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气化炉工作机理及装备现状
发布时间:2022年06月19日


气化炉是生物质热解气化的主要工作设备,原料在气化炉内与气化剂发生不完全燃烧反应,过程大体可以分为裂解反应、氧化反应和还原反应,主要反应过程如式 (1) ~(6)所示[10-12] 。

反应(1)和(2)为氧化反应,发生在氧化层,反应过程中释放出大量的热能,是整个气化反应过程的热量来源。 反应(3)至(6)为还原反应,且主要为吸热反应,是 CO 和 H形成的主要阶段,其中 C 和水蒸气是主要的反应物,也是影响生物质燃气质量的关键因素。

借助于氧化反应产生的热能,气化炉的热分解层的温度保持在 400 ~600 ℃,大分子链生物质原料断裂,是生物质焦油产生的阶段。 下吸式固定床气化炉生成的焦油将通过氧化层和还原层,借助于两层的高温,实现焦油的燃烧和热解,可以转化为气体小分子,主要发生的裂解反应为式(7)和式(8),其中式(7)发生在氧化层,为焦油的燃烧反应;式(8)发生在还原层,主要反应对象为水蒸气。

由此可以看出,气化炉反应过程中,氧气的供给可以对反应温度进行调控,从而控制反应过程及其生成物;水蒸气作为还原反应和焦油裂解重整反应的主要参与物,对于提高燃气质量、降低焦油含量具有重要的意义。 此外反应时间、催化剂等也是控制气化反应过程的主要参数。

国内应用的生物质气化炉主要包括流化床和下吸式固定床两种类型,其中流化床具有反应速度快、生产能力大等优点,然而其具有结构比较复杂、设备投资较大、对原料种类和粒度要求严格等缺点,目前主要应用于稻壳和林木加工剩余木粉的发电。 下吸式固定床气化炉具有原料适应范围广、焦油含量低等优点,在国内推广应用较为广泛。 山东百川同创能源有限公司研发了可以连续运行的下吸式固定床反应器,采用主动配风技术,其主要结构原料如图 1 所示。

图 1 主动配风气化炉结构示意图

Fig. 1 Schematic diagram of gasification under active air distribution

根据气化炉内反应温度和燃气质量,主动控制气化剂供给量,系统设计开发了温度实时监控和反馈控制系统,根据反应温度主动控制气化剂的供给,使热解气化反应始终保持在最优的区间内,以玉米秸秆为原料,典型工况下燃气组分和焦油含量如表 1 所示,气化炉最大产气量达到 2 000 m3 /h,满足MW 级气化发电的要求。

表 1 主动配风气化炉燃气组分

Table 1 The gas composition of the gasifier under active air distribution