小型生物质气化炉 HEGF-2的设计及实验研究

2014年12月农机化研究第12期小型生物质气化炉HEGF-2的设计及实验研究田仲富，王述洋，李三平(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040)摘要:针对目前小型生物质气化炉结构存在的缺陷，设计了一种小型生物质气化炉,并以其为研究对象,自行搭建了实验台,进行了实验研究。实验中,通过改变气化剂空气流量,分析了气化剂空气流量对气化炉性能的影响,并通过改变燃气配风量得到了配风量对气化炉烟气排放的影响。实验结果表明, HEGF-2型生物质气化炉具有结构简单、成本低、运行稳定、换热充分、产气品质和热值高、节能环保等优点。关键词:生物质;气化炉;气化性能中图分类号: TK6文献标识码: A文章编号: 1003-188X(2014)12-0243-04型,但对配风系统做了相应的改进。其结构如图1所0引言示。随着农村经济的发展及环保意识的增强,农户生2活用能(主要仍依赖于各种作物的秸秆)的清洁高效是解决农村环保用能的关键。小型生物质气化炉可以把低热值的生物质变为高热值的可燃气,能够很好地满足广大农村农户生活清洁用能的需要[-31。本文针对目前国内的小型气化炉产气效率低、灰渣含量6高热值较低等缺点，对本实验中心的第1代小型生物质气化炉HEGF-1的结构进行了改进设计,极大地提高了产气质量和热值。1 HEGF- 2小型气化炉设计1.排气口2. 原料口3.内炉筒 4. 保温层5. 风道.1.1结构选型6.喷嘴7.配风口 8. 排渣口9. 进气口10. 外炉筒同大中型生物质气化装置相比,小型气化炉应具图1小型气化炉 HEGF-2结构图有结构简便、成本低廉、使用方便等特点，且适合在偏Fig. 1 Small Gasifier HEGF -2 Structure Diagram远且生物质资源丰富的农村地区使用。小型生物质1.2 设计计算气化炉常用的结构型式主要两种:固定床上吸式和固1.2.1 炉膛容积计算定床下吸式4。根据标准状态下单位质量生物质可产生的生物质小型生物质气化炉在农村是分户使用的,无需连气的气化效率可知,炉膛容积为s续添料,适于采用分时加料。这样也无需输送管道太长,产出的气体可以迅速被用掉,不用使用辅助装置Vur=。Gv = Vor°n QwLP(1)来脱除焦油。所以，本文仍采用HEFG-1的结构(即在本设计中，气化炉的气化效率预计为75% ,即η固定.上吸式)作为小型生物质气化炉的基本炉=75% ,冷气体热值Qor= 5040kJ/m' ,设计中的产气量可保证一家3 ~4口人的2天用气量,所以Vσr≥收稿日期: 2014-03-25基金项目:国家自然科学基金面上项目(51378096);黑龙江省自然科12. 46n中国煤化工主要生物质原料,QwL学基金项目(C201244);中央高校基本科研业务费专项资= 15547:YHC NMHG度ρ= 112.48kg/m。金项目(DLI2BB01)将相关参数带人式(1),可得炉膛容积为作者简介:田仲富(1978-),男,山东郓城人,讲师,博士研究生,(E-mail) Tz(7802@ 163. com。Vur = Vor● 中QwLρ≈0.048 m'●243.2014年12月.农机化研究第12期1.2.2 气化炉直径计算根据本设计气化炉的炉膛容积,取气化炉燃料消， 3530 .耗速率( FQR)为1. 68kg/h, 气化强度(GI)取值为e 2558kg/(m2. h) ,则气化炉的直径D计算公式为“D=l 4FQR/π. GI] 1/(2)代人相应数值,则D=0.192m。3.03.54.04.5 5.0 5.56.01.2.3 气化炉高度计算气化剂空气量/m2●h为了确保该气化炉能够稳定而持续地工作,并且图2气化剂空 气流量对气化炉热效率的影响使气化炉内各个反应区的高度都适中,在设计时把高Fig.2 Effect of air flow on the gasifying agent径比的取值定为2,则H=2D=0.384。gasification fumace heat eficency1.3气化 空气量的设计计算由图2可知:开始时气化炉的热效率随着空气流1.3. 1生物质原料完全燃烧所需的空气量量的增大而增大;当气化剂空气量取值为4m'/h时，本设计中不考虑氮、硫与氧的燃烧反应(硫和氮的气化炉的热效率达到最大值42% ;随后,其值随着空含量极低),而只考虑碳、氢与氧的燃烧反应”。生物气流量的增大而减小。整体来看，当气化剂空气量为质原料完全燃烧所需要的理论空气量计算公式为3.5 ~4.5m2/h时,热效率较高，为40%左右。这是因为随着气化剂空气量的增加,氧气供应充足,更多的V=。0.21(1. 866[C] +5.55[H] - 0.7[0]) (3)原料发生燃烧反应，气化转化率降低;当空气流量进-步增大时,会产生过氧燃烧, 反应温度高，燃气中可玉米秆的元素组成如表1所示。燃成分减少,燃气热值低,进而导致热效率降低。表1玉米秆元素组 成Table 1 The Corn rod Elements2)气化剂空气流量对气化炉内各反应区温度的影响。研究炉内气化反应效果的一个重要技术指标(0sAsh就是各燃料层的温度分布。为了得到较高质量的气47.55.441. 16.0. 080.575.29化可燃气,必须保证合适的燃料层厚度和反应温度，将表1中的相应数值代人式(3),则玉米秆完全燃其直接影响因素是气化剂空气流量。气化剂空气流烧所需要的理论空气量为V =4.276m/kg。量对气化炉内各反应区温度的影响如图3所示。1.3.2生物质原料气化所需的空气量800p生物质原料气化所需要的实际空气量可以由公式700 t(4)计算得出8。其中，当量比a的取值- - 般为0.25~0.3,在本设计中取值为0.3,即a=0.3。所以,生物具400300 t质原料气化所需的实际空气量为00 tVo =aV =1.283m*/kg(4)4.55.0 5.56.2实验内容及结果分析气化剂空气流量/m2●hr1图3气化剂空气流量对气化炉内各反应区温度的影响2.1实验内容Fig.3 Efect of Gasifying Agent Gasification Furnace Air Flow Rat on the本实验主要目的是对HEFC-2在不同工况下进行Temperature in the Reaction Zone热工性能和烟气排放实验。由图3可知,当气化剂空气量较小时，随着空气2.2 结果分析量的增加,各层温度也随之增加。当气化剂空气流量1)气化剂空气流量对气化炉热效率的影响。由为4.5m'/h时，各层的温度均达到了最大值，此后各相应文献和资料可知,气化剂空气流量对气化炉的性层温度中国煤化工炉内干燥层和热解层能影响非常大。通常情况下，气化当量比为0.35的温度Hc N M H G右,而还原层和氧化层~0.42,气化效果最佳。因此,在本实验中通过调节温度较高a波切牧天;后，还原层温度稳步上升至气化剂空气流量,进而控制气化炉的热效率。气化剂590C左右，保持稳定,裂解层和干燥层温度有微小的空气流量对气化炉热效率的影响如图2所示。上扬,但整个过程趋于平稳。●244.2014年12月农机化研究第12期3)料层高度对气化炉性能的影响。在本实验中，量低,且此时NOx含量适中,排放效果较好。选取不同高度的物料层进行实验,以气化效率和废气1 600出口温度等参数为指标,研究料层高度与气化炉性能1 550的关系。料层高度对气化炉性能的影响如图4所示。g 1500画1450140080 t1 35070 t11 3001 25050 t1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.830 t空气过量系数20 t180p160-10 20304050607080901002140-料层高度/cm120善10050 r二806000 4属40300 t20000图5燃气配风量对气化炉烟气的影响Fig.5 Influence of gas air distribution on the gasification furnace flue gas3结论图4玉米秆料层 高度对气化炉气化性能的影响Fig. 4 Infuence of Gasifier Efficiency th1)随着气化剂空气量的增加，气化炉满炉运行Material Layer Height of Corm Stalk时,气化速度提高,燃料消耗量和热功率增大。但是,由图4可知:当料层高度在10 ~20cm之间时,炉- -般小功率运行时, 气化炉产气均匀、稳定、持续时间内的生物质原料绝大部分发生了氧化反应,炉内未能长,适合连续供热方式;当大功率工作时,需要较大燃很好地形成热解层、还原层和氧化层,所以出口的燃料消耗,产气不稳定,持续运行时间短,适合于间歇式气温度很高，但质量很差、气化效率极低、出口废气杂供热。质含量较高;随着物料层高度的增加，气化燃气的可2).玉米秆在气化炉内气化时,当气化剂空气量取燃成分增多,质量有所提高,出口废气的温度却逐渐值为3.5~4.5m'/h时,各燃料层温度维持在较高的降低;当物料层高度在70 ~ 80cm 时,气化炉运行在范围内,气化强度、速度较好,产气量均匀稳定、热效满炉的状态下，燃气质量最佳,气化效率达到75%左率较高,能够满足农村地区-.般家庭的日常生活的热右,废气出口温度维持在65C左右。能需求。4)燃气配风对气化炉烟气的影响。为了较好地3)气化炉运行时,燃气配风量为3.5 ~4.5m'/h,研究HEGF-2气化炉的节能环保特性,对燃烧换热后且空气过量系数维持在1.3~1.4,气化炉运行稳定,的尾部烟气进行了测量,分析其烟气主要成分,并与热功率较高;但在其它的配风量下，气化炉的气化性标准燃烧设备尾气排放标准进行对比，看其是否满足能下降较多,甚至不尽人意。所以，可适当调节空气、节能环保保要求。通过实验发现,燃气配风对气化炉燃气供给量,从而提高气化炉的气化性能。烟气的影响较大,如图5所示。4)中国煤花工1.3-1.4范围内时，由如图5可知，随着空气过量系数的增加,污染气化室中可燃成分和污染性H;C NMH G'物含量呈现出先减小后增大的趋势;当空气过量系数气体含重均牧低，定HEGr -2运行的最佳工况。过小或过大时,均会对气化炉烟气的产生较大影响。参考文献:所以,当空气过量系数为1.3~1.4时,烟气中CO含.[1]李斌,陈汉平,杨海平,等.户用型上吸式生物质气化炉的.245.2014年12月农机化研究第12期发展与改进[J].农业工程学报,2011 ,27(S1):205-209.-水蒸气气化试验研究[J].太阳能学报, 2010, 31(2):[2]李鹏,吴杰,王维新.户用型上吸式生物质气化炉的改进237-241.设计[J].农机化研究,2008(5) :76- -78.6 )] S. . Jarungthammachote, A. Dutta. Equilibrium modeling of3] 朱华炳,胡孔元,陈天虎,等.内燃加热式生物质气化炉设gasification: Gibbs free energy minization approach and its计[J].农业机械学报,2009 ,40(2) :96-101.application to spouted bed and spout -fluid gasifiers[J]. En-[4] Jin- Won Kim, Tae-Young Mun, Jin-O Kim, et al. Air gas-ergy Conversion and Management , 2008 , 49:1345-1356.ifcation of mixed plastic wastes using a two -stage gasifier for[7]吕鹏梅,吴创之,袁振宏,等.生物质流化床- -水蒸气气化the production of producer gas with low tar and a high caloric模型研究[J].化学工程,2007 ,35(10): 23-26.value[J]. Fuel ,2011 ,90: 2262-2272.[8]王方,周 义德影响生物质气化指标的主要因素分析[J].5] 刘石明，郭献军,胡智泉,等.生物质微米燃料( BMF)空气河南科学,2004, 22(1) :100-102.Design and Experimental Study of the Small Biomass GasificationFurnace HEGF-2Tian Zhongfu，W ang Shuyang, Li Sanping( School of Mechanical & Electrical Engineering ，Northeast Forestry University ，Harbin 150040, China )Abstract: The paper in the light of the defects of problems existing in the present structure of small biomass gasificationfurnace, design a small biomass gasification furnace ，and takes it as the research object，built up the experimental plat -form, the experimental research. The experiment by changing thegasification agent air flow，analyses the influence of gas-ifcation agent air flow on the performance of gasifier ，and by changing the gas air distribution experiment ，the influenceof air distribution on flue gas furnace gasifier . The experimental results show that ，HEGF -2 typebiomass gasification fur-nace has the advantages of simple structure，low cost, stable operation , sufficient heat exchange ，the advantages of gasproduction quality and high calorific value andenergy saving and environmental protection .Key words: biomass ; gasification furnace ; gasification performance中国煤化工MHCNMHG●246●