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(guó)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(dòng)控制的料斗供料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guó)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(jìn)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(chǔ)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(diǎn)，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(wèn)題。自動(dòng)控制的料斗供料方式保證了氣化爐運(yùn)行的可靠性與安全性，擴(kuò)展了生物質(zhì)木料的適用范圍。實(shí)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(wèn)題，達(dá)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(lái)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(jī)理、過(guò)程、影響因素等方面的理論研究取得了大量成果，對(duì)氣化爐本體結(jié)構(gòu)與性能的研究也取得了重大進(jìn)步并積累了豐富經(jīng)驗(yàn)[1]。但是目前國(guó)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?dú)夂枯^高、熱值與氣化效率較低、自身熱損失較大等問(wèn)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(guò)去的研究結(jié)果證明，通過(guò)對(duì)常規(guī)固定床上吸式氣化爐改進(jìn)，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(guò)低溫?zé)岱纸鈪^(qū)立即進(jìn)入高溫?zé)岱纸鈪^(qū)[3]?；诖搜芯拷Y(jié)果研發(fā)的實(shí)用型中部出氣氣化爐，可有效解決產(chǎn)出可燃?xì)庵薪褂蛦?wèn)題，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用保證了氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)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(qiáng)度高、除灰份以外無(wú)其它固體可燃剩余物等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在產(chǎn)出氣體中焦油含量相對(duì)較多、氣體質(zhì)量相對(duì)較差的缺點(diǎn)。而下吸式氣化爐是氣固順流式氣化爐，原料與空氣同時(shí)從氣化爐頂部加入，產(chǎn)出氣與灰從下部排除，氣化過(guò)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(duì)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(cuò)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(diǎn)，使干燥層所排出的水分隨氣體下行時(shí)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(gè)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(chǔ)料室。原料從料斗落到爐本體中會(huì)因下料裙的原因形成一個(gè)自然環(huán)狀死角空間，這個(gè)空間就成了一個(gè)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(jì)不僅大大減少了輸出燃?xì)庵械娘w灰，同時(shí)出氣口設(shè)在干燥層的下部，燃?xì)廨敵鰶](méi)有經(jīng)過(guò)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(yùn)行可靠性問(wèn)題。此外，當(dāng)儲(chǔ)料室充滿(mǎn)原料時(shí)，壓力差的原因使氣體通過(guò)料層的阻力大于從出氣口導(dǎo)出的阻力，避免了煙氣通過(guò)進(jìn)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)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)岱纸猓瑴p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(dòng)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(diǎn)，出氣口位置即錐形下料裙位置是氣化爐設(shè)計(jì)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(yùn)行中當(dāng)其它條件如生產(chǎn)量、空氣比等已經(jīng)確定時(shí)，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(guò)控制反應(yīng)層高度來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。通過(guò)料層溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)確定出氣口位置距離爐柵1.5 m附近為最佳，此時(shí)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(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)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(duì)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(jìn)方式供料[4]。但對(duì)固定床上吸式氣化爐來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)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(wú)法采用螺旋推進(jìn)方式供料時(shí)，料斗間歇供料是較佳選擇。料斗方式供料時(shí)，必須對(duì)爐內(nèi)料位高度檢測(cè)、爐頂落料口處的密封、料斗運(yùn)行控制等整個(gè)供料系統(tǒng)進(jìn)行完善設(shè)計(jì)及控制，否則氣化爐運(yùn)行的可靠性無(wú)法保證，進(jìn)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(jìn)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(dòng)支架、氣化爐落料口的水隔密封閘閥、料位檢測(cè)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)軌跡如圖中虛線(xiàn)所指。此時(shí)料斗下部與氣化爐落料中間倉(cāng)入口吻合。位于落料中間倉(cāng)中的水隔密封閘閥在汽缸驅(qū)動(dòng)下沿水平方向滑動(dòng)打開(kāi)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(guò)程中，料斗代替密封推拉閘門(mén)，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(dòng)蓋板，打開(kāi)時(shí)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(dòng)而打開(kāi)、閉合的鋼板門(mén)，提拉鋼纜受力上拉時(shí)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(kāi)，木料自然下落到氣化爐內(nèi)。

3 料層高度檢測(cè)

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?tīng)t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(cè)在此均無(wú)法應(yīng)用，因此尋找一種簡(jiǎn)單、可靠的料位高度檢測(cè)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(jì)的料位檢測(cè)裝置的側(cè)視圖，圖4為其俯視圖。料位檢測(cè)裝置包括：一個(gè)貫穿氣化爐內(nèi)外的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的下部設(shè)置有一根“L”型擺桿，由汽缸驅(qū)動(dòng)擺桿往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，接近開(kāi)關(guān)傳感器檢測(cè)擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。安裝時(shí)，使擺桿位于氣化爐內(nèi)的預(yù)定高度處，平時(shí)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(dòng)擺桿轉(zhuǎn)向氣化爐另一側(cè)的終極位置，如果此時(shí)氣化爐的料位高于擺桿所在高度，則擺桿無(wú)法擺動(dòng)到終極位置，如果料位低于擺桿所在高度，則擺桿會(huì)順利轉(zhuǎn)向終極位置。PLC每隔一定時(shí)間控制驅(qū)動(dòng)汽缸擺動(dòng)一次擺桿，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)料位。

圖4 料層高度檢測(cè)結(jié)構(gòu)

料位檢測(cè)裝置的可靠運(yùn)行不僅是實(shí)現(xiàn)加料自動(dòng)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(mén)，落料時(shí)頂蓋門(mén)打開(kāi)才能添進(jìn)生物質(zhì)料，填料完畢再蓋合頂蓋，這一過(guò)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(jìn)入爐內(nèi)輕則影響生物質(zhì)氣化進(jìn)程與效果，嚴(yán)重時(shí)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?chē)h(huán)境的潔凈，對(duì)周邊產(chǎn)生污染。

圖5為設(shè)計(jì)的落料入口密封結(jié)構(gòu)，氣化爐頂蓋門(mén)為一置于水平導(dǎo)軌上并由汽缸驅(qū)動(dòng)的推拉門(mén)，其兩側(cè)設(shè)有垂直折邊置于水槽中，在推拉門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)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(jìn)入氣化爐內(nèi)。落料時(shí)，料斗下部與氣化爐落料入口接觸吻合，推拉門(mén)被橫向打開(kāi)，料斗下底板在提拉鋼纜失去提拉作用力時(shí)依靠重力自然打開(kāi)，木料落于氣化爐體內(nèi)。推拉門(mén)打開(kāi)時(shí)的密封由料斗箱體替代頂蓋完成，落料完成后推拉門(mén)重新閉合，此時(shí)落料中間倉(cāng)內(nèi)會(huì)存有少量外溢煙氣，由風(fēng)機(jī)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(dòng)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(shí)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(guò)程分為料位檢測(cè)控制程序、料斗運(yùn)行控制程序、密封推拉門(mén)控制、中間倉(cāng)溢漏排空控制?？刂葡到y(tǒng)以觸摸屏為人機(jī)操作界面，除自動(dòng)控制外尚設(shè)計(jì)有手動(dòng)操作控制。一個(gè)完整的供料過(guò)程控制順序如圖7所示。

圖6 PLC控制原理框圖

圖7 供料過(guò)程控制流程圖

6 在蒸汽鍋爐中的應(yīng)用及運(yùn)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(wèn)題，淘汰了企業(yè)的燃煤、油小鍋爐。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，鍋爐尾氣排放數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 氣化爐運(yùn)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(shí)段二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

常規(guī)上吸式氣化爐在實(shí)際應(yīng)用時(shí)面臨三個(gè)需要解決的問(wèn)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?shí)際熱值；三是解決加料操作時(shí)的煙氣外溢。中部出氣氣化爐有效解決了這幾個(gè)問(wèn)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(duì)設(shè)備可靠性的影響與二次污染問(wèn)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)岱纸猓彩翘岣邭饣俾逝c氣體質(zhì)量的重要因素，而選擇在氣化爐中部出氣，有效實(shí)現(xiàn)了氣化反應(yīng)在高溫下進(jìn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均顯著低于《大氣污染物排放限值》(DB44/27-2001)第1時(shí)段二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)，無(wú)需對(duì)鍋爐尾氣治理即可直接排放。氣化強(qiáng)度在300～450 kg/(m2·h)之間都可得到穩(wěn)定的操作與運(yùn)行，運(yùn)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(jí)酒店的實(shí)際應(yīng)用證明經(jīng)濟(jì)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?，只?～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(chǎng)價(jià)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(yǔ)

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(dòng)化程度高，運(yùn)行可靠穩(wěn)定。生物質(zhì)料主要來(lái)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(wú)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(jì)及社會(huì)效益。應(yīng)用結(jié)果說(shuō)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(jì)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(wèn)題，達(dá)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(jí)工程師，中國(guó)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(jì)研發(fā)、及工業(yè)自動(dòng)化工程應(yīng)用工作。

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

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.007

TK6；TP273+.2

A

1009-3230(2015)01-0023-06