持離開還原區的氣體成份 、溫度基本穩定。因此工藝設計時需要地考慮其中各個中間反應的過程，事實上也需要人為控制空氣和原料的比例使其在可控范圍內，所以需要設計各個層之間的通氣裝置，并通過控制邏輯和開關閥控制進氣量。

下吸式氣化器設計的關鍵在于保證燃燒的條件和燃燒層、氣化層的穩定。對于木炭、木材等優質原料，其設計并不困難。但對秸稈和草類等物理性質較差的低品質原料，如不能保持床層穩定，就不能組織正常的氣化。例如，在揮發份大量析出后，秸稈的體積迅速縮小，及時填充空間才能阻斷空氣的穿透，繼續正常的燃燒和還原反應，而秸稈依靠重力向下流動的能力很差，合理的爐室形狀和必要的撥火方式是不可少的。秸稈的容量極低，使得反應層的熱容量很小，而燃燒層僅是一個10Dmm量級的薄層，燃燒層的溫度場不容易穩定，截面上部分區域出現燃燒不良，會使整個氣化失敗。所以需要合適的排炭裝置和進料控制機制。

圖二是特別設計的氣化爐上爐體，通過在各個反應區域位置布置通氣管和開關閥來掌控氧氣的進氣量，進而控制反應過程。并在入料口布置光電探頭，通過一定的控制邏輯來控制進料的插板閥的開閉，進而控制進料的過程。同樣的在爐底設置排炭裝置及時的處理炭渣。經過測試，這種設計樣式能較穩定的產出合成氣，并控制焦油的含量。

圖2 一種特殊設計的氣化爐endprint