下吸式生物質氣化爐結構研究進展

楊 輝，孫 姣*，陳文義*，丁 盛，張馨元

（1. 河北工業(yè)大學過程裝備與控制工程系，天津 300130；2. 河北工業(yè)大學化工學院，化工節(jié)能過程集成與資源利用國家地方聯(lián)合工程實驗室，天津 300130）

生物質能源是僅次于化石燃料的第四大能源，且具有干凈清潔、 無污染、 資源量大和可再生的特點，受到人們越來越多的關注[1]。 生物質氣化是生物質能源轉化的主要技術之一， 同時也是通過熱化學轉化制取液體燃料、發(fā)電和熱電聯(lián)產的關鍵技術[2,3]。物質氣化是指在氣化劑存在的條件下，生物質中碳氫化合物燃燒轉化為可燃氣體的過程；生物質氣化技術氣化效率較高，設備操作方便，目前被國內外廣泛應用于工農業(yè)生產的各個領域， 如合成甲醇、集中供熱、供氣、發(fā)電等[4]。

固定床氣化爐是生物質氣化工藝中常用的設備之一，氣化爐根據氣化劑進入位置和流過床層方向不同，常分為上吸式和下吸式兩種。 下吸式氣化爐比上吸式氣化爐焦油含量低，更適用于小規(guī)?；虡I(yè)應用[5]。 然而，在下吸式氣化爐中存在氣化效率低、爐排堵塞、出灰溫度高等問題，而且原料只適用于含水率較低的塊狀物料[6]。 為解決這些問題，國內外設計了不同的下吸式氣化爐結構，使氣化爐的性能和效率得到提高。

Bhavanama等[7]綜述了下吸式氣化爐操作溫度、氣化劑、水分、停留時間和空氣當量比各種工藝和操作參數對可燃氣組成和產量的影響。 馬中青等[8]對單段和兩段下吸式氣化爐的結構進行了綜述，但他僅粗略籠統(tǒng)描述，并未對氣化爐結構進行詳細對比分析。 下吸式氣化爐爐膛形狀一般為Imbert型、倒V型和平板縮口型，結構簡單，不再贅述。 本文主要從下吸式氣化爐供氣系統(tǒng)和進出料系統(tǒng)展開，對近年來國內外下吸式氣化爐結構特點進行對比分析，并在此基礎上對未來下吸式氣化爐的結構進行展望。

1 下吸式氣化爐工作原理

圖1 下吸式生物質氣化爐工作原理

下吸式氣化爐從上到下依次為干燥、 熱解、氧化和還原階段，如圖1所示。 在下吸式氣化爐中，生物質原料由氣化爐頂部加入，氣化劑由氣化爐上方供入，可燃氣和物料同時向下移動，也稱順流式氣化爐[9]。 在氣化爐的最上層，生物質原料首先被干燥。 當溫度升到250℃以后開始熱解反應，大量揮發(fā)分析出。 600℃時大致完成熱解反應，此時與空氣劇烈燃燒放出大量的熱使氣流和床層溫度快速升高，燃燒反應以炭層為基體，揮發(fā)分在參與燃燒的過程中會進一步降解。 燃燒產物與下方的炭層進行還原轉變?yōu)榭扇細?，然后可燃氣經下方氣體出口離開氣化爐。

2 下吸式生物質氣化爐結構

2.1 供氣系統(tǒng)

下吸式氣化爐供氣系統(tǒng)的作用是將空氣或水蒸氣等氣化劑通過噴嘴和進氣口經鼓風機或抽風機送入氣化爐，在氧化層與炭和部分熱解氣發(fā)生氧化反應產生高溫， 為其它層提供熱量并使焦油裂解。 供氣系統(tǒng)的好壞直接影響著可燃氣品質，因此許多研究者設計并研究如多級進氣、預熱和改變噴嘴進入位置多種結構。

2.1.1 多級進氣結構

進氣結構根據空氣級數可分為一級、 二級、三級和四級進氣形式。 一級進氣是下吸式氣化爐最基本形式，主要從爐膛上方進入，結構簡單，便于加工與制作。 Fagbemi[10]等報道熱解層溫度為500℃時焦油的產量最高。 當采用一級進氣結構時，由于熱解層和還原層中發(fā)生的主要化學反應為吸熱反應，其熱量只能來自于氧化層原料燃燒釋放的能量。 因此熱解層溫度不會太高，從而影響焦油裂解，導致可燃氣中焦油含量多、熱值低等缺點。

目前二級進氣是下吸式氣化爐較為常用的進氣結構。 第一級進氣位置通常位于爐膛上方、干燥或熱解層，第二級進氣位置較為固定，位于氣化爐氧化層。 這樣的結構有一個好處是可以在第一級進氣位置另外形成“隱形”的氧化區(qū)，提高氣化爐溫度和燃氣熱值，降低焦油含量。 缺點是離開氣化爐的可燃氣溫度高，對凈化系統(tǒng)造成負擔。 如泰國的亞洲理工學院（AIT）[11,12]和南京林業(yè)大學[13,14]設計了類似的二級進氣結構的下吸式氣化爐， 結構見圖2(a)和圖2(b)。 第一級進氣位于氣化爐干燥或熱解區(qū)，第二級進氣布置在氣化爐氧化區(qū)。 AIT實驗結果表明，二級進氣結構可使熱解層溫度從400℃升到500℃，焦油含量從大約1200mg/Nm3降至100mg/Nm3， 可燃氣熱值提高10%左右。而南京林業(yè)大學實驗表明，熱解區(qū)溫度最高可達到606℃， 可燃氣熱值從3.97MJ/Nm3升至4.54MJ/Nm3，可燃氣出口溫度提高了40%左右。 同時氣化爐性能（冷氣體效率、碳轉化率等）得到明顯提高。

圖2(a) AIT設計的下吸式氣化爐

圖2(b) 南京林業(yè)大學設計的下吸式氣化爐

圖3(a) 董宇平等提出的下吸式氣化爐

圖3(b) Striugas等設計的下吸式氣化爐

三級進氣的氣化爐結構是在二級進氣的基礎上，另加一級通到氣化爐氧化區(qū)的中心區(qū)域。方法是通過中心開孔的攪拌器和旋轉軸等方式， 這種結構可以避免空氣與原料接觸不足等問題， 減少空氣進入量， 更重要的是提高氧化區(qū)溫度使焦油二次裂解的更充分。但對攪拌器和軸材料要求高。如山東大學董宇平[15,16]設計的三級進氣下吸式氣化爐結構，如圖3(a)所示。 第一級進氣位置從氣化爐頂部中心垂直的攪拌器中間通過噴嘴噴入氧化區(qū)，第二級進氣位置位于氣化爐的干燥或熱解區(qū)。 第三級進氣位置通過爐壁面的九個噴嘴通入氧化區(qū)。 實驗結果表明，三級進氣方式下氣化爐有較高的溫度（氧化層溫度為1100℃）和合理的壓力分布，產出氣體熱值較單級相比提高20%左右，同時焦油裂解效果好。立陶宛能源研究所Striugas等[17]設計了另外一種三級結構，見圖3(b)。 一級進氣位置位于喉部上方，二級進氣位置在喉部下方， 三級進氣位置通入到氣化爐還原層，這種結構可以使氣化爐內氧化區(qū)和還原區(qū)溫度升高，達到使生物質原料燃燒更充分使副產物焦油含量更低的目的，但對進出料系統(tǒng)要求高，因為三級進氣的結構使生物質燃燒過快，需要及時補充原料和防止炭的累積。

圖4(a) Mahapatra等提出的下吸式氣化爐

圖4(b) Kallis等設計的下吸式氣化爐

此外還有一些研究者對四級進氣的下吸式氣化爐結構進行了研究，Mahapatra等[18]設計的下吸式氣化爐見圖4(a)。 有一股空氣和生物質進入氣化爐位置一樣，另外三股從爐壁的不同位置分別進入氣化爐熱解或氧化層，有兩股空氣分別從氣化爐氧化層的頂部和底部進入，這種結構可以采用分級氣流的方式讓氧化層高度擴大， 增加生物質的停留時間，從而使氧化區(qū)溫度升高，焦油二次裂解更充分。而Kallis等[19]設計的四級進氣下吸式氣化爐結構見圖4(b)。 空氣可以從氣化爐爐壁的四個不同高度的入口進入，其中還原層中通入兩股空氣，這兩股空氣可以顯著提高還原層溫度，使還原反應更好的進行。 同時這些進氣口可以獨立工作，便于控制供氣量和床層位置。

圖5(a) Fiseha等設計的下吸式氣化爐

圖5(b) 中國科學院設計的下吸式氣化爐

從上述內容看，氣化爐多級進氣結構主要適用于爐頂密封式。 增加空氣進入量是為了提高氣化爐內部反應溫度， 特別是氧化區(qū)和還原區(qū)的溫度，達到使焦油二次裂解的效果，因此多級進氣也大多從這兩個區(qū)進入。 與傳統(tǒng)的單級進氣氣化爐相比，多級進氣結構可明顯使氣化爐溫度升高，提高可燃氣熱值和降低焦油含量。

2.1.2 預熱結構

近年來， 利用預熱空氣對生物質原料進行氣化得到了廣泛關注。 因為與傳統(tǒng)的氣化工藝相比，對空氣進行預熱可使可燃氣的品質提高，焦油含量降低[20-21]。Fiseha等[22]設計了一種外預熱結構的氣化爐，空氣由外部加熱器進行預熱，通過高度調節(jié)裝置可改變預熱空氣和水蒸氣位置，結構見圖5(a)。 實驗結果表明，通過對油棕櫚葉氣化過程中空氣預熱可使可燃氣中H2和CO的體積分數分別從8.47%、22.87%提高到10.53%和24.97%，熱值由4.66MJ/Nm3提高到5.31MJ/Nm3，且可燃氣中焦油含量降低。

中國科學院呂鵬梅等[23]在進行下吸式生物質氣化爐制氫特性研究中，對氣化爐進氣結構進行了設計，結構見圖5(b)。采用氧氣/水蒸氣和空氣兩種氣化介質， 通過內部夾套對進入氣化爐空氣進行預熱，實驗結果表明，對進入氣化爐空氣進行預熱提高了氫氣產量和熱值。 北京工業(yè)大學劉原等[24]設計了一種新型下吸式氣化爐，專門設計余熱蒸汽發(fā)生器結構，達到可以利用氣化爐底層灰室余熱去加熱夾套內的氣化劑，使最后出氣化爐的燃氣熱值增加的效果。

圖6(a) Simone等設計的下吸式氣化爐

從上面可以看到，氣化爐預熱結構可以采用外部電加熱和通過爐體產生燃氣的熱加熱。 電加熱安裝在空氣或水蒸氣進入氣化爐的管道上，操作簡單且方便。 爐體產生燃氣的熱加熱主要用水夾套和蒸氣發(fā)生器，這種結構復雜但能減少能量輸入，降低能耗。

2.1.3 進氣噴嘴型式

為了克服以往空氣只被送到氣化爐爐壁的問題， 有研究者對氣化爐進氣噴嘴型式進行了討論。目前主要存在兩側進風（包括沿徑向進入的直噴嘴和傾斜進入的斜噴嘴）、 從上向下進氣和從下向上進氣三種進氣噴嘴型式。 噴嘴能夠直接將空氣送到氣化爐中間，更好地與物料燃燒充分去提高氧化層的溫度，從而促進焦油二次裂解，達到降低出口焦油含量效果。 直噴嘴進氣型式[25-27]是最簡單一種，它直接把空氣通到氣化爐內，結構單一，對提升氣化爐溫度不如其他型式效果好。 意大利國立比薩大學Simone等[28]設計了一種斜噴嘴進氣型式的進氣結構，見圖6(a)所示。 四個噴嘴傾斜均勻分布在氣化爐爐壁，空氣可通過這種結構直接進入氣化爐中間區(qū)域參與生物質燃燒，同時空氣可在進入氣化爐當中進行預熱。 實驗結果表明，接近噴嘴出口的位置溫度最高可達到1109℃， 有效提高了氧化層反應溫度，促進焦油二次裂解。 印度圣·澤維爾學院Christus等[29]設計了另外一種傾斜式進氣結構的下吸式氣化爐，見圖6(b)。 在氣化爐熱解階段有傾斜管子通入直到氧化層底部截止，噴嘴均勻分布在管子上，這種進氣結構簡單，便于加工。 實驗結果表明，還原層入口溫度可達到1267K，且可燃氣具有較高熱值。

圖6(b) Christus等設計的下吸式氣化爐

山東大學蓋超等[30]設計了一種從上向下進氣噴嘴結構的下吸式氣化爐， 爐膛頂部裝有攪拌器，攪拌器軸中空且底部裝有中心噴嘴供空氣通入，這種進氣結構可使空氣在進入氣化爐過程中能夠對其進行預熱，還能夠通過調節(jié)攪拌軸上下位置達到空氣進入氣化爐的深度。 中國科學院廣州能源研究所王小波[31]發(fā)明一種從下向上進氣噴嘴結構的下吸式氣化爐，在生物質氣化爐下部設置氣體進口，部分進氣管穿過氣化爐高溫段， 出口位于氣化爐干燥段。 運行時氣化劑經過氣化爐高溫加熱從氣體出口流出，這種進氣結構可使已經生成或者即將生成的架橋被破壞，同時可提高氣化爐氣化負荷。

2.2 進出料系統(tǒng)

進出料系統(tǒng)由進料結構、爐排結構和出灰結構組成。 同時是氣化爐處理能力大小的關鍵，目前有間歇式和連續(xù)式兩種。 進料和出灰結構類似，主要有螺旋、氣動和帶式輸送機等結構。 爐排結構常采用固定爐排、振動爐排和旋轉爐排。

2.2.1 進料結構

生物質進料結構的作用是將生物質原料均勻地送進氣化爐，使其能夠在爐內燃燒均勻，防止燃燒過快現(xiàn)象的出現(xiàn)。 為了能夠使氣化爐連續(xù)進料，山東大學董宇平等[16]設計了一種連續(xù)進料結構，改變了以往需要手工加料方式，結構見圖3(a)。 原料通過料斗經螺旋輸送機以一定速度加入氣化爐中，床層厚度和電機轉速決定了生物質的處理量。 結果表明生物質進料速率提高導致生物質原料消耗速率和工藝溫度的提高。 但過高的進料速率不利于生物質氣化裂解反應，導致H2和CO濃度降低，焦油量增加。 而立陶宛能源研究所Striugas等[17]設計的氣化爐進料結構見圖3(b)。 原料通過螺旋輸送機經料斗加入氣化爐，與前一個不同點是自主設計的機械料位裝置能對氣化爐中的原料進行精確追蹤，而且能通過PID控制器對螺旋進料電機控制實現(xiàn)自動化，速度不固定，保證氣化爐的進料速率。

圖7 Galindo等設計的下吸式氣化爐

巴西的Galindo等[32]和Martinez等[33]設計了一種間歇式的氣化爐進料結構，結構如圖7。 他們通過在料斗的旁邊加上振動裝置，調節(jié)振動頻率實現(xiàn)周期性加料，結構簡單且節(jié)省人力。宋龍朝等[34]研制了另外一種連續(xù)式進料結構，結構見圖8。 進料機構由料斗、皮帶輪、電機等組成。 料斗內的原料經電機帶動進料機構加入氣化爐， 進料機構筒壁有方形缺口，當缺口轉到料斗時，物料掉入進料機構中，當進料機構轉到反應爐時，物料落入反應爐內。 這種進料機構具有結構簡單、操作方便、可實現(xiàn)連續(xù)運行等優(yōu)點。

圖8 宋龍朝等研制的下吸式氣化爐

2.2.2 爐排結構

圖9 ?？〉仍O計的下吸式氣化爐

圖10 Vyas和Singh提出的下吸式氣化爐

爐排主要起支撐燃料層、松動、消除結拱和孔洞、排出灰渣的作用。 爐排結構類型主要有固定爐排、往復爐排[14,35]、振動爐排[32,33]、旋轉爐排[26,30,36,37]幾種。 固定爐排是最簡單的結構，用耐熱鑄鐵澆鑄而成，不能活動，只能人為操作，費時費力。 巴西的Galindo等[32]設計了一種振動爐排，在爐排裝有振動器， 每隔一段時間內電機就會帶動振動器運動，使生物質燃燒的灰落入下部，這種振動爐排結構可實現(xiàn)自動除灰， 并防止炭層穿孔和架橋現(xiàn)象的出現(xiàn)。韓國環(huán)境產業(yè)技術研究院尹?？〉萚38]設計了一種旋轉式爐排結構，見圖9。 爐排在電機和減速機構帶動下，在爐膛內部進行旋轉，實現(xiàn)攪動燃料層并使其緩慢下移、消除架橋的作用，在實際操作中，效率較高。 而印度Vyas和Singh[38]設計了一種往復式爐排結構，見圖10。 將活動爐柵連接起來，之后與爐外搖桿相連，人工搖動使爐珊上下運動，把燃燒之后的灰經螺旋輸送機送到出灰口，這種結構可通過人為觀察氣化爐中生物質高度去操作搖桿， 讓灰及時落下。

圖11 劉原等設計的下吸式氣化爐

2.3 出灰結構

氣化爐氣化效果好不好的決定因素之一是出灰結構，目前主要有間歇式和連續(xù)式兩種。 如北京工業(yè)大學劉原等[24]設計了一種類似皮帶輪形式的連續(xù)出灰結構，見圖11。 等灰通過旋轉爐排落到金屬皮帶上時，啟動電機以一定速度帶動傳動機構使金屬皮帶運動，之后灰渣就會被送到出灰口，實驗結果表明，經過8h的連續(xù)測試，期間運行平穩(wěn)，燃氣熱值可達到5.5MJ/m3。而印度Bhoi等[39]設計了間歇式出灰結構。 爐底下部布置一個矩形水槽，注入水直到密封住氣化爐爐體下部為止， 灰直接落到水槽中，等氣化完成后排水出灰。 這種出灰結構可起到讓灰渣降溫并起到儲存灰渣的作用。

圖12 孫榮峰等發(fā)明的氣化爐出灰結構

另外浙江農林大學馬中青等[40]設計了一種倒錐形連續(xù)出灰結構，由倒錐形旋轉機構和螺旋輸送機組成，灰下落到倒錐形機構時，電機就會帶動機構運轉，從而灰就會進入到輸送機上被送到爐外。 此外孫榮峰等[41]發(fā)明一種連續(xù)出灰的結構，見圖12。該結構裝有灰道，灰道的上端與氣化爐的出灰口相連通，灰道的下端設置在可轉動的灰盆內，灰道內設置有可轉動的螺旋葉片，灰道的外表面上設置有出灰刮板。 自動化程度較高，但結構復雜且對材料要求高。

3 結語

下吸式氣化爐因其制作簡單、操作方便，適用于小型生物質氣化。 下吸式生物質氣化爐的結構是影響氣化過程的一個重要因素，合理設計氣化爐結構對提高氣化爐性能和效率至關重要。 下吸式氣化爐結構主要由加料結構、供氣結構、爐排結構和出灰結構組成。 進料結構和出灰結構采用螺旋和帶式輸送機等方式可提高加料和出灰速度，多級進氣結構、預熱結構和改變噴嘴位置的供氣系統(tǒng)使氣化爐氣化效率得到明顯提高，為了有效防止氣化爐架橋現(xiàn)象，爐排結構可采用振動爐排、旋轉爐排或往復爐排等。

通過研究國內外下吸式氣化爐結構的發(fā)展狀況，可以看出，供氣系統(tǒng)是未來氣化爐研究的重點，它直接影響著燃氣品質的高低和焦油含量的多少。傳統(tǒng)的下吸式氣化爐由于自動化程度低已不適合社會的發(fā)展需求， 未來的下吸式氣化爐將朝著高效、節(jié)能、穩(wěn)定且原料適用性范圍廣、可連續(xù)生產和具備高度的自動化方向發(fā)展。