引言
近年來,生物質(zhì)氣化技術(shù)得到很快的發(fā)展,多種形式的氣化爐被開發(fā)出來,這些氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化爐兩類[1]。固定床氣化爐分為下吸 式、上吸式、橫吸式和開心式幾種。下吸式氣化爐在微負(fù)壓下運(yùn)行,對密封要求不高,產(chǎn)出可燃?xì)鉄嶂蹈摺⒔褂秃可?但是可燃?xì)庵谢曳侄?且可燃?xì)獬鰻t溫度 高。上吸式氣化爐在微正壓下運(yùn)行,對密封要求高,可燃?xì)庵薪褂秃扛?。流化床氣化爐, 爐內(nèi)溫度高而且恒定,焦油在高溫下裂解生成氣體,燃?xì)庵薪褂捅容^少,但出爐的燃?xì)庵泻休^多的灰分,并且流化床氣化爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,設(shè)備投資大,大型氣化 設(shè)備較多。
從氣化爐的研究發(fā)展趨勢來看,改進(jìn)氣化爐的結(jié)構(gòu)和氣化工藝,提高產(chǎn)氣熱值和清潔度,達(dá)到系統(tǒng)要求的焦油含量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下小于10 mg/m3),提高生物質(zhì)能源利用系統(tǒng)的熱效率,一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[2~6]。本文從提高燃?xì)鉄嶂怠⒔档徒褂偷慕嵌瘸霭l(fā),設(shè)計(jì)一種內(nèi)燃加熱式氣 化爐。
1內(nèi)燃加熱式氣化爐的工作原理
內(nèi)燃加熱式氣化爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣化爐將生物質(zhì)氣化與焦油的催化裂解集于一體,這樣就不需要再為催化裂解提供熱源,簡化了制氣設(shè)備,提高了能源利 用率。爐身有3個圓筒將生物質(zhì)氣化區(qū)與催化裂解區(qū)分開。生物質(zhì)物料由料斗加入,電動機(jī)帶動回轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動,物料落入爐內(nèi)滑板上,經(jīng)過層層滑落,最后落到爐體底 部。當(dāng)爐內(nèi)物料進(jìn)入一定量后,從爐體側(cè)窗口點(diǎn)燃物料,燃?xì)庖L(fēng)機(jī)工作,使?fàn)t內(nèi)氣體由爐體下部沿兩圓筒間縫隙向上運(yùn)動,經(jīng)過過濾層進(jìn)入催化裂解區(qū);再由燃?xì)?管引出燃?xì)?一部分由廢氣引風(fēng)機(jī)抽取經(jīng)回流燃?xì)怙L(fēng)量調(diào)節(jié)閥、止火器,與空氣混合點(diǎn)燃后進(jìn)入蛇形管給氣化爐內(nèi)提供熱量,最后成廢氣排出;另一部分經(jīng)過熱交換 器,由燃?xì)庖L(fēng)機(jī)引出的氣體,可作為燃?xì)馐占??；以鼜牡撞坑蛇B續(xù)排灰裝置排出。
?0?2
圖 1內(nèi)燃加熱式氣化爐原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖
1. 料斗2.進(jìn)料機(jī)構(gòu)3.催化劑頂部入口4.濾網(wǎng)5.攪拌葉片6.攪拌軸7.爐體8.耐高溫爐壁9.保溫層10.內(nèi)燃管道11.擋板12.燃?xì)獬隹?3.催化 劑底部出口14.錐狀爐底15.出渣機(jī)構(gòu)16.排渣口17.霧化器18.點(diǎn)火器19.熱交換器20.輸氣管道21.引風(fēng)機(jī)22.燃?xì)饬空{(diào)節(jié)閥23.燃?xì)饣?流支路24.空氣流量計(jì)25.空氣調(diào)節(jié)閥26.催化劑床層27.燃?xì)馔ǖ?8.進(jìn)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥29.風(fēng)量流量計(jì)30.排氣風(fēng)機(jī)
該氣化爐的氣化過程大致可分為生物質(zhì)氣化[7~10]與焦油的催化裂解2個過程。生物質(zhì)首先被干燥。當(dāng)溫度達(dá)到或超過160℃時,生物質(zhì)將會發(fā)生熱 解并析出揮發(fā)分,反應(yīng)產(chǎn)物較為復(fù)雜,主要為碳、氫氣、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油和其他烴類物質(zhì)等。少量空氣的加入,使揮發(fā)分、熾熱的炭和空 氣中氧氣發(fā)生不完全氧化反應(yīng),生成一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣,同時也釋放出熱量。霧化水蒸氣和氧化生成的二氧化碳、水蒸氣與熾熱的炭發(fā)生還原反應(yīng)生成一 氧化碳、氫氣和甲烷等可燃?xì)怏w。最后,這些混合氣體由引風(fēng)機(jī)抽取沿壁縫向上運(yùn)動進(jìn)入催化裂解區(qū)?；旌蠚庵械慕褂驮诤芨叩臏囟?1 000~1 200℃)下能分解成小分子氣體,但實(shí)現(xiàn)這樣高的溫度是比較困難的。若在氣化過程加入催化劑,在700~900℃溫度下,能將絕大部分焦油裂解,裂解的產(chǎn) 物與燃?xì)獬煞窒嗨芠11~13]。
整個氣化爐的正常運(yùn)行,是一個平衡的過程,爐內(nèi)壓力為微負(fù)壓,通過進(jìn)料量、各個閥門的調(diào)節(jié)得到最理想的氣化燃?xì)?。氣化過程如圖2所示。
?0?2
圖 2[$NewPage$]
?0?2
2內(nèi)燃加熱式氣化爐的主要參數(shù)設(shè)計(jì)
影響氣化爐性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有:每小時處理生物質(zhì)量、燃?xì)赓|(zhì)量、氣化效率、氣化劑用量、回流燃燒燃?xì)饬?、回流燃?xì)馊紵杩諝饬俊⑷紵a(chǎn)生的廢 氣量、產(chǎn)氣量輸出功率等。通過分析4種氣化方式以及相互間的關(guān)系,由空氣氣化逐步推理計(jì)算出氣化爐氣化工作時(空氣-水蒸氣氣化加部分燃?xì)饣亓魅紵?的主 要參數(shù)。由于生物質(zhì)種類較多,本次設(shè)計(jì)所選用的原料為麥秸,具有一定的代表性。
2.1空氣氣化
空氣氣化可以做到自供熱,但由于空氣中N2的體積分?jǐn)?shù)約為80%,使生成氣中的N2體積分?jǐn)?shù)高達(dá)50%左右,因而氣體熱值比較低,大約只有5 MJ/m3左右[7]。
某廠家固定床氣化麥秸生成的燃?xì)獬煞?體積分?jǐn)?shù))為:CO 17·6%、H28·5%、CH41.36%、CO214.0%、O21.7%、N256.84%,低位熱值為3 663 kJ/m3。由文獻(xiàn)[7]得,麥秸在自然風(fēng)干情況下的低位熱值為15.36 MJ/kg。
根據(jù)元素守恒,氣化反應(yīng)后氣體中C含量約小于原料中C的含量,得
?0?2
根據(jù)能量守恒,自供熱氣化反應(yīng)生成的燃?xì)饪偟臀粺嶂祽?yīng)小于原料的低位熱值,即
?0?2
2.2空氣-水蒸氣氣化
空氣(或氧氣)-水蒸氣氣化比單用空氣或單用水蒸氣氣化都優(yōu)越,它是自供熱系統(tǒng),不需要復(fù)雜昂貴的外供熱源;另外氣化所需的一部分氧氣可由水蒸氣裂 解來提供,減少了外供空氣(或氧氣)的消耗量,并生成更多的H2,碳?xì)浠衔?特別是在有催化劑作用的條件下一氧化碳可以與氫氣反應(yīng)生成甲烷,降低了氣體 中CO 的含量,使氣體燃料更適合于用作城市燃?xì)?。在水蒸?800℃)與生物質(zhì)比為0.95,氧氣當(dāng)量比為0.2的情況下,氧氣-水蒸氣氣化生成氣的成分(體積 分?jǐn)?shù))為:CO2 8%、H232%、CO232%、CH47.5%、CnHm2.5%,氣體熱值約為11~12 MJ/m3,屬中熱值氣體[7]。
由空氣氣化生成氣中N2的體積分?jǐn)?shù)為50%左右,再由元素守恒和能量守恒,可設(shè)空氣-水蒸氣氣化的氣體特性為表1所示。氣化氣體的低位熱值Qg簡化計(jì)算公式為
Qg=126φCO+108φH2+359φCH4+665φCnHm
2.3水蒸氣氣化加部分燃?xì)饣亓魅紵?/p>
水蒸氣氣化一般不單獨(dú)使用,而是與氧氣(或富氧空氣)氣化聯(lián)合采用,否則僅由水蒸氣本身提供的熱量難以為氣化提供足夠的熱源。典型的水蒸氣氣化生成 氣的成分 (體積分?jǐn)?shù))為:CO 28%~42%、H220%~26%、CO216%~23%、CH410%~20%、C2H42%~4%、C2H61%、CnH=2%~3%。由于氫氣和 甲烷含量較高,故生成氣的熱值可以達(dá)到11~19 MJ/m3[7]。
由麥秸空氣-水蒸氣氣化生成氣中N2的體積分?jǐn)?shù)約為50%,氣體產(chǎn)率(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)約為
2·0m3/kg,所以設(shè)水蒸氣氣化氣體產(chǎn)率約為1 m3/kg,再設(shè)水蒸氣氣化的氣體特性如表1所示,經(jīng)式(2)~
(3)核算符合。
氣化氣體中H2由還原反應(yīng)產(chǎn)生,消耗熱量,空氣-水蒸氣氣化比水蒸氣氣化生成氣中H2的量多;又氣化氣體溫度升高消耗熱量,燃?xì)庾罡邷囟燃s為1 200℃,每千克原料水蒸氣氣化氣體量約為空氣水蒸氣氣化時的1/2;所以每千克麥秸水蒸氣氣化所消耗的熱量不超過空氣-水蒸氣氣化所消耗的熱量,得水蒸 氣氣化所消耗的熱量不超過3.5 MJ/kg所以需要不超過約1/4的燃?xì)饣亓魅紵?/p>
由燃?xì)庵蠧O、H2與其燃燒所需氧氣的體積比約為2,CH4與其燃燒所需氧氣的體積比約為0.5,
考慮到CnHm,經(jīng)計(jì)算可得回流燃燒所需氧氣量由空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約為20%,可得回流燃燒所需空氣量。由于空氣中的N2不參加反應(yīng),根據(jù)燃燒反應(yīng)方程式可得燃?xì)饣亓魅紵a(chǎn)生的廢氣量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,且水以水蒸氣形式存在)。
3內(nèi)燃加熱式氣化爐的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1氣化爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
溫度與滯留時間是決定氣相反應(yīng)程度的主要因素,文獻(xiàn) [14]表明在700℃,滯留時間大于8 s時,氣相反應(yīng)基本結(jié)束。提高反應(yīng)溫度,有利于以產(chǎn)氣為主要目的的氣化過程的進(jìn)行[7]。為調(diào)節(jié)物料在爐內(nèi)的下落時間,通過控制電動機(jī)速度來控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 的轉(zhuǎn)動速度,使物料緩慢滑落。氣化爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的原設(shè)計(jì)因固定滑板不便于安裝拆卸而不能采用,最終設(shè)計(jì)成如圖3所示的無固定滑板的可拆卸結(jié)構(gòu)。
電動機(jī)經(jīng)齒輪傳動帶動氣化爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動。齒輪傳動與電動機(jī)直接連接在軸端相比,可減少熱量傳遞;與鏈傳動、帶傳動相比,簡化機(jī)構(gòu),可以在較低的速度下運(yùn)行。
錐形滑板的傾角設(shè)計(jì)成45°;物料在滑板上滑落,再由電動機(jī)調(diào)速可調(diào)節(jié)物料的滯留時間,使生物質(zhì)物料在爐內(nèi)有足夠的滯留時間,利于熱量的傳遞,減少熱解氣中焦油含量[15]。
?0?2
圖 3內(nèi)燃加熱式氣化爐簡圖
1. 料斗2.回轉(zhuǎn)閥3.催化劑入口4.過濾網(wǎng)5.錐形滑板6.蛇形管換熱器7.耐火層8.氣化區(qū)9.狹縫燃?xì)馔ǖ?0.裂解區(qū)11.保溫層12.催化劑出口 13.增濕器14.側(cè)窗口15.出灰口16.調(diào)速電動機(jī)17.進(jìn)水流量計(jì)18.換熱器19.燃?xì)庖L(fēng)機(jī)20.燃?xì)馊娱y21.止火器22.點(diǎn)火器23.空 氣流量計(jì)24.風(fēng)量調(diào)解閥25.空氣流量計(jì)26.廢氣引風(fēng)機(jī)27.齒輪28.調(diào)速電動機(jī)
3.2蛇形管內(nèi)燃燒換熱裝置的設(shè)計(jì)
采用燃?xì)饣亓魅紵秊闅饣?既減少空氣需求量,又可提高燃?xì)鉄嶂?。回流燃?xì)饨?jīng)過燃?xì)饣亓髡{(diào)解閥、止火器與經(jīng)過風(fēng)量調(diào)解閥、空氣流量計(jì)的空氣混合后 由電子打火器點(diǎn)燃燃燒,燃燒氣體經(jīng)過蛇形管向氣化爐內(nèi)傳遞熱量。由于燃?xì)馊紵郎囟确浅８?最高溫度可達(dá)1 200℃以上,所以對燃燒管的耐高溫性能要求非常高,可采用0Gr25Ni20。燃燒火焰部位內(nèi)襯陶瓷管,防止高溫?zé)g。
熱量傳遞方式有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。實(shí)際的熱量傳遞往往是2種或3種基本方式的組合。燃?xì)饣亓魅紵驙t內(nèi)傳遞熱量方式為強(qiáng)制對流換熱。回流燃燒 換熱管的尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)水蒸氣氣化加部分燃?xì)饣亓魅紵涂諝?水蒸氣氣化加部分燃?xì)饣亓魅紵齼煞N情況計(jì)算,其計(jì)算方法相同。設(shè)一根燃燒換熱管時,燃燒產(chǎn)生的 廢氣最高溫度為1 200℃,廢氣出爐溫度為300℃,爐內(nèi)燃燒管附近最高溫度為1 000℃,最低溫度為100℃,管壁平均溫度比廢氣平均溫度低100℃。
3.3氣化爐壓力控制和加料方式的選擇與設(shè)計(jì)
氣化爐采用平衡通風(fēng)方式,燃?xì)庖L(fēng)機(jī)抽動爐內(nèi)氣體運(yùn)動,爐內(nèi)壓力為微負(fù)壓,在爐體頂部安裝安全閥,避免爐內(nèi)壓力過大。氣化爐原設(shè)計(jì)采用螺旋進(jìn)料機(jī) 構(gòu),但由于爐頂?shù)拿娣e有限,不便于設(shè)計(jì)安裝,故改用回轉(zhuǎn)閥加落料管式加料法,該方法雖然密封性欠佳,但爐內(nèi)的生物質(zhì)氣化需要一定量氧氣,因而可滿足工作要 求。在工作過程中,通過調(diào)節(jié)各個閥門和電動機(jī)轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
3.4狹縫燃?xì)馔ǖ赖脑O(shè)計(jì)
生物質(zhì)氣化區(qū)與催化裂解區(qū)之間設(shè)計(jì)有狹縫式燃?xì)馔ǖ?該設(shè)計(jì)可使燃?xì)馀c灰渣有效分離。當(dāng)燃?xì)庥梢L(fēng)機(jī)抽動向上運(yùn)動時,灰渣則由于自身重力作用向下運(yùn) 動;同時由于氣體沿著圓筒壁做螺旋上升運(yùn)動,作離心運(yùn)動時灰渣碰到爐壁將滑落到爐體底部。另外使氣化爐具有下吸式氣化爐的優(yōu)點(diǎn),氣化過程產(chǎn)生的可燃?xì)庵薪?油含量低。
3.5監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
影響生物質(zhì)氣化的一個重要因素是溫度,爐內(nèi)最高溫度約在1 000℃左右,采用鎳鉻鎳硅熱電偶來測量爐內(nèi)溫度,為了測量不同區(qū)域的溫度,布置了多個測溫孔,圖3中“·”為測溫點(diǎn),各熱電偶經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)接到數(shù)字式毫 伏表,可以觀察不同區(qū)域的溫度變化。燃?xì)馊犹幉杉臍鈽硬捎脢W式氣樣分析儀在常溫下對采樣氣進(jìn)行分析。另外,在爐體上部安裝有攝像頭,以便于隨時監(jiān)測爐 內(nèi)的實(shí)時反應(yīng)情況。
4結(jié)論
(1)本文設(shè)計(jì)爐的氣化工作原理是結(jié)合下吸式固定床氣化爐、干餾氣化、空氣氣化、水蒸氣氣化和焦油的催化裂解的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出的,氣化產(chǎn)生中熱值的氣體。
(2)本實(shí)驗(yàn)爐有效地將生物質(zhì)氣化與焦油的催化裂解集于一體,提高了燃?xì)鉄嶂?避免再為催化裂解單獨(dú)提供熱源,簡化了生物質(zhì)氣化設(shè)備。
(3)設(shè)計(jì)爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),延長了物料在爐內(nèi)的停留時間,減少氣化過程中焦油的產(chǎn)生,增強(qiáng)了氣化效率。
(4)設(shè)計(jì)爐內(nèi)蛇形管內(nèi)燃燒換熱裝置的設(shè)計(jì),減少了燃?xì)庵蠳2含量,提高燃?xì)鉄嶂怠?/p>
(5)設(shè)計(jì)爐內(nèi)霧化增濕裝置的,能夠冷卻生物質(zhì)燃?xì)?又提高燃?xì)鉄嶂怠?strong style="line-height: 1.5;">摘要
根據(jù)生物質(zhì)氣化原理,針對目前氣化爐產(chǎn)氣熱值低和存在焦油的問題,設(shè)計(jì)了一種內(nèi)燃加熱式氣化爐。內(nèi)燃加熱式氣化爐優(yōu)于已有的固定床氣化爐、流化床氣 化爐;類似于下吸式固定床氣化爐,熱解氣中焦油含量低;設(shè)置以熱解氣為燃料的內(nèi)加熱系統(tǒng),減少了空氣入爐量,提高了熱解氣熱值。內(nèi)燃加熱式氣化爐是將生物 質(zhì)氣化與焦油的催化裂解集于一體,不需要再為催化裂解提供熱源。
引言
近年來,生物質(zhì)氣化技術(shù)得到很快的發(fā)展,多種形式的氣化爐被開發(fā)出來,這些氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化爐兩類[1]。固定床氣化爐分為下吸 式、上吸式、橫吸式和開心式幾種。下吸式氣化爐在微負(fù)壓下運(yùn)行,對密封要求不高,產(chǎn)出可燃?xì)鉄嶂蹈摺⒔褂秃可?但是可燃?xì)庵谢曳侄?且可燃?xì)獬鰻t溫度 高。上吸式氣化爐在微正壓下運(yùn)行,對密封要求高,可燃?xì)庵薪褂秃扛摺Ａ骰矚饣癄t, 爐內(nèi)溫度高而且恒定,焦油在高溫下裂解生成氣體,燃?xì)庵薪褂捅容^少,但出爐的燃?xì)庵泻休^多的灰分,并且流化床氣化爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,設(shè)備投資大,大型氣化 設(shè)備較多。
從氣化爐的研究發(fā)展趨勢來看,改進(jìn)氣化爐的結(jié)構(gòu)和氣化工藝,提高產(chǎn)氣熱值和清潔度,達(dá)到系統(tǒng)要求的焦油含量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下小于10 mg/m3),提高生物質(zhì)能源利用系統(tǒng)的熱效率,一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[2~6]。本文從提高燃?xì)鉄嶂?、降低焦油的角度出發(fā),設(shè)計(jì)一種內(nèi)燃加熱式氣 化爐。
1內(nèi)燃加熱式氣化爐的工作原理
內(nèi)燃加熱式氣化爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣化爐將生物質(zhì)氣化與焦油的催化裂解集于一體,這樣就不需要再為催化裂解提供熱源,簡化了制氣設(shè)備,提高了能源利 用率。爐身有3個圓筒將生物質(zhì)氣化區(qū)與催化裂解區(qū)分開。生物質(zhì)物料由料斗加入,電動機(jī)帶動回轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動,物料落入爐內(nèi)滑板上,經(jīng)過層層滑落,最后落到爐體底 部。當(dāng)爐內(nèi)物料進(jìn)入一定量后,從爐體側(cè)窗口點(diǎn)燃物料,燃?xì)庖L(fēng)機(jī)工作,使?fàn)t內(nèi)氣體由爐體下部沿兩圓筒間縫隙向上運(yùn)動,經(jīng)過過濾層進(jìn)入催化裂解區(qū);再由燃?xì)?管引出燃?xì)?一部分由廢氣引風(fēng)機(jī)抽取經(jīng)回流燃?xì)怙L(fēng)量調(diào)節(jié)閥、止火器,與空氣混合點(diǎn)燃后進(jìn)入蛇形管給氣化爐內(nèi)提供熱量,最后成廢氣排出;另一部分經(jīng)過熱交換 器,由燃?xì)庖L(fēng)機(jī)引出的氣體,可作為燃?xì)馐占??；以鼜牡撞坑蛇B續(xù)排灰裝置排出。
?0?2
圖 1內(nèi)燃加熱式氣化爐原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖
1. 料斗2.進(jìn)料機(jī)構(gòu)3.催化劑頂部入口4.濾網(wǎng)5.攪拌葉片6.攪拌軸7.爐體8.耐高溫爐壁9.保溫層10.內(nèi)燃管道11.擋板12.燃?xì)獬隹?3.催化 劑底部出口14.錐狀爐底15.出渣機(jī)構(gòu)16.排渣口17.霧化器18.點(diǎn)火器19.熱交換器20.輸氣管道21.引風(fēng)機(jī)22.燃?xì)饬空{(diào)節(jié)閥23.燃?xì)饣?流支路24.空氣流量計(jì)25.空氣調(diào)節(jié)閥26.催化劑床層27.燃?xì)馔ǖ?8.進(jìn)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥29.風(fēng)量流量計(jì)30.排氣風(fēng)機(jī)
該氣化爐的氣化過程大致可分為生物質(zhì)氣化[7~10]與焦油的催化裂解2個過程。生物質(zhì)首先被干燥。當(dāng)溫度達(dá)到或超過160℃時,生物質(zhì)將會發(fā)生熱 解并析出揮發(fā)分,反應(yīng)產(chǎn)物較為復(fù)雜,主要為碳、氫氣、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油和其他烴類物質(zhì)等。少量空氣的加入,使揮發(fā)分、熾熱的炭和空 氣中氧氣發(fā)生不完全氧化反應(yīng),生成一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣,同時也釋放出熱量。霧化水蒸氣和氧化生成的二氧化碳、水蒸氣與熾熱的炭發(fā)生還原反應(yīng)生成一 氧化碳、氫氣和甲烷等可燃?xì)怏w。最后,這些混合氣體由引風(fēng)機(jī)抽取沿壁縫向上運(yùn)動進(jìn)入催化裂解區(qū)。混合氣中的焦油在很高的溫度(1 000~1 200℃)下能分解成小分子氣體,但實(shí)現(xiàn)這樣高的溫度是比較困難的。若在氣化過程加入催化劑,在700~900℃溫度下,能將絕大部分焦油裂解,裂解的產(chǎn) 物與燃?xì)獬煞窒嗨芠11~13]。
整個氣化爐的正常運(yùn)行,是一個平衡的過程,爐內(nèi)壓力為微負(fù)壓,通過進(jìn)料量、各個閥門的調(diào)節(jié)得到最理想的氣化燃?xì)?。氣化過程如圖2所示。
?0?2
圖 2[$NewPage$]
?0?2
2內(nèi)燃加熱式氣化爐的主要參數(shù)設(shè)計(jì)
影響氣化爐性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有:每小時處理生物質(zhì)量、燃?xì)赓|(zhì)量、氣化效率、氣化劑用量、回流燃燒燃?xì)饬?、回流燃?xì)馊紵杩諝饬?、燃燒所產(chǎn)生的廢 氣量、產(chǎn)氣量輸出功率等。通過分析4種氣化方式以及相互間的關(guān)系,由空氣氣化逐步推理計(jì)算出氣化爐氣化工作時(空氣-水蒸氣氣化加部分燃?xì)饣亓魅紵?的主 要參數(shù)。由于生物質(zhì)種類較多,本次設(shè)計(jì)所選用的原料為麥秸,具有一定的代表性。
2.1空氣氣化
空氣氣化可以做到自供熱,但由于空氣中N2的體積分?jǐn)?shù)約為80%,使生成氣中的N2體積分?jǐn)?shù)高達(dá)50%左右,因而氣體熱值比較低,大約只有5 MJ/m3左右[7]。
某廠家固定床氣化麥秸生成的燃?xì)獬煞?體積分?jǐn)?shù))為:CO 17·6%、H28·5%、CH41.36%、CO214.0%、O21.7%、N256.84%,低位熱值為3 663 kJ/m3。由文獻(xiàn)[7]得,麥秸在自然風(fēng)干情況下的低位熱值為15.36 MJ/kg。
根據(jù)元素守恒,氣化反應(yīng)后氣體中C含量約小于原料中C的含量,得
?0?2
根據(jù)能量守恒,自供熱氣化反應(yīng)生成的燃?xì)饪偟臀粺嶂祽?yīng)小于原料的低位熱值,即
?0?2
2.2空氣-水蒸氣氣化
空氣(或氧氣)-水蒸氣氣化比單用空氣或單用水蒸氣氣化都優(yōu)越,它是自供熱系統(tǒng),不需要復(fù)雜昂貴的外供熱源;另外氣化所需的一部分氧氣可由水蒸氣裂 解來提供,減少了外供空氣(或氧氣)的消耗量,并生成更多的H2,碳?xì)浠衔?特別是在有催化劑作用的條件下一氧化碳可以與氫氣反應(yīng)生成甲烷,降低了氣體 中CO 的含量,使氣體燃料更適合于用作城市燃?xì)?。在水蒸?800℃)與生物質(zhì)比為0.95,氧氣當(dāng)量比為0.2的情況下,氧氣-水蒸氣氣化生成氣的成分(體積 分?jǐn)?shù))為:CO2 8%、H232%、CO232%、CH47.5%、CnHm2.5%,氣體熱值約為11~12 MJ/m3,屬中熱值氣體[7]。
由空氣氣化生成氣中N2的體積分?jǐn)?shù)為50%左右,再由元素守恒和能量守恒,可設(shè)空氣-水蒸氣氣化的氣體特性為表1所示。氣化氣體的低位熱值Qg簡化計(jì)算公式為
Qg=126φCO+108φH2+359φCH4+665φCnHm
2.3水蒸氣氣化加部分燃?xì)饣亓魅紵?/p>
水蒸氣氣化一般不單獨(dú)使用,而是與氧氣(或富氧空氣)氣化聯(lián)合采用,否則僅由水蒸氣本身提供的熱量難以為氣化提供足夠的熱源。典型的水蒸氣氣化生成 氣的成分 (體積分?jǐn)?shù))為:CO 28%~42%、H220%~26%、CO216%~23%、CH410%~20%、C2H42%~4%、C2H61%、CnH=2%~3%。由于氫氣和 甲烷含量較高,故生成氣的熱值可以達(dá)到11~19 MJ/m3[7]。
由麥秸空氣-水蒸氣氣化生成氣中N2的體積分?jǐn)?shù)約為50%,氣體產(chǎn)率(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)約為
2·0m3/kg,所以設(shè)水蒸氣氣化氣體產(chǎn)率約為1 m3/kg,再設(shè)水蒸氣氣化的氣體特性如表1所示,經(jīng)式(2)~
(3)核算符合。
氣化氣體中H2由還原反應(yīng)產(chǎn)生,消耗熱量,空氣-水蒸氣氣化比水蒸氣氣化生成氣中H2的量多;又氣化氣體溫度升高消耗熱量,燃?xì)庾罡邷囟燃s為1 200℃,每千克原料水蒸氣氣化氣體量約為空氣水蒸氣氣化時的1/2;所以每千克麥秸水蒸氣氣化所消耗的熱量不超過空氣-水蒸氣氣化所消耗的熱量,得水蒸 氣氣化所消耗的熱量不超過3.5 MJ/kg所以需要不超過約1/4的燃?xì)饣亓魅紵?/p>
由燃?xì)庵蠧O、H2與其燃燒所需氧氣的體積比約為2,CH4與其燃燒所需氧氣的體積比約為0.5,
考慮到CnHm,經(jīng)計(jì)算可得回流燃燒所需氧氣量由空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約為20%,可得回流燃燒所需空氣量。由于空氣中的N2不參加反應(yīng),根據(jù)燃燒反應(yīng)方程式可得燃?xì)饣亓魅紵a(chǎn)生的廢氣量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,且水以水蒸氣形式存在)。
3內(nèi)燃加熱式氣化爐的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1氣化爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
溫度與滯留時間是決定氣相反應(yīng)程度的主要因素,文獻(xiàn) [14]表明在700℃,滯留時間大于8 s時,氣相反應(yīng)基本結(jié)束。提高反應(yīng)溫度,有利于以產(chǎn)氣為主要目的的氣化過程的進(jìn)行[7]。為調(diào)節(jié)物料在爐內(nèi)的下落時間,通過控制電動機(jī)速度來控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 的轉(zhuǎn)動速度,使物料緩慢滑落。氣化爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的原設(shè)計(jì)因固定滑板不便于安裝拆卸而不能采用,最終設(shè)計(jì)成如圖3所示的無固定滑板的可拆卸結(jié)構(gòu)。
電動機(jī)經(jīng)齒輪傳動帶動氣化爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動。齒輪傳動與電動機(jī)直接連接在軸端相比,可減少熱量傳遞;與鏈傳動、帶傳動相比,簡化機(jī)構(gòu),可以在較低的速度下運(yùn)行。
錐形滑板的傾角設(shè)計(jì)成45°;物料在滑板上滑落,再由電動機(jī)調(diào)速可調(diào)節(jié)物料的滯留時間,使生物質(zhì)物料在爐內(nèi)有足夠的滯留時間,利于熱量的傳遞,減少熱解氣中焦油含量[15]。
?0?2
圖 3內(nèi)燃加熱式氣化爐簡圖
1. 料斗2.回轉(zhuǎn)閥3.催化劑入口4.過濾網(wǎng)5.錐形滑板6.蛇形管換熱器7.耐火層8.氣化區(qū)9.狹縫燃?xì)馔ǖ?0.裂解區(qū)11.保溫層12.催化劑出口 13.增濕器14.側(cè)窗口15.出灰口16.調(diào)速電動機(jī)17.進(jìn)水流量計(jì)18.換熱器19.燃?xì)庖L(fēng)機(jī)20.燃?xì)馊娱y21.止火器22.點(diǎn)火器23.空 氣流量計(jì)24.風(fēng)量調(diào)解閥25.空氣流量計(jì)26.廢氣引風(fēng)機(jī)27.齒輪28.調(diào)速電動機(jī)
3.2蛇形管內(nèi)燃燒換熱裝置的設(shè)計(jì)
采用燃?xì)饣亓魅紵秊闅饣?既減少空氣需求量,又可提高燃?xì)鉄嶂?。回流燃?xì)饨?jīng)過燃?xì)饣亓髡{(diào)解閥、止火器與經(jīng)過風(fēng)量調(diào)解閥、空氣流量計(jì)的空氣混合后 由電子打火器點(diǎn)燃燃燒,燃燒氣體經(jīng)過蛇形管向氣化爐內(nèi)傳遞熱量。由于燃?xì)馊紵郎囟确浅８?最高溫度可達(dá)1 200℃以上,所以對燃燒管的耐高溫性能要求非常高,可采用0Gr25Ni20。燃燒火焰部位內(nèi)襯陶瓷管,防止高溫?zé)g。
熱量傳遞方式有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。實(shí)際的熱量傳遞往往是2種或3種基本方式的組合。燃?xì)饣亓魅紵驙t內(nèi)傳遞熱量方式為強(qiáng)制對流換熱。回流燃燒 換熱管的尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)水蒸氣氣化加部分燃?xì)饣亓魅紵涂諝?水蒸氣氣化加部分燃?xì)饣亓魅紵齼煞N情況計(jì)算,其計(jì)算方法相同。設(shè)一根燃燒換熱管時,燃燒產(chǎn)生的 廢氣最高溫度為1 200℃,廢氣出爐溫度為300℃,爐內(nèi)燃燒管附近最高溫度為1 000℃,最低溫度為100℃,管壁平均溫度比廢氣平均溫度低100℃。
3.3氣化爐壓力控制和加料方式的選擇與設(shè)計(jì)
氣化爐采用平衡通風(fēng)方式,燃?xì)庖L(fēng)機(jī)抽動爐內(nèi)氣體運(yùn)動,爐內(nèi)壓力為微負(fù)壓,在爐體頂部安裝安全閥,避免爐內(nèi)壓力過大。氣化爐原設(shè)計(jì)采用螺旋進(jìn)料機(jī) 構(gòu),但由于爐頂?shù)拿娣e有限,不便于設(shè)計(jì)安裝,故改用回轉(zhuǎn)閥加落料管式加料法,該方法雖然密封性欠佳,但爐內(nèi)的生物質(zhì)氣化需要一定量氧氣,因而可滿足工作要 求。在工作過程中,通過調(diào)節(jié)各個閥門和電動機(jī)轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
3.4狹縫燃?xì)馔ǖ赖脑O(shè)計(jì)
生物質(zhì)氣化區(qū)與催化裂解區(qū)之間設(shè)計(jì)有狹縫式燃?xì)馔ǖ?該設(shè)計(jì)可使燃?xì)馀c灰渣有效分離。當(dāng)燃?xì)庥梢L(fēng)機(jī)抽動向上運(yùn)動時,灰渣則由于自身重力作用向下運(yùn) 動;同時由于氣體沿著圓筒壁做螺旋上升運(yùn)動,作離心運(yùn)動時灰渣碰到爐壁將滑落到爐體底部。另外使氣化爐具有下吸式氣化爐的優(yōu)點(diǎn),氣化過程產(chǎn)生的可燃?xì)庵薪?油含量低。
3.5監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
影響生物質(zhì)氣化的一個重要因素是溫度,爐內(nèi)最高溫度約在1 000℃左右,采用鎳鉻鎳硅熱電偶來測量爐內(nèi)溫度,為了測量不同區(qū)域的溫度,布置了多個測溫孔,圖3中“·”為測溫點(diǎn),各熱電偶經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)接到數(shù)字式毫 伏表,可以觀察不同區(qū)域的溫度變化。燃?xì)馊犹幉杉臍鈽硬捎脢W式氣樣分析儀在常溫下對采樣氣進(jìn)行分析。另外,在爐體上部安裝有攝像頭,以便于隨時監(jiān)測爐 內(nèi)的實(shí)時反應(yīng)情況。
4結(jié)論
(1)本文設(shè)計(jì)爐的氣化工作原理是結(jié)合下吸式固定床氣化爐、干餾氣化、空氣氣化、水蒸氣氣化和焦油的催化裂解的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出的,氣化產(chǎn)生中熱值的氣體。
(2)本實(shí)驗(yàn)爐有效地將生物質(zhì)氣化與焦油的催化裂解集于一體,提高了燃?xì)鉄嶂?避免再為催化裂解單獨(dú)提供熱源,簡化了生物質(zhì)氣化設(shè)備。
(3)設(shè)計(jì)爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),延長了物料在爐內(nèi)的停留時間,減少氣化過程中焦油的產(chǎn)生,增強(qiáng)了氣化效率。
(4)設(shè)計(jì)爐內(nèi)蛇形管內(nèi)燃燒換熱裝置的設(shè)計(jì),減少了燃?xì)庵蠳2含量,提高燃?xì)鉄嶂怠?/p>
(5)設(shè)計(jì)爐內(nèi)霧化增濕裝置的,能夠冷卻生物質(zhì)燃?xì)?又提高燃?xì)鉄嶂怠?/p>