关于下吸式生物质气化炉的设计研究

关于下吸式生物质气化炉的设计研究

冯彪

关键词：下吸式；生物质；气化炉；结构设计

一、下吸式生物质气化炉的机械原理：

下吸式生物质气化炉的整体结构较为简单，由上到下具体由干燥区、热解区、氧化区和还原区四个部分组成，而在干燥区和热解区之间有一块较长的导热翅片用于对整个下吸式生物质气化炉进行热量传导[1]。具体操作流程为空气自气化炉外部进入中部的氧化区（氧化区温度大约为900~1200摄氏度），由于氧化区的温度要高于它上方的热解区（热解区温度约为300~700摄氏度），所以氧化区内空气顺流而上进入热解区进行混合燃烧，也就是在这个过程中，气化炉内的生物质中所含的裂解气焦油和水分经过挥发效果后被分离出来；一部分气体进入电解区上部的干燥区，在干燥区内进行融合、分离、氧化等反应，然后自干燥区下沉。在气体中残余的焦油、CO2和H2气体进行沉淀和裂解反应后进入到底部的还原区中（还原区温度约为700~900摄氏度），该区域将来自干燥区和热解区的残留物进行重新组合分解，从而大大减少了气体中的焦油量，最后产出气体。

二、下吸式生物质气化炉的特点：

下吸式生物质气化炉的设计非常复杂，正是因为其复杂的工作原理和设计方案所影响的。笔者根据对下吸式生物质气化炉的研究总结出下吸式生物质气化炉的以下五个较为突出的特点：

（一）下吸式生物质气化炉料斗处有一块尺寸较小的装置，该装置被称为气化炉的“咽喉要处”，而正是这个“咽喉要处”决定了整个气化炉所产出气体的能力和气体的质量。

（二）“咽喉”部位布置了两种相反的喷嘴布置形式，第一种是将气体由喉部外侧向中心喷射的外喷布置方式；第二种是气体由中心通过供气管向外喷射的内喷布置方式，两种布置方式都是为了保障物料斗中的物料与外部空气进行混合而布置的，但大部分气化炉仍是使用外喷的形式[2]。

（三）导热翅片被焊接在料斗的外壁，用以增大导热的面积，在很大程度上减少了产出气体温度的过热的现象，提高了下吸式生物质气化炉的导热效率。

（四）下吸式生物质气化炉的温度一般控制的比较稳定，大致在800~1200摄氏度之间。如果出现气化炉内反应强烈温度急速升高时，炉内便会进行吸热还原反应，温度升的越高，气化炉内的吸热反应也就越强，而温度较低的时候，吸热反应也就相对迟缓。这种特殊的化学原理也保障了下吸式生物质气化炉所产出的气体成分和质量稳定。

（五）“咽喉”部在下吸式生物质气化炉中的气化能力偏低，往往要低于其他结构、规格、形式差不多的气化炉，这也是下吸式生物质气化炉的独特之处，尤其是相较于上吸式生物质气化炉，下吸式生物质气化炉“咽喉”部位的气化能力比之上吸式生物质气化炉的“喉部”装置气化能力相差最大。

三、下吸式生物质气化炉的设计要点：

下吸式生物质气化炉因为独特的机械构造和工作原理被广泛应用于各种工业生产之中，但是在下吸式生物质气化炉的设计方案中，设计者们常常要进行复杂的推算和构思才能完成一张完善的下吸式生物质气化炉设计方案图[3]。下面，笔者将针对下吸式生物质气化炉的设计要点进行简要分析。

（一）下吸式生物质气化炉设计的要求

下吸式生物质气化炉对生物质物料的物理特征要求极高，下吸式生物质气化炉设计的设计者应在设计之初详细了解生物质物料的物理特征，其物料的具体特征大体体现在物料的热值、水分含量、粒度、堆密度、挥发分含量、灰分含量这六个大方面。

（1）下吸式生物质气化炉的首要工作目的便是通过将物料加热分解从而使物料发生生物质气化进而获得相应气体。所以，物料的热值便是必不可少的影响因素，物料在燃烧之后会释放出的热量即该物料所产生的热值。

（2）物料在下吸式生物质气化炉中需要进行蒸发转化作用，这一过程中需要增发出大量的水分以完成整个工作过程中的产气反应即还原过程。所以，要想得到优质的产出气，就要求物料的水分含量在15％以内。

（3）在下吸式生物质气化炉设计过程中，物料的粒度也是需要考虑的物料物理特征之一。物料的粒度即物料的尺寸，不同尺寸的物料在气化炉内进行的气化反应也就不同，尺寸较大的物料不易均匀下落，所以反应也就不够均匀，推荐物料粒度在80mm×80mm×80mm与40mm×40mm×40mm之间。

（4）物料的大小（即物料的堆密度）直接影响了物料在吸式生物质气化炉内的下落时间和驻留时间，同时也会对气化炉内的几何尺寸有影响。

（5）根据研究数据表明，生物质物料的挥发分含量也是吸式生物质气化炉设计中所要考虑的重要因素之一。因为吸式生物质气化炉内的“喉部”装置影响，物料的挥发分含量在63％~80％的情况下最能得到洁净的产出气。

（6）物料在进行挥发和氧化作用后会在炉内残留大量的灰分，这些灰分在一定程度上影响了气化炉的正常运行，所以设计师在设计时应注意物料的灰分含量，建议在5％之内为最佳[4]。

（二）理论计算及主要结构尺寸的确定

设计师在进行吸式生物质气化炉时应注意到对理论计算及主要结构尺寸的确定，尤其是对吸式生物质气化炉中“喉部”装置的尺寸设定。针对“喉部”装置的尺寸设计推算公式大体为：

喉部的面积＝每小时生物物质耗量（m2）&pide;气体强度（m2）。

结论：下吸式生物质气化炉在当下的许多工业生产中被广为应用，而下吸式生物质气化炉也因此得到了快速的发展相较于最初的气化炉已经有了很大的区别。而下吸式生物质气化炉作为一个工业生产工具在其设计方面一直含有很多的科技原理在其中。笔者在本文中针对下吸式生物质气化炉的设计原理进行研究和分析，从下吸式生物质气化炉的工作原理、工作特点以及其整体构造等方面对下吸式生物质气化炉的设计要点进行简要的介绍。

参考文献：

[1]秸秆成型燃料锅炉燃烧机设计及试验研究[J].孙康,陈超,许玉,刘勇,朱光真,应浩.林产化学与工业.2014(06)

[2]下吸式生物质固定床气化炉研究进展[J].马中青,张齐生,周建斌,章一蒙.南京林业大学学报(自然科学版).2013(05)

[3]主动配气式生物质气化炉流场模拟与试验"[J].郭飞强,董玉平,景元琢,董磊,王慧,杜红光.农业机械学报.2012(03)

[4]射流速度对多喷嘴干粉气化炉内反应流动的影响[J].胡振中,毕大鹏,刘淑媛,黄成龙,彭敏,玄伟伟.化肥设计.2017(01)