中部出氣的上吸式固定床氣化爐及其自動控制的料斗供料系統(tǒng)設(shè)計

杜海江，徐冰嬿，李宗楠，劉光華，董燕萍

(1. 中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣州 510070；2. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；3. 東莞市百大新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808)

中部出氣的上吸式固定床氣化爐及其自動控制的料斗供料系統(tǒng)設(shè)計

杜海江1，徐冰嬿2，李宗楠2，劉光華3，董燕萍3

(1. 中科院廣州電子技術(shù)有限公司，廣州 510070；2. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；3. 東莞市百大新能源股份有限公司，廣東 東莞 523808)

改進的固定床上吸式生物質(zhì)氣化爐，以錐形下料裙將氣化爐分成氣化室與儲料室兩部分，出氣口設(shè)在下料裙死角處。輸出的產(chǎn)出氣溫度在300 ℃以上、灰分少、熱值高，氣化效率高，兼具上吸式與下吸式氣化爐的優(yōu)點，有效解決了常規(guī)上吸式氣化爐產(chǎn)出氣中焦油含量高、熱值低問題。自動控制的料斗供料方式保證了氣化爐運行的可靠性與安全性，擴展了生物質(zhì)木料的適用范圍。實現(xiàn)產(chǎn)出燃?xì)庠谡羝仩t中代替煤、木材、油燃燒，可有效解決中小企業(yè)的用能問題，達到節(jié)能減排的目的。

中部出氣；固定床上吸式氣化爐；料斗供料

0 引 言

近年來應(yīng)用于生物質(zhì)能源的上吸式氣化爐、下吸式氣化爐及循環(huán)流化床氣化爐在發(fā)電、農(nóng)村供熱及烘干等應(yīng)用方面都得到了快速發(fā)展，而且在生物質(zhì)氣化的機理、過程、影響因素等方面的理論研究取得了大量成果，對氣化爐本體結(jié)構(gòu)與性能的研究也取得了重大進步并積累了豐富經(jīng)驗[1]。但是目前國內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用的生物質(zhì)氣化裝置普遍存在產(chǎn)出可燃?xì)庵薪褂团c氮氣含量較高、熱值與氣化效率較低、自身熱損失較大等問題[2]。生物質(zhì)能要真正成為化石能源的替代能源，關(guān)鍵是要將能量密度低的低品位生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變成高品位能源，如何有效地將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為潔凈的高品位能源，是該領(lǐng)域目前的重要研究課題。

過去的研究結(jié)果證明，通過對常規(guī)固定床上吸式氣化爐改進，原料中的水分參加氣化反應(yīng)可使反應(yīng)后的H2及CH4的含量平均提高2%～3%，可燃?xì)鉄嶂堤岣? 200 KJ/Nm3，關(guān)鍵是使干燥后的生物質(zhì)避免經(jīng)過低溫?zé)岱纸鈪^(qū)立即進入高溫?zé)岱纸鈪^(qū)[3]?；诖搜芯拷Y(jié)果研發(fā)的實用型中部出氣氣化爐，可有效解決產(chǎn)出可燃?xì)庵薪褂蛦栴}，自動控制技術(shù)的應(yīng)用保證了氣化爐的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了生物質(zhì)燃?xì)庠谡羝仩t中代替煤、木材、油燃燒，料斗方式間歇供料，使得塊狀及枝條狀生物質(zhì)木料亦可直接應(yīng)用。

1 中部出氣的固定床上吸式氣化爐

常規(guī)上吸式氣化爐是氣固逆流式的氣化爐，產(chǎn)出的可燃?xì)饨?jīng)氣化還原層、熱分解層、干燥層從爐頂部排出，可燃?xì)庵袔в幸欢康乃峙c焦油。雖具有氣化效率高、氣化強度高、除灰份以外無其它固體可燃剩余物等優(yōu)點，但同時存在產(chǎn)出氣體中焦油含量相對較多、氣體質(zhì)量相對較差的缺點。而下吸式氣化爐是氣固順流式氣化爐，原料與空氣同時從氣化爐頂部加入，產(chǎn)出氣與灰從下部排除，氣化過程中生成的焦油部分被高溫?zé)崃呀?，因此產(chǎn)出氣中焦油含量相對較少，但含有較多灰分。

文中所述的中部出氣固定床上吸式氣化爐是新型交錯流氣化爐，結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用了氣固順流與逆流的優(yōu)點，使干燥層所排出的水分隨氣體下行時參加氣化反應(yīng)，而經(jīng)熱分解層產(chǎn)生的焦油，經(jīng)高溫裂解而使含量降低。氣化爐主體結(jié)構(gòu)以一個錐形的下料裙分成上下兩部分，下部為以熱解、氧化、還原反應(yīng)為主的氣化室，上部為以干燥為主的儲料室。原料從料斗落到爐本體中會因下料裙的原因形成一個自然環(huán)狀死角空間，這個空間就成了一個自然的“集氣走廊”， 可燃?xì)獬鰵饪诰驮O(shè)在此死角空間處。熱分解氣化后的可燃?xì)庀染奂诖谁h(huán)形的“集氣走廊”中，由“集氣走廊”排入出氣口。這樣的設(shè)計不僅大大減少了輸出燃?xì)庵械娘w灰，同時出氣口設(shè)在干燥層的下部，燃?xì)廨敵鰶]有經(jīng)過干燥層，所以輸出燃?xì)獾臏囟容^高，降低了燃?xì)庵薪褂歪尦龅目赡苄?，焦油成份可以隨燃?xì)庖黄疠斔筒⒃阱仩t爐膛中燃燒，焦油成份熱值的利用不僅產(chǎn)出可燃?xì)獾臒嶂档玫教岣?，也解決了焦油凝聚堵塞而引起的設(shè)備運行可靠性問題。此外，當(dāng)儲料室充滿原料時，壓力差的原因使氣體通過料層的阻力大于從出氣口導(dǎo)出的阻力，避免了煙氣通過進料口外溢的可能性。

圖1 中部出氣上吸式氣化爐結(jié)構(gòu)圖

中部出氣的上吸式氣化爐解決了幾個關(guān)鍵問題：一是從底部經(jīng)燃燒區(qū)，還原區(qū)上升的氣體經(jīng)高溫?zé)岱纸鈪^(qū)排出爐外，避免了低溫?zé)岱纸?，減少焦油產(chǎn)量，提高氣體質(zhì)量；第二是使氣體中水份經(jīng)干燥區(qū)釋出后向下流動參加氣化反應(yīng)，提高產(chǎn)出氣熱值；此外產(chǎn)出氣中的飛灰大大減少。因此中部出氣結(jié)構(gòu)綜合了常規(guī)上吸式氣化爐與下吸式氣化爐的優(yōu)點，出氣口位置即錐形下料裙位置是氣化爐設(shè)計的關(guān)鍵。在上吸式氣化爐中反應(yīng)溫度是隨著反應(yīng)層高度(料層高度)的增加而減小的，在運行中當(dāng)其它條件如生產(chǎn)量、空氣比等已經(jīng)確定時，反應(yīng)層高度反映了反應(yīng)溫度，為了獲得質(zhì)量比較高的產(chǎn)出氣必須控制較高的熱分解區(qū)溫度，這可以通過控制反應(yīng)層高度來實現(xiàn)[3]。通過料層溫度測試實驗確定出氣口位置距離爐柵1.5 m附近為最佳，此時可保證輸出氣溫度不低于300 ℃，低位熱值5 830 kJ/Nm3，燃?xì)饬髁? 000 Nm3/h以上，適應(yīng)于2～3 T/h蒸汽鍋爐的氣化爐設(shè)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 設(shè)計數(shù)據(jù)

2 采用料斗方式的氣化爐上部供料結(jié)構(gòu)

針對循環(huán)流化床氣化爐的生物質(zhì)原料，如顆粒料、切段后的秸稈、木糠等可以采用螺旋推進方式供料[4]。但對固定床上吸式氣化爐來說，其優(yōu)點之一是適用的生物質(zhì)料寬泛，包括枝條狀或不規(guī)則塊狀的生物質(zhì)木料，在無法采用螺旋推進方式供料時，料斗間歇供料是較佳選擇。料斗方式供料時，必須對爐內(nèi)料位高度檢測、爐頂落料口處的密封、料斗運行控制等整個供料系統(tǒng)進行完善設(shè)計及控制，否則氣化爐運行的可靠性無法保證，進而影響其應(yīng)用與推廣。翻蓋式落料密封結(jié)構(gòu)煙塵外溢嚴(yán)重[5]，圖2是改進后的料斗供料結(jié)構(gòu)圖，主要由料斗、豎直提拉支架、水平移動支架、氣化爐落料口的水隔密封閘閥、料位檢測擺桿組成。家俱廠剩余的生產(chǎn)廢木料或其它枝條及塊狀木料簡單鋸斷后填入料斗，料斗由提拉鋼纜沿豎直方向支架提升一定高度后沿水平支架平移到氣化爐落料口上方，再下落到氣化爐落料口處，運動軌跡如圖中虛線所指。此時料斗下部與氣化爐落料中間倉入口吻合。位于落料中間倉中的水隔密封閘閥在汽缸驅(qū)動下沿水平方向滑動打開落料口，料斗中的木料在重力作用下掉落到氣化爐中。落料過程中，料斗代替密封推拉閘門，起到氣化爐上蓋的密封作用。

圖2 料斗供料方式結(jié)構(gòu)圖

圖3 料斗結(jié)構(gòu)圖

料斗結(jié)構(gòu)如圖3所示，為立方體鐵箱，上部為活動蓋板，打開時添加生物質(zhì)木料入箱內(nèi)，然后合上蓋板并由鎖扣與箱體合二為一。料斗箱體的下部底板為兩扇可沿轉(zhuǎn)軸擺動而打開、閉合的鋼板門，提拉鋼纜受力上拉時兩扇底板閉合，當(dāng)料斗與氣化爐落料口接觸吻合后，鋼纜繼續(xù)放松則底板失去拉力，在斗內(nèi)木料的重力作用下打開，木料自然下落到氣化爐內(nèi)。

3 料層高度檢測

氣化爐料斗供料是間歇式的，因此控制生物質(zhì)料在爐內(nèi)的料位高度非常重要，料位不足將導(dǎo)致爐內(nèi)溫度快速上升，尤其氣化爐上部供料口部位的溫度升高更為顯著，嚴(yán)重者將燒毀供料口。但是，氣化爐內(nèi)環(huán)境惡劣，煙、塵、焦油、水蒸汽及生物質(zhì)料的搭橋縫隙等，使得常規(guī)的光電方式、超聲波方式的料位檢測在此均無法應(yīng)用，因此尋找一種簡單、可靠的料位高度檢測方式成為關(guān)系到氣化爐能否可靠應(yīng)用的關(guān)鍵。圖2中的“擺桿”為設(shè)計的料位檢測裝置的側(cè)視圖，圖4為其俯視圖。料位檢測裝置包括：一個貫穿氣化爐內(nèi)外的轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)動軸的下部設(shè)置有一根“L”型擺桿，由汽缸驅(qū)動擺桿往復(fù)轉(zhuǎn)動，接近開關(guān)傳感器檢測擺桿的轉(zhuǎn)動位置。安裝時，使擺桿位于氣化爐內(nèi)的預(yù)定高度處，平時擺桿置于氣化爐一側(cè)的初始位置，在PLC控制下，汽缸驅(qū)動擺桿轉(zhuǎn)向氣化爐另一側(cè)的終極位置，如果此時氣化爐的料位高于擺桿所在高度，則擺桿無法擺動到終極位置，如果料位低于擺桿所在高度，則擺桿會順利轉(zhuǎn)向終極位置。PLC每隔一定時間控制驅(qū)動汽缸擺動一次擺桿，即可實現(xiàn)自動檢測料位。

圖4 料層高度檢測結(jié)構(gòu)

料位檢測裝置的可靠運行不僅是實現(xiàn)加料自動化的前提，而且可以保證爐內(nèi)物料高度在2 m 以上，保證氣化反應(yīng)的連續(xù)性與穩(wěn)定性。

4 落料口密封結(jié)構(gòu)

上吸式氣化爐的上部落料口必須設(shè)有一置于爐頂?shù)捻斏w門，落料時頂蓋門打開才能添進生物質(zhì)料，填料完畢再蓋合頂蓋，這一過程中必須保證氣化爐內(nèi)外環(huán)境的隔離密封。如果外部空氣進入爐內(nèi)輕則影響生物質(zhì)氣化進程與效果，嚴(yán)重時將產(chǎn)生爆燃事故。此外，爐內(nèi)燃?xì)馔庖鐚⒂绊懺O(shè)備與周圍環(huán)境的潔凈，對周邊產(chǎn)生污染。

圖5為設(shè)計的落料入口密封結(jié)構(gòu)，氣化爐頂蓋門為一置于水平導(dǎo)軌上并由汽缸驅(qū)動的推拉門，其兩側(cè)設(shè)有垂直折邊置于水槽中，在推拉門的開啟或關(guān)閉過程中，折邊始終浸于水槽內(nèi)的液體中，形成水隔密封結(jié)構(gòu)，可以有效防止氣化爐內(nèi)燃?xì)馀c灰塵經(jīng)落料口外溢，及避免外部空氣經(jīng)落料口進入氣化爐內(nèi)。落料時，料斗下部與氣化爐落料入口接觸吻合，推拉門被橫向打開，料斗下底板在提拉鋼纜失去提拉作用力時依靠重力自然打開，木料落于氣化爐體內(nèi)。推拉門打開時的密封由料斗箱體替代頂蓋完成，落料完成后推拉門重新閉合，此時落料中間倉內(nèi)會存有少量外溢煙氣，由風(fēng)機及排空管道排空。

圖5 落料口密封結(jié)構(gòu)

5 供料系統(tǒng)的自動控制

以三菱FX2N系列PLC為控制器，配合輸入輸出控制模塊及中間繼電器實現(xiàn)的供料系統(tǒng)控制原理框圖如圖6所示，根據(jù)供料過程分為料位檢測控制程序、料斗運行控制程序、密封推拉門控制、中間倉溢漏排空控制?？刂葡到y(tǒng)以觸摸屏為人機操作界面，除自動控制外尚設(shè)計有手動操作控制。一個完整的供料過程控制順序如圖7所示。

圖6 PLC控制原理框圖

圖7 供料過程控制流程圖

6 在蒸汽鍋爐中的應(yīng)用及運行結(jié)果分析

以中部出氣氣化爐產(chǎn)出燃?xì)鉃槿剂显谡羝仩t中代油燃燒一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，基于此系統(tǒng)建設(shè)的能源管理中心，為中心周邊中小企業(yè)提供蒸汽能源，有效解決了企業(yè)的能源問題，淘汰了企業(yè)的燃煤、油小鍋爐。系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)見表2，鍋爐尾氣排放數(shù)據(jù)見表3。

表2 氣化爐運行結(jié)果數(shù)據(jù)

表3 鍋爐尾氣排放數(shù)據(jù)[6]

* 《大氣污染物排放限值》(DB44/27-2001)第1時段二級標(biāo)準(zhǔn)

常規(guī)上吸式氣化爐在實際應(yīng)用時面臨三個需要解決的問題：一是提高氣體質(zhì)量，減少焦油產(chǎn)量；二是使原料中的水份參加氣化反應(yīng)避免混在燃?xì)庵?，以提高燃?xì)獾膶嶋H熱值；三是解決加料操作時的煙氣外溢。中部出氣氣化爐有效解決了這幾個問題，出氣口設(shè)在氣化爐中部使得燃?xì)廨敵鰷囟缺３衷?00 ℃以上，焦油成份呈氣化狀態(tài)隨燃?xì)庖黄鹪阱仩t爐膛中燃燒，不僅有效避免的焦油凝結(jié)對設(shè)備可靠性的影響與二次污染問題，而且充分利用了焦油的熱值，因此氣化系統(tǒng)的總熱值及氣化總效率都得到提高。此外提高氣化爐氧化還原區(qū)反應(yīng)溫度，避免低溫?zé)岱纸?，也是提高氣化速率與氣體質(zhì)量的重要因素，而選擇在氣化爐中部出氣，有效實現(xiàn)了氣化反應(yīng)在高溫下進行的需要。

應(yīng)用該氣化爐的蒸汽鍋爐的尾氣排放SO2、NOx、煙塵等實測數(shù)據(jù)均顯著低于《大氣污染物排放限值》(DB44/27-2001)第1時段二級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)，無需對鍋爐尾氣治理即可直接排放。氣化強度在300～450 kg/(m2·h)之間都可得到穩(wěn)定的操作與運行，運行的結(jié)果表明1 kg木料需要1 m3的助燃空氣，氣化后可得到2 m3的生物質(zhì)燃?xì)?，以空氣為氣化劑的木質(zhì)生物質(zhì)燃?xì)獾臒嶂翟?～6 MJ/Nm3之間。

系統(tǒng)在東莞市某五星級酒店的實際應(yīng)用證明經(jīng)濟效益明顯，該酒店每天用蒸汽24 t，改造前鍋爐以重油為燃料，改造后用生物質(zhì)燃?xì)鉃槿剂希灰?～3.5 t廢木料氣化產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)馑a(chǎn)生的能量與1 t重油所產(chǎn)生的能量相當(dāng)，參照目前的市場價格，3 t廢木料只需1 500元左右，而1 t重油卻要3 500元，原料成本節(jié)省57%。

7 結(jié)論語

文中所述中部出氣氣化爐及料斗供料系統(tǒng)已成功應(yīng)用于東莞百大新能源有限公司的2～3 T/h的生物質(zhì)氣化集中供汽能源管理中心，系統(tǒng)自動化程度高，運行可靠穩(wěn)定。生物質(zhì)料主要來自家俱企業(yè)的生產(chǎn)剩余邊角廢木料，其中大部分均可直接投放，無需破碎烘干，降低了生物質(zhì)利用的成本，具有顯著的經(jīng)濟及社會效益。應(yīng)用結(jié)果說明中部出氣的上吸式氣化爐及生物質(zhì)燃?xì)庠阱仩t中代替煤、木材、油燃燒，在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟效益和環(huán)保效益是明顯的，可以有效解決中小企業(yè)的用能問題，達到節(jié)能減排的目的。

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Updraft Fixed-bed Biomass Gasifier with Gas Outlet in the Middle Position and its Automatic Hopper Feeding System

DU Hai-jiang1, XU Bing-yan2, LI Zong-nan2, LIU Guang-hua3, DONG Yan-ping3

(1.Chinese Academy of Sciences Guangzhou Electronic Technology CO., Ltd., Guangzhou 510070, China; 2.Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3.Dongguan Baida New Energy Shares CO., Ltd., Dongguan 523808, Guangzhou Province China)

An improved fixed-bed updraft biomass gasifier, is divided into two parts, i.e. gasification chamber and storage chamber by a tapered feeding skirt. The gas outlet of the gasifier is designed in the corner of the skirt. This gasifier possesses the advantages of both updraft gasifier and downdraft gasifier, with high gasification efficiency, the outlet gas has the characteristics of temperature higher than 300℃, low ash content and high calorific value. The proposed method solves the problem of high tar content and low calorific value of conventional updraft gasifier. The hopper feeding method expands the scope of biomass material, and the automatic control provides the reliability and safety of the system. Using the outlet gas of gasifier as fuel of boiler instead of coal, wood, or oil，will effectively solve the energy problem of small and medium-sized enterprise , and achieve the purpose of energy -saving and emission-reduction.

Output gas in the middle position; Updraft fixed-bed biomass gasifier; Hopper feeding

2014-10-20

2014-12-10

杜海江(1964-)，男，高級工程師，中國科學(xué)院廣州電子技術(shù)研究所(中科院廣州電子技術(shù)有限公司)，從事電子產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)、及工業(yè)自動化工程應(yīng)用工作。

2009年廣東省中科院戰(zhàn)略合作項目(200-9B0913 00009)；2011年廣東省重大科技專項(2011A080803002)；2012年廣東省重大科技專項(2012A080103002)

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.007

TK6；TP273+.2

A

1009-3230(2015)01-0023-06