上吸式生物质气化炉的设计与试验

第27卷第7期农业工程学报Vol.27No.72702011年7月TransactionsoftheCSAEJul.2011上吸式生物质气化炉的设计与试验李斌，陈汉平※，杨海平，王贤华，张世红（华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉430074）摘要：为指导和改良小型生物质气化炉的设计及运行，介绍了上吸式气化炉的设计步骤，并对其结构进行了优化设计，制作了一台生物质气化炉，且以木屑为原料考察了入炉空气量对炉内温度、产气成分和热值等的影响。结果表明：入炉空气量是上吸式气化炉运行的关键参数，直接影响炉内温度和反应工况。随着入炉空气量的增加，气化炉内温度大幅上升，气体产量急剧增加，可燃气含量则是先增加后降低，入炉空气量在1.9m3/h附近为最佳，此时，产气热值达到最大值4.38MJ/m3，氧化区温度为960℃，气化强度为57.8kg/(m2·h)，能很好满足用户需求。关键词：生物质，气体燃料，设计，气化炉，入炉空气量，产气成分，上吸式doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.07.047中图分类号：TK6文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-07-0270-04李斌，陈汉平，杨海平，等.上吸式生物质气化炉的设计与试验[J].农业工程学报，2011，27(7)：270－273.LiBin,ChenHanping,YangHaiping,etal.Designandexperimentonupdraftbiomassgasifier[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(7):270－273.(inChinesewithEnglishabstract)0引言小型上吸式生物质气化炉具有结构简单、使用灵活、操作方便和成本低等特点，可方便利用农村地区丰富的生物质资源生产高品位的可燃气，特别适合于农村和集镇居民以及小型餐饮业的使用[1-4]。然而，目前市面上流通的各种气化炉产品还存在较多的问题[4-6]，国内外针对小型上吸式气化炉的研究报道也不多[7-10]，在气化炉的设计、结构改进等方面仍缺乏详细地指导[11-13]。因此，本文在气化炉关键参数设计计算的基础上，结合气化炉结构方面的考虑，设计了一台上吸式气化炉，并采用木屑为原料，考察了入炉空气量对气化炉运行特性的影响。本文的研究结果可为固定床生物质气化炉的设计和调试运行提供借鉴和指导。1上吸式生物质气化炉的设计1.1上吸式气化炉关键参数选取木材加工厂废弃物—木屑为气化原料，其基本分析结果见表1。收稿日期：2010-10-21修订日期：2010-12-08基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(“973”计划)(2007CB210202)；国家自然科学基金项目(50806027，50930006)；华中科技大学博士论文创新基金项目。作者简介：李斌（1985－），男，博士生，主要从事生物质的热化学转化与利用研究。武汉华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，430074。Email：[e-mail]※通信作者：陈汉平（1962－），男，教授、博士生导师，主要从事煤与生物质的高值化、多联产资源化利用研究。武汉华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，430074。Email：[e-mail]表1气化原料的基本分析结果Table1Physicalandchemicalpropertiesofthegaisificationmaterial(asreceived)工业分析(质量分数)/%元素分析(质量分数)/%水分挥发分灰分固定碳CHNSO低位热值/(MJ·kg-1)堆密度ρ/(kg·m-3)5.8371.077.0316.0745.376.960.290.5134.0116.461101）气化炉输出功率Qn（W）所设计出的上吸式气化炉要求能满足农村炊事用能的需求，也即其输出功率≥农村炊事单位时间耗能。以气化炉产气在15min内能烧开一壶水（即5kg水由20℃升至100℃，比热容C为4.2kJ/(kg·℃)）为标准衡量气化炉的性能，可计算出其输出热负荷Qn为Qn=CmT/t=4.2×5×(100-20)÷(15÷60)=6720(kJ/h)=1866.67(W)（1）式中，m为一壶水的质量，kg；T为水的终温与初始温度之差，℃；t为加热时间，h。2）气化炉燃料消耗速率FCR（kg/h）气化炉的输出热负荷就是气化炉内生物质原料气化后产气在灶具上燃烧单位时间所提供的有效热量。气化原料的低位热值（LowHeatingValue(LHV)）为16.46MJ/kg，取气化炉的气化效率ζ≥65%，燃气灶的热效率η为40%，则由能量平衡可计算出气化炉燃料消耗速率FCR为FCR=Qn/(LHV×ζ×η)=6720÷(16.46×1000×0.65×0.4)=1.57（kg/h）（2）3）气化炉直径D（m）在已知FCR的情况下，取气化强度（GasificationIntensity(GI)）为60kg/(m2·h)，则有气化炉的直径D为D=[4FCR/(π×GI)]0.5=[4×1.57÷(3.14×60)]0.5=0.183m（3）第7期李斌等：上吸式生物质气化炉的设计与试验2714）气化炉有效高度H（m）和有效容积V（m3）为了保证上吸式气化炉的稳定运行，使炉内各反应区有合适的高度，其高径比一般应大于2，即H2D=0.37m（4）考虑到户用型气化炉采用的是间歇给料方式，炉内容积空间所装的原料应至少能满足农户一日的炊事用能需求，高径比可取的更大。假定气化炉满料运行时间T至少为3h，则气化炉的有效容积V为V≥FCR×T/ρ=4.28×10-2m3（5）5）入炉空气量AFR（m3/h）入炉空气量AFR的值可指导风机的选型。设计原料完全燃烧的理论空气量V0为4.76m3/kg，取空气当量比ε为0.28，在已知燃料消耗速率FCR时，可得到入炉空气量AFR为AFR=V0×FCR×ε=2.09（m3/h）（6）1.2上吸式气化炉关键部件设计设计气化炉的结构示意图如图1所示。根据小型上吸式气化炉的特点，可将其划分为以下几个关键部分：气化炉本体、点火系统、布风系统、除灰系统和温度监控系统等。在本设计中，气化炉外壳采用薄钢板卷制而成，内部敷设有耐火保温材料，气化炉本体内炉胆采用双锥形结构，上锥段收缩符合炉内原料气化后体积缩小的特征，下锥段渐扩便于物料的下降，双锥形结构有利用气化原料在炉内形成“整体流”，有效减轻架桥结拱倾向。为了方便用户使用，改善操作环境，该气化炉还设计有自动点火装置和蝶形阀手动除灰装置，自动点火装置位于下锥段的中心，由电加热金属丝与金属套管相连组成，在套管周向均布有3层布风孔，套管顶端采用圆锥状帽檐防止布风孔堵塞。下锥段中部均布有切向风道，与中心套管上的周向布风孔配合可实现炉内的均匀布风。在运行过程中或运行结束后，可通过手动旋转蝶形阀及时排出炉内的灰渣，防止其在炉内过度沉积堵塞切向风道和布风孔。温度监控系统由4根在炉内沿径向分布的热电偶（分别标记为T1-T4）和1根产气出口处热电偶（标记为T5）组成，4根热电偶在炉内的初始有效高度分别为140、40、80和350mm，还可通过上下移动其位置来测量不同高度层的温度，5根热电偶一起实时监测气化炉内温度和出口气体温度。图1上吸式气化炉的结构示意图Fig.1Schematicdiagramofupdraftfixedbedgasifier综合考虑上吸式气化炉的结构和设计计算结果，设计出的气化炉的基本参数为：气化炉外形呈直桶形，总高度为1000mm，除去灰室后的上部有效高度为850mm，双锥形内胆下锥段高度为80mm，上锥段高度为400mm，其喉部直径为220mm（比计算结果D=183mm要大），下部直径为250mm，上部直径为380mm，可使气化炉容纳更多的物料，延长气化时间。自动点火器套管直径为55mm，上部正圆锥金属帽檐直径为75mm。2试验方法试验过程中，采用热电偶实时测量并记录气化炉内的温度。在产气出口处，连接气体采样装置，具体见图1所示，产气经过滤除去水分和焦油后，用气袋进行收集，农业工程学报2011年272气体成分采样便携式气相色谱仪（GC3000）进行分析。试验步骤如下：试验前，向气化炉内加满原料（～8.9kg），记录热电偶的初始温度。然后，启动自动点火装置，30～40s后开风机向气化炉内送入空气，空气流量通过一个流量控制阀调节。试验进行的同时，开始实时记录气化炉的温度变化。一般而言，点火约3min后，出口产气可点燃，通过观察燃烧火焰的状况可很好的掌握气化炉的运行状态。试验结束后，关闭风机停炉，打开放空阀将尾气排空。3结果与讨论对于上吸式气化炉，运行工况的调整主要通过调节入炉空气量来实现，入炉空气量是气化炉在实际运行过程中最重要的参数，它与气化炉内温度分布、产气成分和热值等密切相关。图2所示为氧化区的温度和气化强度随入炉空气量的变化，其中氧化区温度指图1中热电偶（T2）所测的温度，每个温度点都是在气化炉稳定运行时测得。氧化区的温度可直接反映气化过程的强弱。气化产气的主要成分为H2、N2、CH4、CO、CO2以及少量的C2+等。图3所示为气体产量与产气率随入炉空气量的变化。图4所示则为稳态运行时产气成分和低位热值随入炉空气量的变化。图2氧化区温度和气化强度随入炉空气量的变化Fig.2Temperatureofoxidationareaandgasificationintensityunderdifferentairflowrates图3气体产量与产气率随入炉空气量的变化Fig.3Productgas/airratioandgasproductionunderdifferentairflowrates图4产气成分和低位热值随入炉空气量的变化Fig.4GascompositionandLHVunderdifferentairflowrates由图2可知，当入炉空气量由1.1升至3.5m3/h时，氧化区温度由710℃大幅上升至1129℃，气化反应的强度大大增加，由31.5上升至112.7kg/(m2·h)。考虑到试验用生物质的灰熔点约为1100℃，入炉空气量不应选的过高，入炉空气量在1.7～2.3m3/h之间比较合适，此时气化强度在50～70kg/(m2·h)之间，这与设计参数比较吻合，图4所示该流量范围内气体低位热值较高在3.83～4.38MJ/m3之间，也证实了这一点。由图3可知，气体产量随入炉空气量的增加不断增加，这可能与气化反应加强和气体流量增加有关。另外，更多的空气进入气化炉，将有更多的生物质参加反应，气化炉的温度水平提高导致炉内各反应区的大小沿轴向空间扩展，从而导致气体产量增加。然而，产气率曲线在入炉空气量为1.9m3/h时存在一个明显的拐点，这在图2（温度增加速率）和图4（可燃气成分和低位热值变化趋势）中也同样存在。这表明可能存在一个最佳的入炉空气量，使得气化炉内维持合适的温度水平，各反应区的空间分布合理，且具有良好的气化反应效率和稳定性。在入炉空气量较低时，氧化区温度很低，如1.1m3/h时仅有710℃，在有限的接触时间内生物质与空气不能充分反应，导致产气中的氧含量很高（见图4）。同时还原区和裂解区的温度降低也使得相应反应区的反应强度减弱，导致生成可燃气（H2、CO和碳氢化合物等）减少。而当入炉空气量增加时，气化炉温度上升，各反应区的气化反应强度增大，产气中可燃气成分和产气低位热值增加。然而，当入炉空气量超过1.9m3/h时，继续增大入炉空气量，则气化炉内的温度过高，气化炉内生物质与空气的接触时间太短，难以充分反应，导致产气中的氧含量增加（见图4），气化炉内各反应区空间扩展太快，迅速上移，气化炉运行工况恶化，从而导致产气中的可燃气成分和产气热值迅速下降。4结论针对当前国内在小型生物质气化炉设计方面缺乏专门的手册或规范，本文详细介绍了上吸式气化炉的设计步骤，并对其结构进行了优化设计，据此制作出了一台第7期李斌等：上吸式生物质气化炉的设计与试验2