上吸式棉秆气化炉优化与试验研究.docx
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上吸式棉秆气化炉优化与试验研究
上吸式棉秆气化炉优化与试验研究
论文关键词：
棉秆；上吸式；气化炉；优化；试验研究
论文摘要：
新疆棉秆资源丰富，但其棉秆的燃烧利用方式落后，不仅利用率和热效率都很低，而且污染环境。
本文对上吸式棉秆气化炉进行了优化，通过试验测得实验数据并对其进行了数据分析，提出了气化炉的改进方案。
物质气化是生物质能源应用领域研究的热门。
生物质能是一种直接或间接通过绿色植物的光合作用，将太阳能转化为化学能固定和储存在生物质的能源，主要包括农林植物、农林业废弃物、水生植物、城市生活垃圾等。
生物质能具有可再生、硫含量、储量大、CO2零排放等特点，是一种可持续发展的清洁能源和战略能源。
新疆是中国产棉基地之一，但棉秆利用率和热效率低，而且污染环境。
生物质中硫元素含量低，其工业成分之一的灰分含量也低，仅为中质烟煤的1/10左右。
因此，生物质能源是一种清洁能源。
新疆是产棉大省，生物质资源非常丰富，而且价格相对便宜。
生物质资源的有效开发利用，不仅能解决能源短缺的现状，节约大量的矿物燃料，而且能有效减少温室气体的排放，降低大气污染，保护生态环境。
因此，研究、开发和利用生物质能，对新疆能源结构的改善和环境保护具有重大意义。
1、生物质气化技术的应用现状
经过调查：
目前，新疆农六师芳草湖总场五分场、农五师红星二场三连、农一师45团已相继建成了集中供气气化站，但由于存在以下问题，气化站处于停产和半停产状况。
1、农户居住分散，管网建设耗资大，农小气管压的极不稳定。
2、由于经济水平不同，普遍存在欠户情况，气化站开工率低，出现“大马拉小车”现象，使燃气成本增高。
焦油问题难以根绝，致使大型输气管网易堵塞，拆卸和清洗不便，气化站运营和维护成本及难度都很高。
3、燃气的热值和气化强度依然偏低，不能充分满足用户使用要求。
目前，国内小型气化炉研发尚处于研究初级阶段。
存在的问题
没有合适的供风系统，易发生烧穿、烧不透等现象；气化剂多为单一空气，气体焦油含量高、热值低，品质不高；
焦油和灰尘含量偏高，管道易堵塞，造成炉具使用寿命不高。
针对上如问题，我们研究优化了上吸式气化炉，本气化炉有以下先进性和创新性
设计有独特的供风系统,氧化区反应充分，气化强度高，克服了烧穿、烧不透等问题；目前气化炉普遍存在的“烧穿”“偏烧”等问题，为克服这些缺点和不足，本研究设计了一套断面为“山”字形多道供风系统，每个纵向风道上都开有横向送风孔，送风小孔的截面积之和小于送风口处的截面积，以保证气化剂与物料能够均匀接触，图1气化反应充分，气化炉氧化区气化剂流速不会减弱，维持氧化区的反应能够稳定运行。
该供风系统不仅可以实现多道纵向供风和横向送风，同时又能够充当炉栅使用，最终使物料与空气接触面积大大提高，使气化反应区供风均匀，反应更充分，明显提高了气化强度和气化效率。
（2）气化炉氧化区炉膛设置水蒸汽介质循环反应系统，产生水蒸气作为气化剂，提高了燃气热值。
水蒸汽作为气化剂可以提高产气品质和气化气热值。
因此本气化炉设计了一套水蒸汽介质循环反应系统，如图2所示。
该系统主要由外部水箱、水套、过热环、蒸汽喷嘴等部分组成。
外部水箱的水通过连通管进入水套，水套里的水被氧化区的高温加热成蒸汽，100℃的水蒸汽经过蒸汽管道进入过热环继续被加热至200~400℃，加热后的高温蒸汽经蒸汽喷嘴进入气化炉内反应区参与气化反应。
在炉内的氧化区和还原区都设有水蒸汽喷嘴，使附加的水套产生的水蒸汽作为优良的气化剂参与气化反图2
应，参与气化反应的蒸汽量可由管道上的阀门控制调节。
由于有充足的水蒸汽参与氧化还原反应，这样既减少了空气的消耗量，又可反应生成更多的H2及碳氢化合物，大大提高气化气的品质和低位热值。
（3）气化炉反应器和净化装置结构设计紧凑，附加了小型净化器，净化效果良好，制造成本低；
从气化炉出来的气体称为粗燃气，本气化炉设计两级净化器以达到最大程度的降焦除尘。
一级净化器采用惯性净化方法，如图3所示。
在气体输送的管道中设置多个挡板，每个挡板以10°的倾斜角度放置。
由于自身重力，灰尘和冷却后成液体状的焦油，经过倾斜挡板沉降下来，通过水封排污口排出。
达到一级净化的目的。
经过一级净化后，气体温度进一步降低，混合在气体中的焦油继续析出，从气体中分离出来。
二级净化器放置碎玉米芯、稻壳、活性炭等吸附性强的物质，吸附焦油及灰尘，达到二次净化的目的。
二次净化装置在设计上以结构简单、易于拆换为原则。
今后考虑改造为可水溶解式净化装置，进一步提高净化焦油的目的。
2、生物质固定床气化炉的类型
现在常用的生物质固定床气化炉根据鼓风方法不同和燃气相对于燃料流动方向不同，通常分为上吸式，下吸式和平吸式。
1、上吸式气化炉
物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉体底部进气口进入炉内参与气化反应，反应产生的气化气自下而上流动，由可燃气出口排出。
如图4。
此炉的优点:
可
燃气在经过热分解层和干馏层时，将其携带的热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低其自身温度，使气化炉热效率大大提高;热分解层和干馏层对可燃气有一定的过滤作用。
所以出炉的可燃气中只含有少量灰份。
它的缺点：
添料不方便;可燃气中含挥发性图4
物质（如焦油蒸气）较多。
2、下吸式气化炉
生物质原料由炉顶的加料口投入炉体，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内，炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。
如图5。
此炉的优点:
结构比较简单，工作稳定性好，可随时开盖添料;气体中的焦油在通过下部高温区时，一部分被分解成小分子永久性气体（再降温时不凝结成液体），以出炉的可燃气中焦油含量较少。
它的缺点:
由于炉内的气体流向是自上而的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较的功率;出炉的可燃气中含有较多的图5
灰份;出炉的可燃气温度较高，须用水对其进行冷却。
3、平吸式气化炉
图6空气或空气与水蒸气的混合气从位于炉身一定高度处的喷嘴送入炉内，炉生产的燃气经炉栅处被吸到炉外，燃气呈水平流动，故称平吸式。
如图6。
此炉的优:
燃料层温度较高，可达到2000℃。
炉子结构紧凑，启动时间短，负荷适应力强。
它的缺点:
由于物料在炉内停留时间短，燃气质量不理想;由于炉体心温度高，容易造成结块;另外由于炉子的还原层容积很小，使COZ还原成O的机会减少，从而使燃气质量降低。
因上吸式气化炉可以间歇加料，对原料的尺寸和水份的要求并不苛刻，另外气化效率高，燃气发热值高，且炉排受进风冷却，工作比较可靠，故本文采用上吸式气化炉。
3、上吸式固定床气化反应原理
生物质气化是指固体物质在高温条件下，与气化剂（空气、氧气和水蒸汽）应得到小分子可燃气体的过程。
通常所说的气化，还包括生物质的热解。
图7为其气化原理图。
原料在上吸式气化炉内大体上分为四个区域（层）：
氧化层，还原层，热分层和干燥层。
炉内温度自氧化层向上递减。
原料从炉顶落入炉内，大型气化原料是连续加入;而小小型气化炉原料是间歇性投入的。
空气由下方供给，出的燃气经上方管道输走，其气化过程是:
1.氧化层（燃烧层）
氧气在这里烧完，生成大量二氧化碳，同时放出大热量，温度最高达1000℃左右。
其反应式为:
C+02=C02+408860J
同时，有一部分由于氧气（空气）的供应量不足，便生成一氧化碳，放出一部
热量：
2C+02=2CO+246477J
此层内已基本没有水份。
2.还原层已没有氧气存在，二氧化碳及水在这里还原成一氧化碳和氢气，行吸热反应，温度开始降低，一般在500~800℃。
图7
CO2+C=2C0一162297J
H2O+C=CO+H2一118742J
2H2O+C=CO2+2H2一75186J
H2O+CO=CO2+H2一43555J
C+2H2=CH4
3.热分解层（干馏层）燃料中挥发物进行蒸馏，温度保持在450℃左右。
蒸馏出的挥发物混入燃气中。
4.干燥层燃料中的水份蒸发，吸收热量，燃气温度降到100一300℃。
氧化层及还原层总称为气化层（或称有效层），因为气化过程主要反应在这里进行。
热解层和干燥层总称为燃料准备层。
必须指出，燃料层这样清楚地划分在实际上是观察不到的。
因为层与层之间是参差不齐的，这个层中的反应也可能在那个层中进行。
上述燃料层的划分只是气化过程的几个大致区段。
我们通过试验过程中灰分的不同颜色判断出各层所在的大致区域。
4、实验数据的测定及分析
1、试验条件
环境条件：
风速2~3级。
原料状态：
原料含水率%，原料粒度10~25mm，炉膛内原料压实度110kg/m
试验手段
在试验过程中，气化炉的负荷通过使用CZR型30W、60W鼓风机的转速来改变，其中60W鼓风机可调，我们取其调至45W时鼓风机的转速作为对比试验，鼓风机转速用T470型机械式转速仪测定，可燃气用升医用集气袋收集，收集的可燃气样品通过气相色谱仪分析。
气化炉各层炉温通过螺栓安装式热电偶传感器测得。
气化炉点火准备
将炉膛清理干净，打开排灰口，清除炉灰。
检查鼓风机运转是否正常。
在气化炉炉身各测温点接入热电偶，调试传感器电路使其正常运行；
气化炉点火
投入准备好的棉秆，至离炉顶150mm左右。
将小块碎棉布点燃，投入炉中，使内胆底部的棉秆燃烧起来。
压实棉秆
检查原料是否搭桥，如有即消除，再加入棉秆并压实，直到与炉膛的上端平齐。
盖上炉盖，水封。
启动鼓风机以较低速度运行，运行5分钟后，固定床秸秆气化系统的设计与性能试验研究。
给气化气点火直至着火。
检查
注意炉内原料的变化，防止原料“搭桥”，如有即消除，再加入棉秆并压实，直到与炉膛的上端平齐。
2、气化炉稳定运行和试验数据采集
检测和分析在风机负荷固定且气化炉处于稳定的工作状况时，可燃气成分是否随时间而改变。
使30W风机风速稳定，观察记录热电偶传感器的变化，并记录在试验纸上，每隔2分钟记录一次，直至气化炉各区域温度达到最大值，待点火稳定后开始收集气体：
先将气袋内的气体排除干净，收集第一袋气
，然后停机，换60W风机收集气体并记录温度。
共收集3袋可燃气，其样品通过SP-3420型气相色谱仪检测，得到的气相色谱图如图8所示，气化炉气化气体与气化剂流量的实验研究数据，如表1所示。
运行1运行2运行3图8气化炉气化气体与气化剂流量的实验研究数据测试参数运行1运行2运行3空气流量/m3•min-1物料粒度/mm10~2510~2510~25CO/%H2/%CH4/%2O2/%CO2/%N2/%燃气热值KJ/m3表1
由此表可以判定：
在风机负荷固定且气化炉处于稳定的工作状况时，可燃气成分不随时间而改变。
在风机负荷固定且气化炉处于稳定的工作状况时，可燃气成分不随时间而改变。
气化气体成分含量随气化剂流量的变化而变化，H2含量变化较明显，随气化剂流量的增大而增大；气化气热值也随气化剂流量的增大而增大。
利用专业origin软件对气体变化情况进行分析，如下图图9、10所示。
图9图10
由表1及图9、10可得
1、气化剂流量对产出气中H2成分的影响
气化气中H2的含量随空气流量的变化如图9所示。
三次运行试验中，当空气流量为m3·min-1时，H2含量最低，空气流量为m3·min-1时，H2含量明显高于其它两次。
2、气化剂流量对产出气中CH4成分的影响
气化气中CH4的含量随空气流量的变化如图9所示。
三次运行试验中，当空气流量为m3·min-1时，CH4含量最低，空气流量为m3·min-1时，CH4含量最高。
CH4成份含量虽有变化，但波动很小。
3、气化剂流量对产出气中CO成分的影响
气化气中CO的含量随空气流量的变化如图10所示。
当空气流量为m3·min-1时，CO含量最低，当空气流量为m3·min-1时，CO含量有大幅度上升，高达%，空气流量继续增大至m3·min-1时，CO含量有轻微的降低。
4、气化剂流量对产出气热值的影响
由表1可以看出，在三次运行试验中，产出气化气热值随空气流量的增大而升高，燃气热值受燃气成分中可燃气体成分含量制约和影响。
小型上吸式生物质气化炉的三次运行试验时的炉内温度已被采集，具体数据如表2所示。
气化炉炉内温度和鼓风量之间的实验研究数据
时间/min
氧化区温度/℃
还原区温度/℃
裂解区温度/℃
干燥区温度/℃
运行1
运行2
运行3
运行1
运行2
运行3
运行1
运行2
运行3
运行1
运行2
运行3
0
73
8
862
46
48
235
10
14
53
10
11
31
2
94
11
738
51
59
351
11
25
63
10
12
37
4
119
278
670
54
422
362
12
60
72
10
21
43
6
148
371
626
56
752
330
14
68
76
11
31
45
8
249
449
872
70
741
338
18
71
73
11
52
56
10
323
467
845
75
792
357
24
76
71
11
65
59
12
351
551
901
76
800
397
39
109
70
12
73
66
14
402
556
920
79
737
447
52
181
72
12
74
69
16
479
556
709
84
682
457
58
271
80
13
74
70
18
547
555
836
92
674
472
61
339
82
14
74
74
20
608
548
903
104
662
520
64
341
81
15
76
72
22
663
565
939
128
443
567
66
327
86
17
73
73
24
703
638
998
174
387
523
66
299
116
19
75
74
26
736
670
1020
235
354
516
66
263
149
22
75
73
28
768
723
1054
305
328
480
67
242
190
27
74
72
30
818
716
932
374
266
358
67
198
200
38
64
70
32
914
834
929
444
228
306
68
187
196
56
61
70
34
995
849
849
554
203
283
70
178
192
65
60
68
36
1018
812
/
643
187
/
72
169
/
69
57
/
38
999
1002
/
697
171
/
72
157
/
71
59
/
40
849
1099
/
546
185
/
75
161
/
70
61
/
42
/
1115
/
/
396
/
/
147
/
/
64
/
44
/
1076
/
/
652
/
/
142
/
/
66
/
表2
利用专业origin软件对温度变化情况进行分析，如下图图11、12、13所示
图11—试验1图12—试验2当空气流量为m3·min-1时，炉内温度变化平稳，如图11所示，氧化区最高温度达1018℃，并在随后的一段时间里在1000℃上下波动，还原区温度稳步上升至650℃左右后，保持稳定，干燥区和热解区温度有有较小的升，但整个过程没有太大波动；当空气流量为·min-1时，一段时间里还原区温度上升速度很快，如12所示，温度值要高于氧化区温度，并且在20分钟左右时，裂解区温度出现了小高图13峰现象，这说明，在较大空气流速的带动下，炉内床层上移。
随后的一段时间里，随着氧化区温度的上升，还原区温度有所回降，裂解区温度也逐渐降低并趋于平稳，反应进行至40分钟左右时，炉内床层分布趋于正常化，还原区温度不再下降，和氧化区温度同步上升，最终趋于平稳；当空气流量为m3·min-1时，温度变化如图13所示，由于封火24小时后，炉内温度没有大幅度下降，故气化炉第三次运行试验时，氧化区起始温度很高。
在开始后的一段时间里，氧化区温度变化波动较大，还原区温度平稳上升，裂解区和干燥区温度没有太大变化。
30分钟以后氧化区、还原区温度呈下降趋势，裂解区温度有小范围上升，测温结束后，经检查知，炉内物料没有正常下落，炉体下部物料烧空导致上述情况发生。
3、结论
⑴当空气流量较小时，炉膛温度瞬时波动很小，变化曲线很平稳；当空气流量较大时，炉膛温度瞬时波动较大，温度变化曲线有较大的上升和下降。
空气流量大小会影响炉膛内部温度最高值，氧化区、还原区最高温度随空气流量的增大有小幅度提高，干燥区、裂解区温度变化不大。
⑵气化气热值受产出气中可燃气的成分含量制约和影响，可燃气成分含量高，燃气热值就高，反之燃气热值就低。
生物质气化气主要可燃成分为H2、CO、CH4，H2、CH4两种可燃成分含量随空气流量的增大而增大，根据燃气热值计算方法，可知燃气热值随空气流量的增大而增大。
⑶由以上可知，本项目研制的秸秆气化炉使用60W风机可满足工作要求，封火时间可超过24小时，并且燃气可燃成份较高，热值高达/m3，操作方便，使用要求低，适于在农村及农牧团场家庭使用。
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