【正文】 氣接觸 ,當(dāng)爐膛內(nèi)為負(fù)壓工況時，加料端不需要嚴(yán)格的密封，使得運行中連續(xù)進(jìn)料成為可能，也可以進(jìn)行撥火操作 。（其工作原理如下圖所） 7 圖 3 下 吸式氣化爐工作 原理圖 （見上頁） 流化床氣化爐 流化床氣化爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 ，設(shè)備投資較多。繼續(xù)提高氣流速度，全部微細(xì)顆粒被吹起而懸浮于氣流之中，但不被吹出。 （其工作原理如下圖所示） 圖 4 流化床工作原理圖 4 生物質(zhì)可燃?xì)獾膬艋? 氣化氣中雜質(zhì)的組成、危害及去除方法 生物質(zhì)氣化燃?xì)庵泻懈鞣N各樣的雜質(zhì)，主要成分及危害如下表所示 表 1 氣化燃?xì)庵须s質(zhì)的組成及危害 雜質(zhì)成分 典型成分 可能引起的問題 凈化辦法 顆粒 灰、焦炭、熱質(zhì)顆粒 磨損、堵塞 氣固分離、過濾、水洗 堿金屬 鈉、鉀等化合物 高溫腐蝕 冷凝、吸附、過濾 氮化物 主要是氨和 HCN 形成二氧化氮 水洗 SCR等 焦油 各種芳香烴等 堵塞、難以燃燒 裂解、除焦、水洗 硫、氯 HCL硫化氫 腐蝕污染 水洗化學(xué)反應(yīng) 8 灰分：在反應(yīng)進(jìn)程中，大部分灰分由爐柵落入灰室，可燃?xì)庵械幕覊m經(jīng)旋風(fēng)分離器被除掉，將收集的灰分進(jìn)一步處理，可以加工成耐熱保溫材料，或是提取高純度的 SiO2，當(dāng)然也可以用作肥料。因此，在可燃?xì)廨斔凸芫W(wǎng)中，每隔一定距離要設(shè)一個集水井以便將冷凝水排出。 生物質(zhì)氣化燃?xì)庵兴趾突曳值奶幚硎潜容^容易的，而焦油則是生物質(zhì)氣化應(yīng)用中危害最大的，需通過下面幾種方法清除：（ 1）水洗法；（ 2）過濾法；（ 3）催化裂解法；（ 4）靜電捕捉法；（ 5） 旋風(fēng)分離器脫焦法。但是，如如何進(jìn)一步提高氣化氣熱值等問題也有待于解決。 9 1 引言 能源是 國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在某種意義上，人類社會生產(chǎn)的發(fā)展史，就是人類能源開發(fā)利用史。人類必須尋找到一種可經(jīng)濟(jì)開發(fā)、豐富、清潔的能源。 目前，世界能源格局是以石油、天然氣、煤炭等常規(guī)能源為主，包括水能風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮堋⒑四?、氫氣能、生物能等能源在?nèi)的多種能源并存的狀況。水能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源，雖然理論上是取之不盡，用之不竭的，但可經(jīng)濟(jì)開發(fā)的量并不大。因此人們預(yù)言能量巨大、分布廣泛、可以再生、污染小的生物質(zhì)能將成為第四代能源的主流能源。自然狀態(tài)下的生物質(zhì)如秸稈，枝條散碎、細(xì)軟、含水率高、能量密度低、燃燒強度小，傳統(tǒng)的秸稈利用方式，不僅造成了生物質(zhì)資源的過 度使用和浪費，還會造成環(huán)境污染。 本文通過對生物秸稈氣化工程的參觀、研究、結(jié)合國內(nèi)外已發(fā)表的有關(guān)資料比較系統(tǒng)的講解了生物質(zhì)氣化原理、工藝流程、氣化裝置及氣化氣的凈化等問題，并設(shè)計了下吸式氣化爐。據(jù)估計，植物每年貯存的能量約相當(dāng)于世界主要燃料消耗的 10倍；而作為能源的利用量還不到其總量的 l%。事實上，生物質(zhì)能源是人類利用最早、最多、最直接的能源，也是人 10 類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)燃燒是傳統(tǒng)的利用方式，不僅熱效率低下，而且勞動強度大，污染嚴(yán)重。減少對礦物能源的依賴，保護(hù) 國家能源資源，減輕能源消費給環(huán)境造成的污染。 生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源，它是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。因此改變能源生產(chǎn)和消費方式，開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生的清潔能源資源對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)，促進(jìn)國民 經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重大意義。中國 80%人口生活在農(nóng)村，秸稈和薪柴等生物質(zhì)能是農(nóng)村的主要生活燃料。 1998 年農(nóng)村生活用能總量 億噸標(biāo)煤，其中秸稈和薪柴為 億噸標(biāo)煤，占 %。 秸稈資源 秸稈是農(nóng)作物的剩余物，它是小麥、玉米、水稻等綠色植物在太陽輻射能的作用下吸收空氣中的二氧化碳 和土壤的水分進(jìn)行光合作用轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而固定下來的一種生物質(zhì)能源。在中國農(nóng)村，秸稈被用作重要的生活資源，是一種重要的生物質(zhì)資源。其元素組成如表 1所示 ； 通常情況下含碳越高的秸稈發(fā)熱量越大，秸稈現(xiàn)階段的用途大致有以下幾個方面： （ 1）作為工業(yè)原料，主要用于工業(yè)造紙 （ 2）作為畜牧飼料 （ 3）造肥還田 （ 4）農(nóng)村生活能源 表 1 秸稈中元素組成及各自含量 表 2 1999年中國農(nóng)作物資源量 碳 氫 氧 氮 硫 磷 40— 60% 5— 6% 43— 50% — % — % — % 作物種類 產(chǎn)量 秸稈：糧食 秸稈數(shù)量 占秸稈總量比例 % 水稻 小麥 玉米 高粱 谷子 其它雜糧 大豆 薯類 花生 油菜 芝麻 向日葵 棉花 麻類 甘蔗 總計 100 12 其中牲畜飼料和農(nóng)村生活用能仍是秸稈利用的主要方面?，F(xiàn)將 1999 年中國秸稈農(nóng)作物資源量表（如表 2）。（ 2）地區(qū)分布不平衡，一半以上的秸稈資源集中在四川、河南、山東、安徽、江蘇、湖南、浙江、湖北等 9 個省，廣大的西北地區(qū)和其它省區(qū)秸稈量較少。 農(nóng)作物秸稈是生物質(zhì)的主要組 成部分，隨著科技的發(fā)展，秸稈氣化集中供氣為用農(nóng)作物秸稈解決農(nóng)村生產(chǎn)用能開辟了道路。中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院研制的 ND 系列生物質(zhì)氣化爐，氣化效率達(dá) %，煤氣熱值達(dá) ，被用于烘干加熱、溫室供暖、動力發(fā)電等取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。 氣化 原理 生物質(zhì)氣化的基本原理是將生物質(zhì)原料加熱，生物質(zhì)原料進(jìn)入氣化爐后被干燥，伴隨著溫度的升高，析出揮發(fā)物，并在高溫下熱解，熱解后的氣體和炭，在氣化爐的氧化區(qū)與供入的氣化介質(zhì)（空氣、氧氣、水蒸氣等）發(fā)生氧化反應(yīng)并燃燒，燃燒放出的熱量用于維持干燥、熱解和還原反應(yīng)，最終生成了含有一定量 CO、 H CH CmHn的混合氣體，去除焦油等雜質(zhì)后即可燃用。 圖 1 氣化反應(yīng)過程原理 13 氣化過程包括三個階段：干燥、干餾、氧化和還原。 燃料的燃燒過程可以分作預(yù)熱、水分蒸發(fā) 、析出揮發(fā)物和焦炭燃燒等幾個階段。 氣化技術(shù)是目前生物質(zhì)能利用技術(shù)研究的熱門方向。其中前兩 種適用于木材或木屑的熱解；后一種適用于作物（如玉米、棉花等）秸稈的氣化。進(jìn)料系統(tǒng)包括生物質(zhì)進(jìn)料、空氣進(jìn)料、水蒸氣進(jìn)料及其控制系統(tǒng)。后處理系統(tǒng)主要是氣化氣進(jìn)一步轉(zhuǎn)化利用的裝置。它們各自含量如下表： 表 3 氣化氣的主要成分及其含量 秸稈氣化的參數(shù)主要有粉塵灰分、熱值、焦油含量、 H2 、 CH4的含量等。氣化爐的不同種類也 對它的產(chǎn)生量有重要影響。表 5說明了生物質(zhì)燃料種類不同，其氣化所產(chǎn)灰分的變化。它受很多因素影響，如秸稈種類、物料含水量、物料密度、氣化爐種類等都能影響氣化氣的熱 值。C時焦油產(chǎn)量是最高的。另外氣化爐的種類不同，同種物料參與氣化反應(yīng)所產(chǎn)生的焦油量也不相同， H2： H2是氣化氣中可燃成分之一，在氣化氣中的含量占 15%左右 ，它含量的多少直接影響到氣化氣熱值。 CH4： CH4在氣化氣中是含量最大的可燃?xì)饨M成成分，同 H2一樣，它也受到氣化爐種類，氣化原料，物料含水量的影響。 氣化爐各部位結(jié)構(gòu)尺寸將極大地影響氣化爐的熱效率、產(chǎn)氣效率及產(chǎn)氣質(zhì)量。 4 秸稈氣化 的設(shè)備 秸稈氣化集中供氣系統(tǒng) 燃 料 品 種 氣體低位熱值 kJ/m3 玉 米 秸 5405 棉 秸 5790 玉 米 芯 5351 麥 秸 3967 16 秸稈氣化集中供氣系統(tǒng)基本模式為：以自然村為單元，系統(tǒng)規(guī)模為數(shù)十戶至上千戶，系統(tǒng)由三部分組成：秸稈的氣化機組，燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)和用戶燃?xì)庀到y(tǒng)。氣化器、燃?xì)鈨艋骱惋L(fēng)機組成了秸稈氣化機組。離開氣柜的燃?xì)馔ㄟ^敷設(shè)在地下的塑料管網(wǎng)分配到系統(tǒng)中的每一用戶。系統(tǒng)中包括原料處理（鍘草機）、上料裝置、氣化機組、風(fēng)機、氣柜、安全裝置、管網(wǎng)和灶具等設(shè)備。經(jīng)過氣化，每公斤秸稈能產(chǎn)約2m3可燃?xì)?，一?4 口之家每天需燃?xì)饧s 5— 6立方 米，燃?xì)獬杀炯s 。 (2) 氣化爐 即氣化的反應(yīng)室，被粉碎的秸稈在這里進(jìn)行受控燃燒和還原反應(yīng)，發(fā)生爐產(chǎn)生的燃?xì)猓写罅康慕褂秃突曳?，?yīng)對其進(jìn)行凈化處理。凈化系統(tǒng)由三個環(huán)節(jié)組成：氣體降溫、水凈化處理、焦油分離。它是儲存氣體的設(shè)備，主要用于燃?xì)鈿庠串a(chǎn)量與供應(yīng)量之間的調(diào)節(jié)。貯氣柜容積是根據(jù)用戶每天的總用氣量來考慮，一般地，貯氣柜的容量應(yīng)占日供氣總量的 40%— 50%。以空氣和水蒸氣同時 鼓風(fēng)而得到的混合氣體應(yīng)用最廣，故一般所謂氣化爐煤氣即指混合煤氣而言。在大型固定式氣化爐中，蒸汽還靠預(yù)熱的空氣帶入；在小型氣化爐，為了使結(jié)構(gòu)簡單，水蒸氣的加入則是用滴水器來完成。 上吸式氣化爐工作過程及優(yōu)缺點 這種氣化爐有三種優(yōu)點 :一是熱解層和干燥劑用了還原 反應(yīng)后氣體的余熱，出口燃?xì)獾臏囟鹊停瑲饣癄t最下層是氧化層，這里有充足的空氣供燃?xì)馑?,底部的木炭可以得到充分燃燒，故氣化率較高；二是可燃?xì)庵泻瑹嶂递^高的熱解產(chǎn)物，因此燃?xì)鉄嶂递^高；三是爐排受進(jìn)風(fēng)的冷卻，工作性能比較可靠。 圖 3 系統(tǒng)工藝流程圖 18 下吸式氣化爐 下吸式氣化爐工作過程及 優(yōu)缺點 生物質(zhì)原料由爐頂加料口投入料爐內(nèi)，作為氣化劑的空氣也由進(jìn)料口進(jìn)入爐內(nèi)。煤氣從還原層排出。 其缺點是：由于爐內(nèi)的氣體流向是自上而下的，而熱流的方向 是自下而上的，致使引風(fēng)機從爐柵下抽出可燃?xì)庖馁M較大的功率，出爐的燃?xì)庵泻休^多的灰分，出爐的可燃?xì)獾臏囟容^高，須用水對其進(jìn)行冷卻。在設(shè)計、操作過程中，哪一個環(huán)節(jié)都可能對產(chǎn)氣質(zhì)量、燃?xì)獬煞之a(chǎn)生很大影響： （ 1）喉口結(jié)構(gòu)即喉口直徑大小、喉口深度、進(jìn)風(fēng)位置是影響產(chǎn)氣效果、燃?xì)饨褂秃康年P(guān)鍵。因此使空氣從喉口部位，即設(shè)計好的氧化層位置進(jìn)入，則可以較容易也控制氧化層、還原層反應(yīng)層次，從而保證氧化還原反應(yīng)在喉口部位進(jìn)行，也就從結(jié)構(gòu)上保證了可以連續(xù)穩(wěn)定地得到高質(zhì)量的可燃?xì)怏w。如進(jìn)風(fēng)量小，則造成缺氧燃燒，反應(yīng)溫 度低，氧化還原反應(yīng)均不充分。因此，要求所選羅茨風(fēng)機與氣化爐后續(xù)處理設(shè)備相匹配，合理分配它們各點的壓力降，并根據(jù)氣化爐運行的不同階段，通過回流調(diào)節(jié)閥靈 19 活調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量。顆粒過大，透氣性差，建立不起時顯的反應(yīng)層，不產(chǎn)生可燃?xì)怏w，過大，原料 易搭橋，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)量過大，產(chǎn)氣效果不好，物料密度大，燃燒時間長，穩(wěn)定燃?xì)獬煞趾谩嶂蹈?、粉塵少、焦油少。 （ 4）司爐工的操作方法和對設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的好壞對燃?xì)赓|(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。 圖 4 下吸式氣化爐 流化床氣化爐 流化床氣化爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)備投資較多。繼續(xù)提高氣流速度，全部微細(xì)顆粒被吹起而懸浮于氣流之中，但不被吹出。 流化床氣化爐有；單流化床、雙流化床、 循 20 環(huán)流化床、 攜帶流化床四種類型。下層爐體內(nèi)加水套，內(nèi)砌耐火材料。 在層式下吸式汽化爐內(nèi)，氧化反應(yīng)與熱分解反應(yīng)在同一區(qū)域內(nèi)同時進(jìn)行，這個區(qū)域是整個反應(yīng)過程的最高溫度區(qū)域，由于熱反應(yīng)是在比任何一種固定氣化爐都高的溫度下進(jìn)行，所以對操作者的要求較高，操作者要時刻注意爐況，保證爐內(nèi)不出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象，這樣產(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂?也才能相對較高。 21 圖 6 層式下吸式秸稈氣化爐外形 上層爐筒的材料選擇、加工工藝及各結(jié)構(gòu)的功用（圖見附件 1） 該零件的外殼均用球墨鑄鐵材料澆鑄，因為這種鑄鐵可鑄性佳且價格較低廉。 表 6 耐火泥理化指標(biāo) 耐火泥 功能特 點 種鍋爐 內(nèi) .爐 床 爐 內(nèi) 復(fù)雜 位置填平填充。C) 輕質(zhì) 耐火泥 LW10S 44 頂部 390mmX390mm 的方形孔是氣化爐的進(jìn)料口，是和進(jìn)料輸送管道相連接的 進(jìn)料口的加工： （ 1） 用長 450mm寬 60mm 厚 5mm 的球墨鑄鐵板根據(jù)圖上結(jié)構(gòu)首尾相連進(jìn)行焊接； （ 2）在其上鉆直徑為 11 的 12mm個均布的連接通孔； （ 3）用高為 70mm寬 410mm厚 5mm的四塊球墨鑄鐵板進(jìn)行相互垂直焊接以形成 筒。 上層爐筒的加工： 22 （ 1）用球墨鑄鐵在澆注模上直接澆注成高 750mm外徑 1350mm內(nèi)徑 1210mm的圓筒，同時要將底部寬 20mm高 10mm的連接邊連同爐筒一次澆注出來。 （ 3）將連接邊的連接表面進(jìn)行 銑 削加工，其表面精度為 ，以保證連接的緊密性；連接邊的頂面進(jìn)行 銑 削到表面精度為 以保證連接螺釘?shù)陌惭b。 （ 4）在連接外邊上鉆 16 個直徑為 11mm的均布連接通孔。 （ 6）將 4 根彎管分別兩兩對稱焊接于鑄鋼筒外表面，與底面相距 210mm。 （ 7）在爐筒內(nèi)部搪以 80mm厚的 可塑性耐火泥 。作用是將爐內(nèi)溫度降到 3