陳建國¹，傅玉棟²，徐有寧²

(1.國家電投集團東北電力有限公司，遼寧沈陽110181；2.沈陽工程學院能源與動力學院，遼寧沈陽110136)

　　摘要：針對以空氣為氣化介質的徑高比為0.32的下吸式固定床氣化爐，當通風量為11m³/h時，分別研究了在正常運行、“搭橋”及“燒穿”情況下反應溫度及氣化燃氣組分百分率變化規律。研究結果表明，在發生“搭橋”、“燒穿”的異常工況下，反應溫度會偏離正常值且各燃氣組分百分率會明顯下降，并分析了產生此效果的原因。

　　隨著世界經濟的快速發展，煤炭、石油天然氣等化石能源的消耗量也越來越多。面對能源枯竭和環境污染問題的挑戰，開發和利用可再生的清潔能源已迫在眉睫。作為可再生能源，生物質能因其產量豐富和對環境污染小等特點，越來越得到各個國家的重視和認可。

　　我國生物質資源的特點是種類繁多、分布較廣、產量巨大，主要以秸稈和農林生物質廢棄物等為主。在我國許多農村地區，還保留著直接焚燒的方式來利用生物質，其效率低，對環境也有一定的污染。生物質氣化技術具有效率高、環境友好等特點，近些年被廣大學者認可并推廣。目前，國內主要對生物質通過上吸式固定床氣化爐、下吸式固定床氣化爐以及循環流化床氣化爐等方式進行氣化應用。

　　其中，下吸式固定床氣化爐由于其裝置結構簡單、堅固耐用、運行方便，而且對反應變化適應性強，氣化燃氣中焦油含量較少等特點被廣泛應用。

　　由于，我國生物質種類繁多，各生物質特性不一樣，因此，生物質氣化爐對不同種類生物質，其氣化過程也有所不同，過程控制較為困難。此外，氣化過程中易出現偏離正常氣化過程的工況，嚴重影響氣化效率和燃氣質量。因此，下吸式固定床氣化爐在氣化過程中要避免在這些工況下運行。

　　針對徑高比為0.32的下吸式固定床氣化爐，以空氣為氣化介質，著重研究了在氣化過程中反應區溫度及氣體組分百分率的變化規律，并分析比較了“搭橋”“燒穿”兩種異常氣化過程反應溫度和氣體組分的變化，進而對下吸式固定床氣化爐異常情況有了深入研究，以得到下吸式氣化爐最佳運行情況。

　　1實驗裝置及方法

　　1.1實驗原料

　　采用松木顆粒作為試驗原料，其工業分析和元素分析結果如表1所示。

　　1.2實驗臺結構

　　整個實驗工藝流程如圖1所示，由下吸式固定床氣化爐、燃氣凈化裝置、送風系統等組成。

　　1)送風系統

　　由風機、閥門、風速測定儀等組成。空氣經風機通過管道送入氣化室，為氧化層和還原層提供空氣。

　　2)下吸式固定床氣化爐

　　固定床氣化爐內腔直徑為410mm，總高為1740mm，燃燒室高度為1260mm，生物質原料由氣化爐內腔頂部加料口投入爐內。在燃燒室爐身設置6個溫度測量點，測量各反應區溫度。

　　3)燃氣凈化裝置

　　氣化產生的燃氣導出后，經過凈化裝置凈化后，導入由武漢四方光電科技有限公司生產的GASBOAＲD－3100P紅外煤氣分析儀進行燃氣組分百分率檢測。

　　1.3實驗方法

　　在風量為11m³/h的情況下，研究氣化爐正常氣化運行及發生“搭橋”“燒穿”情況下氣化溫度、燃氣組分百分率的變化。實驗采用的下吸式氣化爐為定時填料，在實驗前將松木原料加入爐內。實驗采取人工點火方式，在氣化燃燒穩定后，進行實驗。實驗過程中，每間隔5min，對各測溫點溫度進行記錄，煤氣分析儀設置5min時間間隔自動保存數據。

　　2實驗結果分析

　　當通風量為11m³/h時，測定不同時間點氣化爐各測點溫度和各組分氣體含量百分比，然后繪制氧化區和還原區溫度隨時間變化曲線，及對應各時間點各組分氣體含量百分比曲線，如圖2和圖3所示。

　　由圖2和圖3可知，氧化區反應溫度和還原區反應溫度分別維持在750℃和560℃左右時，各燃氣組分的百分比分別為CO含量約為20%，H₂含量約為10%，CH₄含量約為3.5%，C_nH_m含量約為0.18%。此時，氣化爐氣化過程較為穩定，氣化溫度波動較小，氣化燃氣各組分含量也較為理想。

　　當氣化爐出現“搭橋”形成架空和燃料突然下落工況時，3、4號測點溫度和氣體組分百分比變化情況如圖4和圖5所示。對比之前穩定工況，各燃氣組分含量均有所降低且3、4號測點維持在較高溫度。搭橋架空后，原料不能順利落入還原區，并且火焰偏離還原區導致還原區反應劇烈程度下降，可燃氣體含量百分率降低。在中間階段，各個參數發生急劇的變化，3號測點溫度急劇下降，燃氣含量百分率急劇增加，此時燒結層被燒穿，燃料迅速下落，填充架空區域。燃料下落瞬間，氧化區火焰會隨著下移，因此溫度會驟降。可燃氣體含量明顯增加，其中一部分源于還原區氣化，還有一部分生物質燃料溫度升高，發生了熱解。隨著反應的進行，氣體組分百分率維持一定數值，接近穩定工況。

　　當生物質燃料被燒穿時，1、2、3號測點溫度和燃氣組分百分率變化情況如圖6和圖7所示。生物質燃料被燒穿時，1號測點和2號測點溫度急劇上升。在此過程中，1號測點溫度迅速上升，偏離穩定工況很多，接近3號測點溫度，最高為445℃，此時各氣體百分比都有下降，偏離穩定工況燃燒的數值。當生物質燃料被燒穿時，氧化區火焰明顯上移，偏離還原區，CO₂含量升高，說明燃氣質量降低。

　　3結論

　　反應溫度對氣化爐氣化效果有重要的影響，而反應溫度變化與諸多因素有關。當通風量為11m³/h時，爐內發生“搭橋”及“燒穿”情況下的反應溫度變化明顯，且燃氣組分百分率有所降低。由此實驗可知，生物質氣化爐的“搭橋”現象會嚴重影響生物質氣化效果。因此，在生物質氣化研究及推廣中，要注意原料粒度及粒度分布，及時調整燃燒，避免爐內生物質搭橋架空現象的出現。另外，氣化爐用原料必須經過篩分，原料最大與最小粒度比一般不超過8，對于固定床氣化爐要保證燃料充足，不發生燒穿現象。