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?、焦油含量?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?、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(gè)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(dòng)機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動(dòng),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(dòng),經(jīng)過過濾層進(jìn)入催化裂解區(qū);再由燃?xì)夤芤鋈細(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?。灰渣從底部由連續(xù)排灰裝置排出。
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)饣亓髦?4.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(gè)過程。生物質(zhì)首先被干燥。當(dāng)溫度達(dá)到或超過160℃時(shí),生物質(zhì)將會(huì)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(shí)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(dòng)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(gè)氣化爐的正常運(yùn)行,是一個(gè)平衡的過程,爐內(nèi)壓力為微負(fù)壓,通過進(jìn)料量、各個(gè)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。
圖 2
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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(shí)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(shí)(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
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
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(shí)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)。
