2014年12月農(nóng)機(jī)化研究第12期小型生物質(zhì)氣化爐HEGF-2的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究田仲富，王述洋，李三平(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040)摘要:針對(duì)目前小型生物質(zhì)氣化爐結(jié)構(gòu)存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一種小型生物質(zhì)氣化爐,并以其為研究對(duì)象,自行搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中,通過改變氣化劑空氣流量,分析了氣化劑空氣流量對(duì)氣化爐性能的影響,并通過改變?nèi)細(xì)馀滹L(fēng)量得到了配風(fēng)量對(duì)氣化爐煙氣排放的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, HEGF-2型生物質(zhì)氣化爐具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、換熱充分、產(chǎn)氣品質(zhì)和熱值高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化爐;氣化性能中圖分類號(hào): TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1003-188X(2014)12-0243-04型,但對(duì)配風(fēng)系統(tǒng)做了相應(yīng)的改進(jìn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所0引言示。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),農(nóng)戶生2活用能(主要仍依賴于各種作物的秸稈)的清潔高效是解決農(nóng)村環(huán)保用能的關(guān)鍵。小型生物質(zhì)氣化爐可以把低熱值的生物質(zhì)變?yōu)楦邿嶂档目扇細(xì)?能夠很好地滿足廣大農(nóng)村農(nóng)戶生活清潔用能的需要[-31。本文針對(duì)目前國內(nèi)的小型氣化爐產(chǎn)氣效率低、灰渣含量6高熱值較低等缺點(diǎn)，對(duì)本實(shí)驗(yàn)中心的第1代小型生物質(zhì)氣化爐HEGF-1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),極大地提高了產(chǎn)氣質(zhì)量和熱值。1 HEGF- 2小型氣化爐設(shè)計(jì)1.排氣口2. 原料口3.內(nèi)爐筒 4. 保溫層5. 風(fēng)道.1.1結(jié)構(gòu)選型6.噴嘴7.配風(fēng)口 8. 排渣口9. 進(jìn)氣口10. 外爐筒同大中型生物質(zhì)氣化裝置相比,小型氣化爐應(yīng)具圖1小型氣化爐 HEGF-2結(jié)構(gòu)圖有結(jié)構(gòu)簡便、成本低廉、使用方便等特點(diǎn)，且適合在偏Fig. 1 Small Gasifier HEGF -2 Structure Diagram遠(yuǎn)且生物質(zhì)資源豐富的農(nóng)村地區(qū)使用。小型生物質(zhì)1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算氣化爐常用的結(jié)構(gòu)型式主要兩種:固定床上吸式和固1.2.1 爐膛容積計(jì)算定床下吸式4。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位質(zhì)量生物質(zhì)可產(chǎn)生的生物質(zhì)小型生物質(zhì)氣化爐在農(nóng)村是分戶使用的,無需連氣的氣化效率可知,爐膛容積為s續(xù)添料,適于采用分時(shí)加料。這樣也無需輸送管道太長,產(chǎn)出的氣體可以迅速被用掉,不用使用輔助裝置Vur=。Gv = Vor°n QwLP(1)來脫除焦油。所以，本文仍采用HEFG-1的結(jié)構(gòu)(即在本設(shè)計(jì)中，氣化爐的氣化效率預(yù)計(jì)為75% ,即η固定.上吸式)作為小型生物質(zhì)氣化爐的基本爐=75% ,冷氣體熱值Qor= 5040kJ/m' ,設(shè)計(jì)中的產(chǎn)氣量可保證一家3 ~4口人的2天用氣量,所以Vσr≥收稿日期: 2014-03-25基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51378096);黑龍江省自然科12. 46n中國煤化工主要生物質(zhì)原料,QwL學(xué)基金項(xiàng)目(C201244);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資= 15547:YHC NMHG度ρ= 112.48kg/m。金項(xiàng)目(DLI2BB01)將相關(guān)參數(shù)帶人式(1),可得爐膛容積為作者簡介:田仲富(1978-),男,山東鄆城人,講師,博士研究生,(E-mail) Tz(7802@ 163. com。Vur = Vor● 中QwLρ≈0.048 m'●243.2014年12月.農(nóng)機(jī)化研究第12期1.2.2 氣化爐直徑計(jì)算根據(jù)本設(shè)計(jì)氣化爐的爐膛容積,取氣化爐燃料消， 3530 .耗速率( FQR)為1. 68kg/h, 氣化強(qiáng)度(GI)取值為e 2558kg/(m2. h) ,則氣化爐的直徑D計(jì)算公式為“D=l 4FQR/π. GI] 1/(2)代人相應(yīng)數(shù)值,則D=0.192m。3.03.54.04.5 5.0 5.56.01.2.3 氣化爐高度計(jì)算氣化劑空氣量/m2●h為了確保該氣化爐能夠穩(wěn)定而持續(xù)地工作,并且圖2氣化劑空 氣流量對(duì)氣化爐熱效率的影響使氣化爐內(nèi)各個(gè)反應(yīng)區(qū)的高度都適中,在設(shè)計(jì)時(shí)把高Fig.2 Effect of air flow on the gasifying agent徑比的取值定為2,則H=2D=0.384。gasification fumace heat eficency1.3氣化 空氣量的設(shè)計(jì)計(jì)算由圖2可知:開始時(shí)氣化爐的熱效率隨著空氣流1.3. 1生物質(zhì)原料完全燃燒所需的空氣量量的增大而增大;當(dāng)氣化劑空氣量取值為4m'/h時(shí)，本設(shè)計(jì)中不考慮氮、硫與氧的燃燒反應(yīng)(硫和氮的氣化爐的熱效率達(dá)到最大值42% ;隨后,其值隨著空含量極低),而只考慮碳、氫與氧的燃燒反應(yīng)”。生物氣流量的增大而減小。整體來看，當(dāng)氣化劑空氣量為質(zhì)原料完全燃燒所需要的理論空氣量計(jì)算公式為3.5 ~4.5m2/h時(shí),熱效率較高，為40%左右。這是因?yàn)殡S著氣化劑空氣量的增加,氧氣供應(yīng)充足,更多的V=。0.21(1. 866[C] +5.55[H] - 0.7[0]) (3)原料發(fā)生燃燒反應(yīng)，氣化轉(zhuǎn)化率降低;當(dāng)空氣流量進(jìn)-步增大時(shí),會(huì)產(chǎn)生過氧燃燒, 反應(yīng)溫度高，燃?xì)庵锌捎衩锥挼脑亟M成如表1所示。燃成分減少,燃?xì)鉄嶂档?進(jìn)而導(dǎo)致熱效率降低。表1玉米稈元素組 成Table 1 The Corn rod Elements2)氣化劑空氣流量對(duì)氣化爐內(nèi)各反應(yīng)區(qū)溫度的影響。研究爐內(nèi)氣化反應(yīng)效果的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)(0sAsh就是各燃料層的溫度分布。為了得到較高質(zhì)量的氣47.55.441. 16.0. 080.575.29化可燃?xì)?必須保證合適的燃料層厚度和反應(yīng)溫度，將表1中的相應(yīng)數(shù)值代人式(3),則玉米稈完全燃其直接影響因素是氣化劑空氣流量。氣化劑空氣流燒所需要的理論空氣量為V =4.276m/kg。量對(duì)氣化爐內(nèi)各反應(yīng)區(qū)溫度的影響如圖3所示。1.3.2生物質(zhì)原料氣化所需的空氣量800p生物質(zhì)原料氣化所需要的實(shí)際空氣量可以由公式700 t(4)計(jì)算得出8。其中，當(dāng)量比a的取值- - 般為0.25~0.3,在本設(shè)計(jì)中取值為0.3,即a=0.3。所以,生物具400300 t質(zhì)原料氣化所需的實(shí)際空氣量為00 tVo =aV =1.283m*/kg(4)4.55.0 5.56.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析氣化劑空氣流量/m2●hr1圖3氣化劑空氣流量對(duì)氣化爐內(nèi)各反應(yīng)區(qū)溫度的影響2.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Fig.3 Efect of Gasifying Agent Gasification Furnace Air Flow Rat on the本實(shí)驗(yàn)主要目的是對(duì)HEFC-2在不同工況下進(jìn)行Temperature in the Reaction Zone熱工性能和煙氣排放實(shí)驗(yàn)。由圖3可知,當(dāng)氣化劑空氣量較小時(shí)，隨著空氣2.2 結(jié)果分析量的增加,各層溫度也隨之增加。當(dāng)氣化劑空氣流量1)氣化劑空氣流量對(duì)氣化爐熱效率的影響。由為4.5m'/h時(shí)，各層的溫度均達(dá)到了最大值，此后各相應(yīng)文獻(xiàn)和資料可知,氣化劑空氣流量對(duì)氣化爐的性層溫度中國煤化工爐內(nèi)干燥層和熱解層能影響非常大。通常情況下，氣化當(dāng)量比為0.35的溫度Hc N M H G右,而還原層和氧化層~0.42,氣化效果最佳。因此,在本實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)溫度較高a波切牧天;后，還原層溫度穩(wěn)步上升至氣化劑空氣流量,進(jìn)而控制氣化爐的熱效率。氣化劑590C左右，保持穩(wěn)定,裂解層和干燥層溫度有微小的空氣流量對(duì)氣化爐熱效率的影響如圖2所示。上揚(yáng),但整個(gè)過程趨于平穩(wěn)。●244.2014年12月農(nóng)機(jī)化研究第12期3)料層高度對(duì)氣化爐性能的影響。在本實(shí)驗(yàn)中，量低,且此時(shí)NOx含量適中,排放效果較好。選取不同高度的物料層進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以氣化效率和廢氣1 600出口溫度等參數(shù)為指標(biāo),研究料層高度與氣化爐性能1 550的關(guān)系。料層高度對(duì)氣化爐性能的影響如圖4所示。g 1500畫1450140080 t1 35070 t11 3001 25050 t1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.830 t空氣過量系數(shù)20 t180p160-10 20304050607080901002140-料層高度/cm120善10050 r二806000 4屬40300 t20000圖5燃?xì)馀滹L(fēng)量對(duì)氣化爐煙氣的影響Fig.5 Influence of gas air distribution on the gasification furnace flue gas3結(jié)論圖4玉米稈料層 高度對(duì)氣化爐氣化性能的影響Fig. 4 Infuence of Gasifier Efficiency th1)隨著氣化劑空氣量的增加，氣化爐滿爐運(yùn)行Material Layer Height of Corm Stalk時(shí),氣化速度提高,燃料消耗量和熱功率增大。但是,由圖4可知:當(dāng)料層高度在10 ~20cm之間時(shí),爐- -般小功率運(yùn)行時(shí), 氣化爐產(chǎn)氣均勻、穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間內(nèi)的生物質(zhì)原料絕大部分發(fā)生了氧化反應(yīng),爐內(nèi)未能長,適合連續(xù)供熱方式;當(dāng)大功率工作時(shí),需要較大燃很好地形成熱解層、還原層和氧化層,所以出口的燃料消耗,產(chǎn)氣不穩(wěn)定,持續(xù)運(yùn)行時(shí)間短,適合于間歇式氣溫度很高，但質(zhì)量很差、氣化效率極低、出口廢氣雜供熱。質(zhì)含量較高;隨著物料層高度的增加，氣化燃?xì)獾目?).玉米稈在氣化爐內(nèi)氣化時(shí),當(dāng)氣化劑空氣量取燃成分增多,質(zhì)量有所提高,出口廢氣的溫度卻逐漸值為3.5~4.5m'/h時(shí),各燃料層溫度維持在較高的降低;當(dāng)物料層高度在70 ~ 80cm 時(shí),氣化爐運(yùn)行在范圍內(nèi),氣化強(qiáng)度、速度較好,產(chǎn)氣量均勻穩(wěn)定、熱效滿爐的狀態(tài)下，燃?xì)赓|(zhì)量最佳,氣化效率達(dá)到75%左率較高,能夠滿足農(nóng)村地區(qū)-.般家庭的日常生活的熱右,廢氣出口溫度維持在65C左右。能需求。4)燃?xì)馀滹L(fēng)對(duì)氣化爐煙氣的影響。為了較好地3)氣化爐運(yùn)行時(shí),燃?xì)馀滹L(fēng)量為3.5 ~4.5m'/h,研究HEGF-2氣化爐的節(jié)能環(huán)保特性,對(duì)燃燒換熱后且空氣過量系數(shù)維持在1.3~1.4,氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定,的尾部煙氣進(jìn)行了測(cè)量,分析其煙氣主要成分,并與熱功率較高;但在其它的配風(fēng)量下，氣化爐的氣化性標(biāo)準(zhǔn)燃燒設(shè)備尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，看其是否滿足能下降較多,甚至不盡人意。所以，可適當(dāng)調(diào)節(jié)空氣、節(jié)能環(huán)保保要求。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),燃?xì)馀滹L(fēng)對(duì)氣化爐燃?xì)夤┙o量,從而提高氣化爐的氣化性能。煙氣的影響較大,如圖5所示。4)中國煤花工1.3-1.4范圍內(nèi)時(shí)，由如圖5可知，隨著空氣過量系數(shù)的增加,污染氣化室中可燃成分和污染性H;C NMH G'物含量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì);當(dāng)空氣過量系數(shù)氣體含重均牧低，定HEGr -2運(yùn)行的最佳工況。過小或過大時(shí),均會(huì)對(duì)氣化爐煙氣的產(chǎn)生較大影響。參考文獻(xiàn):所以,當(dāng)空氣過量系數(shù)為1.3~1.4時(shí),煙氣中CO含.[1]李斌,陳漢平,楊海平,等.戶用型上吸式生物質(zhì)氣化爐的.245.2014年12月農(nóng)機(jī)化研究第12期發(fā)展與改進(jìn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011 ,27(S1):205-209.-水蒸氣氣化試驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào), 2010, 31(2):[2]李鵬,吳杰,王維新.戶用型上吸式生物質(zhì)氣化爐的改進(jìn)237-241.設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(5) :76- -78.6 )] S. . Jarungthammachote, A. Dutta. Equilibrium modeling of3] 朱華炳,胡孔元,陳天虎,等.內(nèi)燃加熱式生物質(zhì)氣化爐設(shè)gasification: Gibbs free energy minization approach and its計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009 ,40(2) :96-101.application to spouted bed and spout -fluid gasifiers[J]. En-[4] Jin- Won Kim, Tae-Young Mun, Jin-O Kim, et al. Air gas-ergy Conversion and Management , 2008 , 49:1345-1356.ifcation of mixed plastic wastes using a two -stage gasifier for[7]呂鵬梅,吳創(chuàng)之,袁振宏,等.生物質(zhì)流化床- -水蒸氣氣化the production of producer gas with low tar and a high caloric模型研究[J].化學(xué)工程,2007 ,35(10): 23-26.value[J]. 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The experimental results show that ，HEGF -2 typebiomass gasification fur-nace has the advantages of simple structure，low cost, stable operation , sufficient heat exchange ，the advantages of gasproduction quality and high calorific value andenergy saving and environmental protection .Key words: biomass ; gasification furnace ; gasification performance中國煤化工MHCNMHG●246●