秸稈連續(xù)氣化大型裝備的研究

續(xù)建康，張玉珍

1.山東紅帆能源科技有限公司，山東濟南 250101

2.濟南重工股份有限公司，山東濟南 250109

0 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，目前我國正處在城鎮(zhèn)化,工業(yè)化快速發(fā)展階段，要保持經(jīng)濟長期平穩(wěn)較快發(fā)展，保障能源安全十分重要。而煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源資源日益枯竭，迫切需要開發(fā)可再生的能源資源以補充和替代現(xiàn)有的化石能源。生物質(zhì)作為重要的環(huán)境友好的可再生能源資源，是開發(fā)利用可再生能源資源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一個主要方向。

我國潛在的生物質(zhì)資源非常豐富。全國農(nóng)作物年產(chǎn)生物質(zhì)約7億噸，可作為燃料的生物質(zhì)占50%以上。農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物如稻殼、甘蔗渣、發(fā)酵殘渣等在2億噸以上。各類林木質(zhì)廢棄物資源量在3億噸以上。據(jù)推測，到2020年，中國可開發(fā)生物質(zhì)資源量至少可相當于15億噸標準煤。如何對這些生物質(zhì)資源進行深層次、有效的開發(fā)利用成為我國建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和社會主義新農(nóng)村建設(shè)的迫切要求。

1 背景

生物質(zhì)氣化是實現(xiàn)低品位生物質(zhì)能源深層次利用的有效手段，可以減緩對化石燃料的嚴重依賴和直接燃用化石燃料帶來的嚴重環(huán)境污染，對提高農(nóng)村生活水平、改善生態(tài)環(huán)境、保障國家能源安全等具有重要意義。我國政府近年來對生物質(zhì)氣化逐漸重視起來，相關(guān)研究取得了一定成果，相關(guān)技術(shù)也已在國內(nèi)進行了示范應(yīng)用。

目前我國的氣化技術(shù)主要以固定床生物質(zhì)氣化爐為主，總體上可分為上吸式和下吸式兩種。原料都是從設(shè)備上部投入，經(jīng)過干燥、熱分解、還原、氧化。上吸式在設(shè)備底部用風機強制送風，在設(shè)備上部輸出燃氣。而下吸式在設(shè)備底部用引風機強制輸出燃氣。上吸式燃氣中的焦油含量高，凈化程序復(fù)雜，成本高。下吸式燃氣中的焦油含量低，凈化程序簡單，因而在市場上得到更多應(yīng)用。但下吸式存在不能連續(xù)產(chǎn)氣，間歇運行造成大量原料浪費，產(chǎn)氣率低，燃氣質(zhì)量也不高，難以應(yīng)用于發(fā)電等諸多領(lǐng)域。而且技術(shù)開發(fā)還主要依賴于政府資金扶持，難以引起投資者的興趣進行工程開發(fā)。因此，開發(fā)一種具有高附加值，產(chǎn)氣量大且能連續(xù)運行的氣化裝備，尤其能夠為投資者帶來經(jīng)濟效益的氣化裝備是十分必要的。

3 氣化裝備技術(shù)研發(fā)

3.1 系統(tǒng)簡介

本研究課題通過深入研究氣化過程中的影響因素，并根據(jù)氣化產(chǎn)生熱化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化過程，研制開發(fā)了一種產(chǎn)氣量大，可連續(xù)運行，自動化程度高的生物質(zhì)氣化裝備。設(shè)備整體性能指標得到大幅提升,氣化效率大于70%,燃氣熱值大于1250kcal/Nm3,出爐燃氣焦油含量小于1000mg/Nm3,氧含量小于1%。設(shè)備可以滿足連續(xù)穩(wěn)定運行,可調(diào)控性能顯著提升,燃氣品質(zhì)好,應(yīng)用范圍廣，將實現(xiàn)對固定床氣化技術(shù)及設(shè)備的革新。

裝備主要由爐頂、爐膛、鏈條傳動、爐底、傳動軸、爐腰、爐頂攪拌配風、燃燒層配風、爐排、爐底排灰密封、爐排電動機等裝置及控制系統(tǒng)組成。工作流程為∶生物質(zhì)原料由爐頂?shù)穆菪M料器進入爐膛,由爐頂攪拌配風裝置拌合均勻,啟動引風和配風風機,根據(jù)氣化燃燒的特點和氣化劑供給量需求,通過爐頂攪拌配風裝置和燃燒層配風裝置對爐膛內(nèi)進行主動配風。同時根據(jù)工況要求,啟動配風控制系統(tǒng)對配風過程進行實時控制和調(diào)節(jié)。通過引風機使氣化裝備底部形成微負壓,爐膛內(nèi)燃燒氣化產(chǎn)生的燃氣由上而下輸出。系統(tǒng)燃燒所產(chǎn)生的灰分通過滾動爐排裝置連續(xù)排出,排灰裝置根據(jù)中央控制系統(tǒng)采集到的爐底灰層高度數(shù)據(jù),實時啟動將灰渣及時排出。通過系統(tǒng)各裝置的協(xié)同工作,保證裝備系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。

圖1

圖2

本裝備具有以下特點：1）設(shè)計方案中采用主動配風，富氧燃燒的理念，研制主動配風裝置，自動調(diào)節(jié)氣化過程中所需氣化劑量及各層的溫度,優(yōu)化氣化反應(yīng)過程,使生物質(zhì)在燃燒層內(nèi)均勻充分燃燒,實現(xiàn)高產(chǎn)氣率、高熱值, 提高氣化效率；2）研制輸送便利且能相對密封的物料供給裝置，滿足主動配風環(huán)境要求；3）研制可以自動破渣，連續(xù)排灰的爐排裝置，提高氣化裝備自動化程度和連續(xù)工作能力；4）優(yōu)化氣化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)余熱的充分收集和氣化劑預(yù)熱，提高系統(tǒng)熱效率；5）建立完善的自動調(diào)控系統(tǒng)，保障氣化過程的自動，可靠地運行。裝備結(jié)構(gòu)如圖1、圖2：

設(shè)備外景

中試試驗

3.2 重點零部件爐排裝置計算機有限元分析

爐排裝置采用RQTA122作為爐排材料。RQTA122在空氣環(huán)境中耐熱溫度達到1100℃,抗高溫、耐腐蝕性較好。利用Pro-E軟件建模和Ansys軟件對爐排裝置進行熱-力耦合分析研究。

溫度場分布云圖

位移場變化云圖

綜合溫度場和位移場云圖,爐排材料RQTA122滿足實際工況需求。

3.3 典型原料的氣化性能試驗分析

以玉米秸稈為原料進行氣化性能檢測分析：

可燃氣體成分隨配風量的變化趨勢

非可燃氣體含量隨配風量的變化趨勢

由圖分析，CO2的比例隨著配風總量的增加呈現(xiàn)先降后增的變化趨勢。當CO2的含量達到最低時，裝備內(nèi)氣化運行狀況處于最佳狀態(tài), 此時CO2充分還原轉(zhuǎn)化為CO。

燃氣熱值隨配風流量的變化趨勢

裝備各層反應(yīng)溫度的變化趨勢

焦油含量隨配風流量的變化趨勢

焦油的裂解隨溫度的升高較為敏感，在800℃以上的高溫時，焦油的裂解率隨著氣化劑供應(yīng)的增加而迅速升高。因此，通過氣化劑的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對焦油熱裂解去除具有重要意義。

原料產(chǎn)氣率隨配風流量的變化趨勢

配風流量在550～680m3/h為第一階段，這一區(qū)域氣化裝備產(chǎn)氣率較低，氣體中可燃氣體含量較低，燃氣質(zhì)量較差。配風流量在680～910m3/h為第二階段，為可燃氣體占比例最高的一個階段。氧化、還原反應(yīng)均衡，氣體反應(yīng)處于最佳階段。配風流量在910m3/h以后，雖然原料產(chǎn)氣率較高，但隨著空氣量增加，燃氣中非可燃氣體占有的比重升高。

針對不同秸稈原料，課題組對裝備工作性能進行了現(xiàn)場測試，總結(jié)如下：

本裝備經(jīng)北京市公共事業(yè)研究院檢測，裝備燃氣熱值達到5488KJ/Nm3，遠優(yōu)于國家標準4600KJ/Nm3的規(guī)定，氧含量0.9%，完全符合行業(yè)標準的指標要求。

4 結(jié)論

本氣化裝備的燃氣生產(chǎn)連續(xù)性強,焦油裂解效率高,燃氣清潔性好,適合于規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。對我國生物質(zhì)氣化炊事、發(fā)電、供熱技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。不僅可以實現(xiàn)生物質(zhì)能源的高效利用，還可以直接推進農(nóng)村經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。同時也是貫徹黨中央國務(wù)院提出的可持續(xù)發(fā)展觀和科學(xué)發(fā)展觀，在促進我國經(jīng)濟進步的同時，減少溫室氣體的排放，最大限度的保護好我們賴以生存的環(huán)境。

[1]董玉平，等.中國生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2007，2.

[2]袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]馬隆龍，吳創(chuàng)之，孫立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.