生物质气化系统中气化炉设计及进料装置改进

2013年6月农机化研究第6期生物质气化系统中气化炉设计及进料装置改进郭培红,朱莉,梅艳阳(河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454003)摘要:新型生物质气化系统—双干馏管内燃加热式气化炉气化系统主要由液压进料系统、双干馏管内燃加热式气化炉、气体收集和浄化系统组成,采用生物质-垃圾混合物作为气化的原料。双干馏管内燃加热式气化炉作为该系统中的主要设备,其两根干馏管的外侧被通入高温烟气的螺旋管道缠绕,使高温烟气与干馏管的接触时间延长,热交换更充分。此外,针对系统中液压进料裝置存在的问题提出了3种改进措施,将料仓和进料活塞做了相应的结构改进,有效地解决了进料装置中不同部位的进料不畅和物料堆积问题。关键词:气化炉;生物质;垃圾;进料装置中图分类号:TK64文献标识码:A文章编号:1003-188X(2013)06-0222-040引言统—双干馏管内燃加热式气化炉气化系统,提高了气化炉的热利用率,并为改善环境开辟了一条新途径在众多可再生能源中,生物质能最具有发展前景。由于生物质能的能源品值较低,直接使用越来越1气化炉的设计不能满足人们对高质量现代生活的需求,因此研究各本文所介绍的生物质-垃圾气化系统主要由液压种新技术将生物质转化成高品位的洁浄能源,是大规进料系统、双干馏管内燃加热式气化炉、气体收集和模利用生物质能的必然趋势。其中,生物质气化技术净化系统组成。其中,双干馏管内燃加热式气化炉是越来越受到重视该气化系统中的主要设备。生物质气化的能量转换效率高,设备简单,投资1.1双干馏管内燃加热式气化炉少,易操作,气化产生的燃气可广泛用于炊事、采暖和近年来,我国生物质气化炉的设计和使用有了显作物烘干,还可以用作内燃机或热气机等动力装置的著的发展。笔者归纳总结了气化炉设计工艺的优缺燃料,输出电力或动力2。目前,生物质气化炉的原点及其特性”,设计了一款新的气化炉一双干馏管式料大多来自秸秆类农业废弃物。这些原料虽然来源气化炉。该种气化炉的气化过程采用空气一水蒸汽广泛,但是分布比较分散,能量密度低,并且存在明显气化的形式,主要用来克服空气气化产物热值低(只的区域性和季节性,因此收集、运输及贮存成为此类有4000-6000/m3)的缺点,减少了空气的供给原料的重要问题3。量,并且加入了水蒸汽,使得更多的氢气和碳氢化合随着城市规模的扩大和城市化进程的加速,城镇物生成,提髙了燃气的热值。此外,空气与生物质的垃圾的产生量和堆积量逐年增加。据统计,我国城市氧化反应可为其他反应提供所需要的热量,不需要其生活垃圾的年增长率达8%~10%,未经处理的垃圾他外部热源。气化炉结构如图1所示。将会危害人类的身体健康,占用空间,导致严重的环由图1可知,在燃烧室内,采用专用的燃烧器燃境问题。针对以上情况,将生物质-垃圾混合后作烧储气罐中的可燃气,产生的高温烟气经过螺旋烟气为气化的原料,设计了新型的生物质气化系管道排空,尾气用于干燥物料。高温烟气加热一段时间后,进料装置开始运行,将物料送进干馏管中,并且收稿日期:2012-05-25基金项目:流体机械及工程省级重点学科项目(507907);热能与动力反复连续供料,物料被逐步向前推进,依次经过干燥工程河南省特色专业项目(508057);热能工程校级重点学区、干中国煤化工在干燥区,物料被烘科(509927)干,使其作者简介:郭培红(195),女河南新乡人,教授,硕士,(E-一mi)化裂解CNMHG馏区,大部分物料气氧化区时,从空气供给壁通入了guopeihong(@126.com.通讯作者:朱莉(1988-),女,郑州人,硕士研究生,(E-mail)定量的空气,部分物料燃烧,为焦油的催化裂解和还576549694@qg.com原区的反应提供热量;水煤气反应所需要的水通过水2013年6月农机化研究第6期蒸汽供给壁通入,物料中的部分碳在还原区与水蒸气者针对这些问题做了相应的改进。反应生成氢气和一氧化碳等;这些产生的可燃气体和2.1进料装置的组成固体残余物在气碳分离室被分离,固体残余物从干馏若使生物质气化系统正常运行,必须保证其进料管中落下,被收集处理,而气体经过燃气流通管道(由设备能够顺利、稳定和均匀地工作。该系统中的液压双干馏管和上下两个燃气管道封板围成)排出并收进料装置包括液压泵站、液压缸、料活塞、机身以及与集。气化所得的气体经燃气流通管道排出的同时,一机身相连的落料仓。机身用以固定液压缸、料活塞和方面可以对干馏管内的物料起到加热作用,另一方面落料仓。液压缸推动料活塞来回运动,当活塞缩回对气体起到冷却作用。时,物料落下填充料活塞的空间;然后,物料由料活塞推动前进,进入干馏管,前进距离为液压缸行程;料活塞后退,物料落下,完成一个进料过程,如此往复22进料装置存在的问题在实际的实验或者生产中,由于生物质物料具有密度小、易压缩和粘附性强等特点,在进料器中物料干燥区干馏区1氧化区|还原区很容易被架空或者挤实,出现堵塞进料器的问题20~200℃200~700℃700~950℃2.2.1垂直方向物料不下落干馏管2.燃气流通管道3.螺旋烟气管道4.空气供给壁垂直方向的落料不顺畅问题主要发生在料仓上。5.燃烧室6.水蒸汽供给壁7.燃气管道封板8.气碳分离室料仓上的堵塞主要有料仓内架空悬料和仓壁挂料两图1双干馏管内燃加热式气化炉的示意图种形式,如图2和图3所示。Fig. I Schematic of dual dry distillation tube combustion heated gasifier1.2干馏管长度的确定气化炉中,物料的反应完全在干馏管中进行,干馏管尺寸的确定是双干馏管内燃加热式气化炉设计的关键从传热学角度分析,馏管外壁与高温烟气对流换热,内壁与物料接触放热,高温烟气从右端流入(见机身图1所示),低温物料从左端进料,其实这个过程是一个非稳态的对流换热加导热的过程从进料角度分析,根据质量平衡,得到干馏管的图2料仓内架空悬料长度的计算公式为Fig 2 Suspended materials in the warehouse wall3600=P×Lm×A2式中m一每小时进料量(kg/h);t0—每次进料时间(s);p一所用物料的密度(kg/m3)L一千馏管长度(m);A—干馏管截面积(m);式中,等号右边的1/2是经验值。另外,可以通过图3仓壁挂料调节两次进料时间改变管长,但是要留有一定余地2进料装置图2的这种情况与煤仓的架拱现象类似,物料整体下落中国煤化工由于物料附着在仓壁该气化系统中除了主要气化设备双干馏管内燃不下CNMHG加,物料会越来越多加热式气化炉外,进料装置也是该气化系统中的重要使中间下料的空间变小,导致物料下落不畅。组成设备。进料的连续性对气化过程的影响是至关2.2.2水平方向进料不前进重要的。在设计进料装置的过程中遇到一些问题,笔在水平方向上,液压缸带动料活塞推动物料进入2013年6月农机化研究第6期干馏管,此过程中物料受到管壁的摩擦阻力。由于生时,摇动外部的摇把,能立刻达到破拱效果,改善落料物质物料具有可压缩性,所以物料在管中被压缩,造情况。成堵塞。堵塞后,液压缸负载增大,造成泵站过载,影响泵站的使用寿命以及工作人员的安全;并且物料不料仓前进也会影响后面的气化过程,使干馏管处于干烧的情形,影响气化设备的使用寿命2.3进料问题的解决方法破坏杆针对上述气化炉给料过程中的进料装置存在的问题,研究得出以下几种解决方法,并通过实际操作证明了其可行性,有效地改善了进料问题。摇把2.3.1改进料仓的形式物料之所以结拱搭棚,是因为物料间摩擦力、物料与管壁间的摩擦力、管壁对物料的支持力与物料的重力之间达到了力平衡,所以从打破这个力平衡来考图6破拱装置虑,将原料仓(如图4所示)改用具有偏心距的料仓Fig 6 Arch breaker device(如图5所示),偏心距离为S。这种出口偏心设置的2.3.3改进进料活塞料仓,减少了一侧产生的支持力,起到了破拱效果。物料在干馏管中向前运动受到料活塞的推力P以及管壁对其的摩擦阻力F,其关系为Fn=S·P=h·Pk=tg(45°-q/2)式中φ-物料的内摩擦角k—侧压力系数μ—物料与管壁的摩擦系数;P—管壁单位面积上的竖向压力标准值P、—相应计算截面处的横向推力标准值(kNm图4改进前的料仓随着物料的前进,摩擦阻力逐渐增大,而液压系Fig 4 Improvement of the hopper before统中,压力取决于负载,所以阻力F越大,推力P越大。从上式可以看岀,推力的增加又造成了摩擦力的增大,最终导致物料的堵塞。要想解决这个冋题,就应该打断或者延缓这种恶性循环。为此,在原活塞(如图7所示)基础上,对进料活塞的结构进行改进,在进料活塞前端加入一个翅片,如图8所示。图7改进前的活塞图5改进后的料仓Fig 7 Improvement of the piston beforeFig. 5 The improved hopper在料仓上增加破拱装置在落料实验中,发现结拱搭棚现象主要存在于料Ha中国煤化工CNMHG仓变径末端,所以可以在此处加装破拱装置,如图6图8改进后的活塞所示。此装置是手动的,当发现出料缓慢或者不出料Fig8 The2242013年6月农机化研究第6期对活塞进行改进后,物料在干馏管中的堵塞问题3)通过实际操作发现,给料存在水平方向上给料得到解决,在管中能被顺利送出3m的距离,满足了气不前和竖直方向上落料不下的问题,水平方向上的给化过程的给料要求。料不前又加剧了竖直方向上的落料不下问题。针对这些问题,对给料系统进行了改进,使进料情况有了3结论很大改善。本文介绍了生物质气化系统的组成,重点对气化参考文献:炉和进料系统进行了介绍。详细阐述了新型气化炉一双干馏管内燃加热式气化炉的结构,并针对系统1王建楠.制志超,彭宝良,等,我国生物质气化技术概况与的进料装置存在的问题,提出了3方面的改进措施发展[J].农机化研究,2010,32(1):198-201有效地改进了竖直方向和水平方向的进料不畅问题2]寇伟,宋哲.生物质气化技术应用浅谈[J].林业科技情报,2010(3):92-931)双干馏管内燃加热式气化炉的气化工作原理(31姚志彪,李云全应用生物质气化技术实现农业废弃物资是结合下吸式固定床气化炉、干馏气化、空气气化、水源化[J.能源研究与利用,2005(3):35-37蒸气气化和焦油的催化裂解的特点设计的。气化炉[4]吴靖,刘洪鹏,兰婧城市生活垃圾资源化处理方法综述外螺旋管的换热装置的设计,使高温烟气从螺旋管经[J].中国科技信息,2011(5):27-28过,增加了高温烟气与干馏管的换热时间,提高燃气[5]刘作龙,孙培勤,孙绍晖,等.生物质气化技术和气化炉研利用率。究进展[J.河南化工,2011(1):21-242)该气化系统的液压给料结构的设计,延长了物6 Lv Pengfei, hang Jie, Xiong Zhuhong. An experimental re料在炉内的停留时间,使物料在干馏管内能够充分反earch on biomass air-steam gasification in a fluidized bed应,增强了气化效率。[J]. Bioresource Technology, 2004, 95(1): 95-101Design of Gasifier and Improvement of Feeder Unit inBiomass Gasification SystemGuo Peihong, Zhu Li, Mei YanyangSchool of Mechanical and power engineering, Henan Polytechnic Universlty Jiaozuo 454003, ChinaAbstract: A new type of biomass gasification system --dual dry distillation tube combustion heated gasifier system wasdesigned in this paper, which mainly consists of a hydraulic feed system, dual dry distillation tube combustion heatedgasifier, gas collection and purification system, taking biomass- garbage mixture as the raw material for gasificationDual dry distillation tube combustion heating gasifier as the major equipment in the system, the outside of its two drydistillation tube was winded by the spiral pipe accessed with high -temperature flue gas, to prolong the contact time of thehigh-temperature flue gas and the dry distillation tube and to make heat exchange more fully. Against to the problems ofhydraulic feed device in the system, three improvements were proposed in this paper and the structures of silos and feedpiston were correspondingly improved. Problems of poor feed and material accumulation with different position in the feeddevice were effectively solvedKey words: gasifier; biomass; garbage; feeder unitH中国煤化工CNMHG