摘要
根據生物質氣化原理,針對目前氣化爐產氣熱值低和存在焦油的問題,設計了一種內燃加熱式氣化爐。內燃加熱式氣化爐優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;設置以熱解氣為燃料的內加熱系統,減少了空氣入爐量,提高了熱解氣熱值。內燃加熱式氣化爐是將生物質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,生物質氣化技術得到很快的發展,多種形式的氣化爐被開發出來,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壓下運行,對密封要求不高,產出可燃氣熱值高、焦油含量少,但是可燃氣中灰分多,且可燃氣出爐溫度高。上吸式氣化爐在微正壓下運行,對密封要求高,可燃氣中焦油含量高。流化床氣化爐, 爐內溫度高而且恒定,焦油在高溫下裂解生成氣體,燃氣中焦油比較少,但出爐的燃氣中含有較多的灰分,并且流化床氣化爐結構比較復雜,設備投資大,大型氣化設備較多。
從氣化爐的研究發展趨勢來看,改進氣化爐的結構和氣化工藝,提高產氣熱值和清潔度,達到系統要求的焦油含量(標準狀態下小于10 mg/m3),提高生物質能源利用系統的熱效率,一直是國內外學者關注的焦點[2~6]。本文從提高燃氣熱值、降低焦油的角度出發,設計一種內燃加熱式氣化爐。
1內燃加熱式氣化爐的工作原理
內燃加熱式氣化爐結構如圖1所示。氣化爐將生物質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,簡化了制氣設備,提高了能源利用率。爐身有3個圓筒將生物質氣化區與催化裂解區分開。生物質物料由料斗加入,電動機帶動回轉閥轉動,物料落入爐內滑板上,經過層層滑落,最后落到爐體底部。當爐內物料進入一定量后,從爐體側窗口點燃物料,燃氣引風機工作,使爐內氣體由爐體下部沿兩圓筒間縫隙向上運動,經過過濾層進入催化裂解區;再由燃氣管引出燃氣,一部分由廢氣引風機抽取經回流燃氣風量調節閥、止火器,與空氣混合點燃后進入蛇形管給氣化爐內提供熱量,最后成廢氣排出;另一部分經過熱交換器,由燃氣引風機引出的氣體,可作為燃氣收集。灰渣從底部由連續排灰裝置排出。
圖 1內燃加熱式氣化爐原設計結構簡圖
1.料斗2.進料機構3.催化劑頂部入口4.濾網5.攪拌葉片6.攪拌軸7.爐體8.耐高溫爐壁9.保溫層10.內燃管道11.擋板12.燃氣出口13.催化劑底部出口14.錐狀爐底15.出渣機構16.排渣口17.霧化器18.點火器19.熱交換器20.輸氣管道21.引風機22.燃氣量調節閥23.燃氣回流支路24.空氣流量計25.空氣調節閥26.催化劑床層27.燃氣通道28.進風量調節閥29.風量流量計30.排氣風機
該氣化爐的氣化過程大致可分為生物質氣化[7~10]與焦油的催化裂解2個過程。生物質首先被干燥。當溫度達到或超過160℃時,生物質將會發生熱解并析出揮發分,反應產物較為復雜,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等。少量空氣的加入,使揮發分、熾熱的炭和空氣中氧氣發生不完全氧化反應,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生還原反應生成一氧化碳、氫氣和甲烷等可燃氣體。最后,這些混合氣體由引風機抽取沿壁縫向上運動進入催化裂解區。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,但實現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,裂解的產物與燃氣成分相似[11~13]。
整個氣化爐的正常運行,是一個平衡的過程,爐內壓力為微負壓,通過進料量、各個閥門的調節得到最理想的氣化燃氣。氣化過程如圖2所示。
圖 2
[$NewPage$]
2內燃加熱式氣化爐的主要參數設計
影響氣化爐性能的主要設計參數有:每小時處理生物質量、燃氣質量、氣化效率、氣化劑用量、回流燃燒燃氣量、回流燃氣燃燒所需空氣量、燃燒所產生的廢氣量、產氣量輸出功率等。通過分析4種氣化方式以及相互間的關系,由空氣氣化逐步推理計算出氣化爐氣化工作時(空氣-水蒸氣氣化加部分燃氣回流燃燒)的主要參數。由于生物質種類較多,本次設計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的體積分數約為80%,使生成氣中的N2體積分數高達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氣成分(體積分數)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[7]得,麥秸在自然風干情況下的低位熱值為15.36 MJ/kg。
根據元素守恒,氣化反應后氣體中C含量約小于原料中C的含量,得
根據能量守恒,自供熱氣化反應生成的燃氣總低位熱值應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越,它是自供熱系統,不需要復雜昂貴的外供熱源;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,碳氫化合物,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氣。在水蒸氣(800℃)與生物質比為0.95,氧氣當量比為0.2的情況下,氧氣-水蒸氣氣化生成氣的成分(體積分數)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的體積分數為50%左右,再由元素守恒和能量守恒,可設空氣-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簡化計算公式為
Qg=126φCO+108φH2+359φCH4+665φCnHm
2.3水蒸氣氣化加部分燃氣回流燃燒
水蒸氣氣化一般不單獨使用,而是與氧氣(或富氧空氣)氣化聯合采用,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(體積分數)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的體積分數約為50%,氣體產率(標準狀態下)約為
2·0m3/kg,所以設水蒸氣氣化氣體產率約為1 m3/kg,再設水蒸氣氣化的氣體特性如表1所示,經式(2)~
(3)核算符合。
氣化氣體中H2由還原反應產生,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,燃氣最高溫度約為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的燃氣回流燃燒。
由燃氣中CO、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,經計算可得回流燃燒所需氧氣量由空氣中氧氣的體積分數約為20%,可得回流燃燒所需空氣量。由于空氣中的N2不參加反應,根據燃燒反應方程式可得燃氣回流燃燒所產生的廢氣量(標準狀態下,且水以水蒸氣形式存在)。