以空气-水蒸汽为气化剂下吸式生物质气化炉设计与试验
傅玉栋，徐有宁，陈俊峰
【摘 要】针对下吸式生物质气化炉主要部件对气化效果的影响进行了分析，并且设计了1台生物质气化炉。以空气-水蒸汽为气化剂，松木颗粒为原料，对该气化炉进行试验。在仅以空气为气化剂时，确定了最佳空气当量比（ER）为0.263，还原区反应温度达到671℃，燃气热值达到峰值1 569 kcal/Nm3。在ER保持0.263不变的条件下，增加水蒸汽与燃料质量比（S/B），在反应温度高于600℃时，燃气中CO含量逐渐减少，H2含量逐渐增加。当该气化炉以空气-水蒸汽为气化剂，ER为0.263，S/B为0.078时，燃气热值达到最大值1 627 kcal/Nm3。
【期刊名称】沈阳工程学院学报（自然科学版） 【年(卷),期】2019(015)001 【总页数】4
【关键词】生物质；下吸式气化炉；ER；S/B
面对日益突出的能源短缺和环境治理问题，新型清洁能源的开发与利用是社会发展的必然要求。在众多新能源之中，生物质能的开发与利用得到了更广泛的关注。生物质能是最重要和最普遍的能源之一。目前，我国的生物质能利用效率非常低，一些新技术还未成熟，未能得到广泛发展[1]。
生物质气化技术主要包括以空气、水蒸汽、富氧等为气化剂的固定床和流化床气化技术[2]。其中，下吸式固定床气化炉的燃料由气化炉顶部加入。随着气化反应的进行，生物质燃料依靠自身重量，逐渐下移，气化后产生的灰由炉底排出。下吸式固定床气化炉由于其装置结构简单，坚固耐用，运行方便，而且对
反应变化适应性强，燃气焦油含量较少等特点被广泛应用[3]。然而，下吸式气化炉的气化效率相对较低，床层阻力较大，运行不稳定，易发生“搭桥”和床层烧穿等问题。因此，针对下吸式气化炉特点，分析了下吸式气化炉的设计要素，并设计了以空气-水蒸汽为气化剂的气化炉。
1下吸式气化炉主要部件设计
设计1台功率为135 kW的下吸式气化炉，取燃气低位热值Qnet=5 200 kJ/Nm3，气化炉产气负荷取值Bg=0.3 Nm3/(cm2·h)。气化燃料选取松木颗粒，其元素分析和工业分析结果如表1所示。 1.1喉部尺寸
喉部形状和直径大小直接决定气化炉的性能。带喉部的气化炉可以增加气化还原区的反应时间，提高气化效率,一定程度上还对“搭桥”有所改善。此外，还能保证还原反应区的温度要求。喉部直径直接影响气化炉的出力，直径过小满足不了断面热负荷的要求，而直径过大需要更高的流速才能够使空气喷射到气化炉中心，会对燃气穿层造成影响[4]，这也限制了下吸式气化炉大型化的发展。 通过气化炉功率计算公式得出气化炉单位时间产气量V[5-6]：
式中，P为气化炉功率，A为气化炉喉部截面积，其值由式（2）算得，通过式（3）可算出气化炉喉部直径d=20 cm。 1.2空气喷嘴
ER是实际通入的空气量与理论完全燃烧空气量的比值。ER小于0.2，则会导致气化不完全，燃气中有过多的焦油，生成的燃气热值过低等问题；ER大于0.4，完全燃烧比重加大，燃气中CO2、H2O量增加，CO、H2含量减少，热值降低。所以，最佳ER选择范围是0.2～0.3[7]。
ER选取0.25，按照气化炉最大处理燃料量为100 kg/h设计，生物质气化所需空气量约为69 m3/h，则喷嘴直径取30 mm。 1.3气化炉高度
固定床气化炉高度为炉内各反应区与灰室、燃料储存层高度之和。干燥和热解区热量来源于氧化区燃料燃烧产生的热量，所以干燥区与热解区高度很小。此外，干燥热解区高度还和气化炉直径、燃料颗粒度等因素有关。综合考虑各因素，干燥热解区高度取值为300 mm。
考虑灰室和燃料储存层高度不低于600 mm，气化炉总高度取值为1 250 mm。 1.4蒸汽喷嘴尺寸
蒸汽作为气化剂不仅可以提高燃气品质，增加H2含量，还能辅助控制反应床温，避免床温过高，造成碱金属腐蚀设备。
蒸汽量的衡量用指标S/B，其值取0.1，蒸汽喷嘴直径为dn1=25 mm。 气化炉结构如图1所示。
2试验方法
试验采用空气-水蒸汽作为气化剂，在仅以空气为气化剂的条件下，改变空气当量比ER，测定反应温度、燃气组分及热值，确定最佳空气当量比。保持最佳空气当量比不变，改变通入水蒸汽的流量，确定以空气-水蒸汽为气化介质的气化炉特性参数。 试验过程如下：
1）为气化炉添加新料至加料口，点火后待各测温点温度稳定后，通入空气和空气-水蒸汽，每隔3 min，记录该工况下气化温度及燃气组分变化。燃气组分通过型号为GASBOARD-3100P的红外煤气分析仪进行检测。
以空气-水蒸汽为气化剂下吸式生物质气化炉设计与试验
