傅玉棟，徐有寧，陳俊峰

（沈陽工程學院能源與動力學院，遼寧沈陽110136）

　　摘要：針對下吸式生物質氣化爐主要部件對氣化效果的影響進行了分析，并且設計了1臺生物質氣化爐。以空氣-水蒸汽為氣化劑，松木顆粒為原料，對該氣化爐進行試驗。在僅以空氣為氣化劑時，確定了最佳空氣當量比（ER）為0.263，還原區反應溫度達到671℃，燃氣熱值達到峰值1569kcal/Nm³。在ER保持0.263不變的條件下，增加水蒸汽與燃料質量比（S/B），在反應溫度高于600℃時，燃氣中CO含量逐漸減少，H₂含量逐漸增加。當該氣化爐以空氣-水蒸汽為氣化劑，ER為0.263，S/B為0.078時，燃氣熱值達到最大值1627kcal/Nm³。

　　面對日益突出的能源短缺和環境治理問題，新型清潔能源的開發與利用是社會發展的必然要求。在眾多新能源之中，生物質能的開發與利用得到了更廣泛的關注。生物質能是最重要和最普遍的能源之一。目前，我國的生物質能利用效率非常低，一些新技術還未成熟，未能得到廣泛發展[1]。

　　生物質氣化技術主要包括以空氣、水蒸汽、富氧等為氣化劑的固定床和流化床氣化技術[2]。其中，下吸式固定床氣化爐的燃料由氣化爐頂部加入。隨著氣化反應的進行，生物質燃料依靠自身重量，逐漸下移，氣化后產生的灰由爐底排出。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，燃氣焦油含量較少等特點被廣泛應用[3]。然而，下吸式氣化爐的氣化效率相對較低，床層阻力較大，運行不穩定，易發生“搭橋”和床層燒穿等問題。因此，針對下吸式氣化爐特點，分析了下吸式氣化爐的設計要素，并設計了以空氣-水蒸汽為氣化劑的氣化爐。

　　1下吸式氣化爐主要部件設計

　　設計1臺功率為135kW的下吸式氣化爐，取燃氣低位熱值Q_net=5200kJ/Nm³，氣化爐產氣負荷取值B_g=0.3Nm³/(cm²·h)。氣化燃料選取松木顆粒，其元素分析和工業分析結果如表1所示。

　　1.1喉部尺寸

　　喉部形狀和直徑大小直接決定氣化爐的性能。帶喉部的氣化爐可以增加氣化還原區的反應時間，提高氣化效率,一定程度上還對“搭橋”有所改善。此外，還能保證還原反應區的溫度要求。喉部直徑直接影響氣化爐的出力，直徑過小滿足不了斷面熱負荷的要求，而直徑過大需要更高的流速才能夠使空氣噴射到氣化爐中心，會對燃氣穿層造成影響[4]，這也限制了下吸式氣化爐大型化的發展。

　　1.2空氣噴嘴

　　ER是實際通入的空氣量與理論完全燃燒空氣量的比值。ER小于0.2，則會導致氣化不完全，燃氣中有過多的焦油，生成的燃氣熱值過低等問題；ER大于0.4，完全燃燒比重加大，燃氣中CO₂、H₂O量增加，CO、H₂含量減少，熱值降低。所以，最佳ER選擇范圍是0.2～0.3[7]。

　　ER選取0.25，按照氣化爐最大處理燃料量為100kg/h設計，生物質氣化所需空氣量約為69m³/h，則噴嘴直徑取30mm。

　　1.3氣化爐高度

　　固定床氣化爐高度為爐內各反應區與灰室、燃料儲存層高度之和。干燥和熱解區熱量來源于氧化區燃料燃燒產生的熱量，所以干燥區與熱解區高度很小。此外，干燥熱解區高度還和氣化爐直徑、燃料顆粒度等因素有關。綜合考慮各因素，干燥熱解區高度取值為300mm。

　　考慮灰室和燃料儲存層高度不低于600mm，氣化爐總高度取值為1250mm。

　　1.4蒸汽噴嘴尺寸

　　蒸汽作為氣化劑不僅可以提高燃氣品質，增加H₂含量，還能輔助控制反應床溫，避免床溫過高，造成堿金屬腐蝕設備。

　　蒸汽量的衡量用指標S/B，其值取0.1，蒸汽噴嘴直徑為dn1=25mm。

　　氣化爐結構如圖1所示。

　　2試驗方法

　　試驗采用空氣-水蒸汽作為氣化劑，在僅以空氣為氣化劑的條件下，改變空氣當量比ER，測定反應溫度、燃氣組分及熱值，確定最佳空氣當量比。保持最佳空氣當量比不變，改變通入水蒸汽的流量，確定以空氣-水蒸汽為氣化介質的氣化爐特性參數。

　　試驗過程如下：

　　1）為氣化爐添加新料至加料口，點火后待各測溫點溫度穩定后，通入空氣和空氣-水蒸汽，每隔3min，記錄該工況下氣化溫度及燃氣組分變化。燃氣組分通過型號為GASBOARD-3100P的紅外煤氣分析儀進行檢測。

　　2）待氣化反應結束，燃燒器火焰熄滅后，關停蒸汽發生器和通風機，排空尾氣。

　　3試驗結果與分析

　　圖2為還原反應溫度、熱值與ER關系曲線，隨著ER的增加，爐內O₂增加，氧化反應增強，產生更多熱量使還原反應溫度增加，當ER為0.263時，反應溫度為671℃，達到峰值。當ER大于0.263時，隨著ER繼續增加，惰性氣體N2也增加，使爐內部分熱量被N2帶出，降低反應溫度。

　　圖3為ER對燃氣各組分百分含量的影響，隨著ER從0.242增加到0.283，燃氣中CO和H₂的含量先增加后降低。當ER為0.271時，CO含量最高，達到27.9%，而此時H₂含量較低，為7.86%。圖2熱值與ER變化曲線顯示，當ER為0.263時，燃氣具有較高熱值，為1569kcal/Nm³，還原區溫度升高促進了CO和H₂的生成。所以，該氣化爐最佳ER值取0.263。

　　對于下吸式氣化爐，氣化劑量和反應溫度直接決定氣化效果。隨著S/B的增加，燃氣各成分含量有較大的變化，其中CO含量逐漸降低，當S/B增加到0.144時，達到最低值；H₂含量則逐漸升高，當S/B增加到0.108時，達到峰值。而CH4和CnHm含量變化并不大，如圖4所示。

　　產生該變化的原因是當通入蒸汽氣化劑后，還原區進行CO變換反應：

　　CO+H₂O(g)→CO₂+H₂（3）

　　由反應式可以看出，CO參與了變換反應，生成了H₂。因此，CO濃度是逐漸降低的，而H₂含量是逐漸增加的。H₂含量增加時，燃氣燃燒火焰外緣顏色呈藍色。

　　還原區反應溫度隨S/B的增加而逐漸降低，當溫度低于600℃時，CO變換反應進行緩慢。當S/B進一步增加，反應溫度則繼續降低，使氣化爐內的可燃氣體含量減少。通過分析可以得出，該氣化爐當量比ER為0.263，S/B值為0.078時，燃氣熱值達到最大，即1627kcal/Nm³，如圖5所示。

　　4結論

　　下吸式氣化爐喉部直徑、空氣噴嘴等主要部件對氣化效果有較大的影響，綜合考慮各影響因素，設計了1臺以空氣-水蒸汽為氣化劑的生物質氣化爐。在僅以空氣為氣化劑的條件下，確定了該氣化爐最佳空氣當量比；在保持最佳空氣當量比不變的條件下，研究了S/B值對該氣化爐氣化特性的影響。

　　試驗表明，當ER為0.263時，還原區反應溫度最高為671℃，燃氣熱值最大為1569kcal/Nm³；而當ER大于0.263時，繼續增大ER，反應溫度會降低，可燃氣體CO和H₂含量也減少。通入水蒸汽后，隨著S/B值的增加，還原區發生CO變換反應，燃氣中CO含量會逐漸減少，而H₂含量會逐漸增加。但是隨著S/B值的增加，反應區溫度會逐漸降低，當溫度低于600℃以下時，氣化效果變差，燃氣熱值降低較多。該氣化爐在以空氣-水蒸汽為氣化劑，ER為0.263、S/B為0.078時，得到最大燃氣熱值為1627kcal/Nm³。