一種固定床氣化爐設(shè)計(jì)

吳廣臣　馬超　張翼

【摘 要】分析了生物質(zhì)原料的化學(xué)和物理性質(zhì)，指出了各種常見(jiàn)原料性質(zhì)對(duì)固定床氣化爐中反應(yīng)過(guò)程的影響。分析固定床氣化爐中的反應(yīng)過(guò)程，辨析熱解氧化和還原反應(yīng)的機(jī)理，指出通過(guò)控制溫度通氣量等參數(shù)來(lái)達(dá)到產(chǎn)出較好合成氣的氣化爐設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)；氣化反應(yīng)；氣化爐設(shè)計(jì)

生物質(zhì)氣化是一種熱化學(xué)處理技術(shù)，它可以將固體生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)變成為氣體燃料。基本機(jī)理是在熱量的作用下，使較高分子量的有機(jī)碳?xì)浠衔锏姆肿渔湐嗔眩兂奢^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(zhì)原料的形態(tài)，使其使用更加方便，而且能量轉(zhuǎn)換效率比固體生物質(zhì)的直接燃燒有較大提高。在固定床氣化爐中，生物質(zhì)原料經(jīng)過(guò)干燥、熱解 （析出揮發(fā)物質(zhì)） 、燃燒和還原過(guò)程，轉(zhuǎn)變成為CO、H2以及少量甲烷的合成氣，（見(jiàn)圖1），合成氣可以直接燃燒使用，也可以將燃?xì)饫鋮s并通過(guò)凈化系統(tǒng)除去灰粒和焦油，用作發(fā)電用途。

圖1 氣化爐的反應(yīng)區(qū)域

低品質(zhì)生物質(zhì)的氣化工藝，需要對(duì)其相關(guān)性質(zhì)和對(duì)過(guò)程的影響因素有較為透徹的了解。生物質(zhì)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(duì)較少等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)均不利于氣化，同時(shí)也是導(dǎo)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(guò)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(dǎo)致氣體熱值不高。同時(shí)由于生物質(zhì)原料揮發(fā)分含量高，使得氣化后的燃?xì)庵薪褂秃扛撸斐晒苈范氯麌?yán)重，這就為生物質(zhì)氣化集中供氣帶來(lái)很大的困難（一些常見(jiàn)的生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的性能見(jiàn)表1）。

1 常見(jiàn)生物質(zhì)原料的性質(zhì)分析。

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

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

2 反應(yīng)原理

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

原料進(jìn)入氣化器后，受到下邊氧化層的加熱，首先被干燥，當(dāng)溫度升高到250℃時(shí)開(kāi)始發(fā)生熱解。熱解是高分子有機(jī)物在熱作用下發(fā)生的不可逆的降解反應(yīng)。其總的結(jié)果是析出生物質(zhì)的揮發(fā)物，留下炭進(jìn)入下面的氧化層。析出的氣體中，一部分可以凝結(jié)成焦油（或叫木醋液），另一部分是不凝的可燃?xì)怏w。熱解是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，其真實(shí)的反應(yīng)包括若干沿著不同路線的一次、二次乃至高次反應(yīng)。總的來(lái)說(shuō)，熱解反應(yīng)是一個(gè)吸熱過(guò)程，但由于生物質(zhì)原料中含較多的氧，當(dāng)溫度升高到一定程度后，氧將參加反應(yīng) 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(yīng)產(chǎn)物和得率變化很大，僅焦油中就含有四百多種有機(jī)化合物。

在以最終產(chǎn)生可燃?xì)怏w為目的的下吸式氣化器 中，熱解產(chǎn)物 向下通過(guò)熾熱的燃燒層時(shí)，將進(jìn)一步裂解為H2，H2O，CH4，CO等簡(jiǎn)單的氣體，在設(shè)計(jì)氣化器時(shí)，實(shí)際上不必過(guò)多考慮這些中間反應(yīng)過(guò)程。

3 固定式氣化爐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

固定床生物質(zhì)氣化器的設(shè)計(jì)目的是將固體生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)換成單一的氣體燃料，盡量提高轉(zhuǎn)換效率 ，降低焦油等雜質(zhì)含量。

下吸式氣化器的熱解產(chǎn)物通過(guò)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?xì)?的場(chǎng)合得到了更多的應(yīng)用。

盡管生物質(zhì)熱解氣化反應(yīng)的中間過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜 的，但最終產(chǎn)物是較簡(jiǎn)單的氣體混合物。在氣化器中的氧化（燃燒）反應(yīng)和還原反應(yīng)之間，存在著自平衡機(jī)制。即當(dāng)燃燒反應(yīng)強(qiáng)烈時(shí)，釋放的熱量提高了反應(yīng)區(qū)溫度，而這正巧提高了吸熱的氣化反應(yīng)的速率。同時(shí)強(qiáng)烈的燃燒產(chǎn)生較多的二氧化碳和水蒸汽，還原時(shí)則需吸取較多的熱量，從而保持離開(kāi)還原區(qū)的氣體成份 、溫度基本穩(wěn)定。因此工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要地考慮其中各個(gè)中間反應(yīng)的過(guò)程，事實(shí)上也需要人為控制空氣和原料的比例使其在可控范圍內(nèi)，所以需要設(shè)計(jì)各個(gè)層之間的通氣裝置，并通過(guò)控制邏輯和開(kāi)關(guān)閥控制進(jìn)氣量。

下吸式氣化器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于保證燃燒的條件和燃燒層、氣化層的穩(wěn)定。對(duì)于木炭、木材等優(yōu)質(zhì)原料，其設(shè)計(jì)并不困難。但對(duì)秸稈和草類等物理性質(zhì)較差的低品質(zhì)原料，如不能保持床層穩(wěn)定，就不能組織正常的氣化。例如，在揮發(fā)份大量析出后，秸稈的體積迅速縮小，及時(shí)填充空間才能阻斷空氣的穿透，繼續(xù)正常的燃燒和還原反應(yīng)，而秸稈依靠重力向下流動(dòng)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(yīng)層的熱容量很小，而燃燒層僅是一個(gè)10Dmm量級(jí)的薄層，燃燒層的溫度場(chǎng)不容易穩(wěn)定，截面上部分區(qū)域出現(xiàn)燃燒不良，會(huì)使整個(gè)氣化失敗。所以需要合適的排炭裝置和進(jìn)料控制機(jī)制。

圖二是特別設(shè)計(jì)的氣化爐上爐體，通過(guò)在各個(gè)反應(yīng)區(qū)域位置布置通氣管和開(kāi)關(guān)閥來(lái)掌控氧氣的進(jìn)氣量，進(jìn)而控制反應(yīng)過(guò)程。并在入料口布置光電探頭，通過(guò)一定的控制邏輯來(lái)控制進(jìn)料的插板閥的開(kāi)閉，進(jìn)而控制進(jìn)料的過(guò)程。同樣的在爐底設(shè)置排炭裝置及時(shí)的處理炭渣。經(jīng)過(guò)測(cè)試，這種設(shè)計(jì)樣式能較穩(wěn)定的產(chǎn)出合成氣，并控制焦油的含量。

圖2 一種特殊設(shè)計(jì)的氣化爐endprint