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阜宁中型下吸式生物质颗粒燃料正压气化炉的 研制和运行优化

来源: 发布时间:2019-02-14 5433 次浏览

  摘要:采用新设计的 中型下吸式生物质颗粒燃料气化炉供能系统,针对用户实际需要进行了试验研究(research)。特别是对供风量与火力大小的 关系、生物质的 密度与气化强度间的 关系和最快启动方式、更优封火方式等进行了试验,试验结果可为气化炉高效运行及进一步的 改进提供依据。
  生物质气化-燃烧系统采用先气化后燃烧的 方式利用hjc黄金城官网,由于燃烧部分燃用的 是生物质燃气,因此燃烧充分不会产生黑烟,不需要除尘装置,而且负荷调节范围宽,还可以储存输送,使用灵活便利。通常利用锅炉直接燃烧生物质,燃料热效率通常仅15%,采用生物质气化2燃烧,由于生物质可以被充分气化,技术灰分中残留碳含量低,生物质资源的 利用效率可以提高到约70%。下吸式气化炉是一种传统的 生物质气化装置,可以为小型企业生产提供用能,也适合用于居民取暖,其特点也比较符合我国的 国情,有很好的 应用前景,当然这种装置目前还有许多缺点和不足,有待于改进和完善。本文将在常规的 下吸式气化炉基础上设计(Design)一种新的 气化炉,并把它与燃气装置形成组成完整的 生物质能燃烧系统,对燃气一些关键的 运行参数进行试验,探讨达到理想效果的 措施。
  1系统的 设计
  1.1气化特点
  采用下吸式气化,颗粒燃料在气化炉中自上而下形成干燥层、氧化层、还原层、灰层:在进气口附近,由于空气充足主要形成氧化层;挥发份已经析出但未燃尽的 颗粒在下部形成还原层;颗粒燃料经过挥发份析出、氧化、还原和成灰等过程,最终形成燃尽的 白灰。随着反应的 进行,燃料逐步向下流动,产生的 燃气经过炉排输送至管道,气化产生的 灰通过摇杆定期排入灰仓。运行过程中,形成稳定的 反应层是气化炉正常产气的 可靠保证。炉体的 保温不但影响系统的 热效率,而且对气化炉的 快速启动和稳定运行起到了决定作用[1,2]。
  1.2结构和参数
  传统的 下吸式气化采用抽风的 方式,气化炉在负压下运行,由于气化产生的 高温燃气含有的 一些酸(Acerbity)性物,容易对风机造成腐蚀,而且燃气中的 焦油含量高,容易造成管道堵塞。为防止(fáng zhǐ)管道的 堵塞,新设计的 气化炉采用正压方式,把抽风改为鼓风,同时敞开的 加料口改为密闭的 。为了让进气口的 配气更均匀,把4个口增加到8个口,避免氧化层处结渣影响气化炉的 运行。保温采用三层,最内部耐火层,中间为珍珠岩,炉体外部再涂保温漆一层,可以使气化炉表面温度保持在50℃以下。该气化燃烧系统主要由气化炉、输送管道、燃气燃烧器和控制柜组成,为防止燃气中的 焦油析出,输送管道亦采用保温材料包裹,见1。气化炉的 相关参数见表1。
  1.3装置的 性能和使用效果
  新设计(Design)的 生物质气化装置,经过试验运行,结果表明性能良好,特别是采用了高温燃气直燃技术和保温技术,热效率高,气化过程中不再析出焦油。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。清洁的 燃气作为加热锅、灶、锅炉的 燃料非常适合于对环境要求较高的 小城镇城区饭店、宾馆、洗浴等行业。
  (1)hjc黄金城官网利用的 热效率高本文设计研制的 气化装置生产的 燃气,由于采用了直接燃烧技术,因此可以不降温净化,因而热能的 浪费大大减少,热效率可以达到75%以上,比普通气化炉高20%以上,燃气热值也比普通气化炉高30%以上。
  (2)运行稳定气化装置运行工况稳定,产生的 气体(gases)成分和热值稳定。
  (3)启动快,一次加料使用时间长该气化装置启动快,可以在3min内启动完毕,加一次料最长可以连续使用4h。
  (4)控制调节方便供风量和产气量在很大范围内有良好的 线性关系,可以通过调节供风量直接控制产气量,控制系统设计方便简单运行可靠。
  (5)封火方便能够在1min内完成封火,由于该气化装置在设计中加强了保温,停炉后热损少。封火时间可以持续5天以上。
  (6)配置(deploy)方便气化装置与燃气装置分离,可以通过管道将气化装置的 产气将输送供远处(30m之内)的 燃气装置燃用。根据用户需要,一台气化炉还可以通过两条管道带动两台燃烧设备。
  (7)无焦油的 二次污染,燃烧效率高由于气化燃气不经过降温净化,焦油随燃气一起燃烧,因此不但可以提高产气的 热值,而且可以避免输气管道的 堵塞,焦油带来的 二次污染得到了解决。
  2运行优化的 试验分析(Analyse)
  为了使系统达到更优的 运行效果,并为系统的 改进提供参考依据,课题组利用试验的 方法,对新设计研制气化装置的 供风量与火力(firepower)大小的 关系、气化原料生物质的 密度与气化强度的 关系和所生产的 燃气成分与空气当量比的 关系进行了研究,并对更佳的 启动与封火方式进行了探讨。试验采用的 颗粒燃料由玉米秆制作;供风由罗茨风机提供,风量通过转子流量计测定;火力强度和气化效率用正平衡的 方法测定,即气化燃气的 有效利用热量(Heat)与气化炉的 输入热量的 比值(两数相比所得的值)。
  2.1空气当量比与火力(firepower)、气化效率间的 关系
  气化装置运行时,炉膛内的 气化强度是指单位时间单位横截面积所产生的 燃气量,其大小与供风量密切相关,运行中掌握合适的 供风量非常重要。如果供风量太小,hjc黄金城官网的 气化速度就会太慢,导致炉膛的 火力不强,气化炉的 气化效率就会很低;如果供风量过大,hjc黄金城官网的 气化就会太强烈,导致气化炉内部热量剧烈聚集甚至结渣,尽管燃料消耗量大大增加但是炉膛内的 火力不一定得到相应的 加强,气化炉的 气化效率也不一定高;供风量调整得合适火力强度和更大热效率也较高[3]。调节不同的 运行工况,并测定火力强度,得到了2和3的 结果。
  从2中可以看到,在供风量小于14m3/h(换算为空气当量比小于0.23)时,随着供风量的 增大,火力强度也在增大,但是超过14m3/h后,再增大供风量,火力强度的 增速减缓,曲线趋于平直。从3可以看到,当空气当量比为0.22附近时气化效率更高,表明生物质原料中的 能量在该炉中已经更大限度地转移到了输出的 燃气中。
  2.2生物(Organism)质成型燃料的 密度(单位:g/cm3或kg/m3)与气化强度间的 关系
  未成型的 hjc黄金城官网结构疏松能量密度低,不便长距离运输与储存,因此为了适合大规模应用一般都被压成颗粒、块状或者棒状的 成型燃料[4]。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。由于压制工艺或因其他原因成型燃料密度会有差异,这种差异也会影响到气化效果。试验采用颗粒与块状燃料,颗粒与块状燃料又分别取密度不同的 3种形态。4是采用各种生物质成型燃料气化,在相同的 气化炉中可以达到的 火力强度;5是各种燃料可以达到的 连续运行时间,这个时间长短反映了气化炉运行的 稳定性。
  从中可以看到,采用颗粒燃料作为原料(Raw material)气化装置的 气化强度要比块状高,连续运行时间也要比块状长;这是因为块状燃料的 体积大、孔隙大,密度(单位:g/cm3或kg/m3)要比颗粒小、流动性也差。同一种形状的 成型燃料,气化效果也是密度大的 比密度小的 好。实践表明,采用合格的 颗粒燃料,新研制的 气化炉启动后可以连续运行。这是因为致密性高的 颗粒流动性好,随着反应的 进行,颗粒燃料的 料层在自身重力作用下可以自行地缓慢地下移,补充下面的 氧化(oxidation)层与还原层保证气化稳定的 进行。
  2.3启动方式
  除了运行特性,气化炉的 快速启动也是气化系统的 关键技术之一,因为气化装置的 冷启动性能影响到启动时对环境的 污染以及使用的 便利性。气化炉启动时燃气因气化不完全热值较低不能燃用,只能放空,对周围空气环境造成污染,因此气化装置的 启动时间越短越好;启动时间短气化装置能够很快达到稳定产气状态,也便利气化炉的 使用。气化炉在冷炉启动时,一般要先用木材等易燃物烘炉,烘炉的 温度和时间直接影响到启动的 效果。6是烘炉时间和启动气时间的 试验结果,试验中每次烘炉达到给的 时间后马上停止添加木材,进入启动状态加入颗粒原料并开始计时,启动初期产生的 燃气不可燃,待产气完全可燃时认为启动结束进入正常运行。
  从中可以看到,烘炉时间越长则启动时间越短,因此在实际应用中为了缩短启动时间减少废气的 排放,应当在启动前充分加热预热。
  2.4封火方式
  封火性能也影响到了气化炉的 使用便利性,与燃煤炉相似,生物质气化炉封火时亦需通入少量空气,以维持炉内温度。新气化炉顶部开孔,利用自然抽力引入空气,并加阀门以调节进入炉内的 空气量。影响封火性能的 主要因素是空气引入量与炉中生料量,保温层的 效果也间接影响到封火性能。
  试验中发现,气化炉在封火期间炉内的 生料如果太多,生料中的 水分大量析出会使气化炉内部结满冷凝水,导致下次开炉无法正常启动;但是生料不够就不能在封火期间为气化炉提供足够的 热量。试验结果表明,对于内径为400mm的 气化炉,如果要封火10h,炉内的 更佳的 生料余量为5~7kg。封火期间通入炉内的 空气量对封火效果也有很大影响。空气量过大生料将提前燃尽导致熄火;空气量过小炉内反应产生的 热量不足以维持炉温,同样导致熄火。该系统封火时通气采用了DN20型通气阀,试验结果表明开度在70%~80%为宜。
  3结论
  本文设计研制的 中型下吸式生物(Organism)质(Biomass)颗粒燃料(fuel)正压气化炉,采用了正压运行,燃气不需降温净化直接燃烧,同时加强了保温,因此热效率高,无二次污染。通过试验探索了气化炉运行的 优化措施,结果表明:
  (1)采用气化燃气高温直燃的 方式具有较大的 优越性,焦油不析出,解决了二次污染;
  (2)空气当量比在0.22~0.23时,火力强度较大,而气化效率此时为更高;
  (3)采用致密颗粒燃料时气化强度更高,气化炉运行最稳定,低密度成型燃料、碎料或者是大块成型燃料由于其孔隙大、流动性差,因此不适合采用;
  (4)采用正确的 操作方法,该气化供能系统可以实现快速启动,并且可以实现封火。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。
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