工业级下吸式生物质气化炉加料装置的研制和运行

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摘 要：工业级下吸式生物质气化炉体积较大，要求加料装置布料均匀、连续可调、工作可靠。设计了一种加料装置，利用三层空间三次旋转刮料方法，将一般的加料变为封料、内圆周刮料、外圆周刮料、伞面扩散的方式，在自动封闭炉腔的情况下，连续均匀布料，使炉内气化均匀稳定。经过一年多的实际运行，证明符合使用要求。
关键词：生物质气化；下吸式气化炉；加料装置；自然堆积角
引言
本世纪以来，我国的固定床生物质气化技术发展较快，其中的下吸式气化炉由于燃气中焦油含量较低，已逐渐占据主要地位[1]。根据有关数据，下吸式气化炉燃气中焦油含量为50～500mg/m3，而上吸式为10～100g/m3[2]。显而易见，下吸式气化炉在这方面具有突出优势。但现有的固定床气化炉一般规模较小，多用于农村地区供气。而随着生物质燃气的工业应用增多，包括直接燃烧供热于工业窑炉或锅炉，驱动内燃机、燃气轮机发电，合成液体燃料及化学品等[3]，下吸式气化炉也出现了大型化的趋势。
下吸式固定床气化炉的加料装置基本有3种类型：螺旋叶片式加料装置、刮板式加料装置和提斗式加料装置[4]。下吸式气化炉的加料装置一般在炉顶中间位置，当炉体尺寸较大时，由于生物质流动性较差，容易出现较大的自然堆积角[5]。自然堆积角过大，则无法保证运行中反应层的稳定[6]，而且容易出现明火引发事故的发生。因此，针对此问题出现了一些解决方案。如有的生物质下吸式气化炉在炉顶采用拨料器自动拨料[7]，或安装捣料爪使燃料均匀的流入气化炉中[8]，有的技术方案提供一种刮料装置，通过刮料使输送进炉体内的料始终保持料面高度一致，保证燃烧产气均匀，不易出现明火，稳定炉压，提高产气量[9]。
研制了一种将加料装置和布料装置相结合的新型加料装置，满足物料沿炉膛横截面均匀布料的要求，并以料封形式将炉内外相对隔断以提高气化炉的安全性。本加料装置还有连续式加料、原料适应性广、方便调节加料量、可靠性高的优点，满足工业级下吸式生物质气化炉对加料装置的要求。
工业级下 吸式生物质气化炉加料装置
設计并制作了新型加料装置，其结构如图1所示。
本加料装置主要由料斗、电机减速机、传动轴、拨杆、伞面、筒体、层板等组成，装在炉体顶部中间位置。传动轴由电机减速机传动，传动轴上固定连接拨杆1、拨杆2、拨杆3、伞面。筒体上连料斗、下面固定连接层板1、层板2、层板3。拨杆1、拨杆2、拨杆3分别在层板1、层板2、层板3上面一定位置，以刮下对应层板上的物料。
层板1如图2所示，中间的圆孔为与传动轴相配合的孔，与传动轴有一定间隙，右侧的孔为下料孔，该下料孔在料斗的对侧位置。层板1承托料斗内的生物质料。层板1、层板2、层板3外径相同，均与筒体固定连接。
层板2如图3所示，层板2内孔较大，为物料下落孔。
层板3如图4所示，层板3的4个圆弧形孔为下料孔，靠近圆周外侧。层板3中间的圆孔为与传动轴相配合的孔，与传动轴有一定间隙。
电机减速机没有启动时，各层板上的下料孔相互错开，所以料斗内的物料不会自动落入炉内。
加料时，传动轴转动带动拨杆1、拨杆2、拨杆3转动，分别将层板1、层板2、层板3上的生物质料刮落。层板3下落的生物质料由转动的伞面抛洒在炉体内。选择合适尺寸的伞面并控制料位高度就能将生物质料基本平布在炉内横截面上。斗内的物料和各层板上的物料起到了料封的作用，将炉内与外界隔开，提高了气化炉的安全性。
本加料装置利用三层空间三次旋转刮料方法，将一般加料装置的直接落料变为封料、内圆周刮料、外圆周刮料、伞面扩散的方式，在自动封闭炉腔的情况下，达到了连续均匀布料的效果，也使生物质料在加料装置内得以预热，达到了加速反应进行的效果。
加料装置及气化炉的运行效果
该装置及气化炉制作完成后投入了实际运行。该气化炉产生的燃气供一条隧道窑烧结电瓷，气化炉内径为2.5米。原料主要是稻壳，有时也加入了破碎的旧木料等生物质废弃物。气化剂入口在炉体上部，如图1所示。气化剂入口有多个，沿炉体圆周方向均布。气化剂主要为空气，为提高燃气热值，加入了部分氧气。
本气化炉采用上部点火方式运行，即生物质料在伞面抛洒过程中，就处于加热和气化过程。本气化炉内部为负压，炉体侧面的不同高度开了数个观火孔，以便检查火情和料位。本加料装置电机为变频控制，很方便调节加料量。
在气化炉上方安装了视频监控装置，操作人员可随时观察料斗料位及电机转动情况。
经运行验证，本加料装置可适应多种原料，尺寸100mm以下的各种生物质料均能使用。
本加料装置与螺旋加料装置相比对物料的适应性较强，因为生物质料一般为农林废弃物，内部会不时出现石头、水泥块、金属或纤维类杂物，容易将螺旋卡死或堵塞，而本加料装置基本没有出现类似情况。
提斗式加料装置虽然对尺寸较大、又不均匀的气化原料的适应性强，但由于是间歇式加料，不够连续，对炉内反应的稳定性有一定影响。
在使用稻壳的情况下，本气化炉的低位燃气热值经检测为：6.55MJ/m3，高于一般下吸式生物质气化炉的3.8～5.5MJ/m3[10]。
结论
本加料装置及气化炉经过一年多与电瓷厂烧结隧道窑配套使用，运行稳定可靠，调控方便，适应多种生物质料，安全性高。应用结果说明，本加料装置及气化炉，在技术上是可行的，符合绿色能源的发展方向，值得进一步的开发和利用。
参考文献
[1] 吴创之，刘华财，阴秀丽.生物质气化技术发展分析[J].燃料化学学报，2013，41（7）：798-804.
[2] 马中青，张齐生等.下吸式生物质固定床气化炉研究进展[J].南京林业大学学报（自然科学版），2013，9：Vol.37，No.5.
[3] 胡夏雨，袁洪友等.生物质混流式固定床气化炉运行特性分析[J].新能源进展，2015，6：Vol. No.3.
[4] 赵力，景元琢，刘国喜.下吸式固定床气化炉的加料装置[J].可再生能源，2009，2：Vol.27 No.1.
[5]马隆龙，吴创之，孙立.生物质气化技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003.
[6]吴创之，马隆龙等.生物质能现代化利用技术[M].北京：化学工业出版社，2003.
[7]张齐生，马中青，周建斌.生物质气化技术的再认识[J].南京林业大学学报（自然科学版），2013，1：Vol.37，No.1.
[8]张小平.大型秸秆气化炉自动进料装置[P].中国：CN201512509U，2010.
[9]徐欢.生物质气化炉的刮料装置[P].中国：CN202482280U，2012.
[10]孙立，张晓东.生物质热解气化原理与技术[M].北京：化学工业出版社，2013.
（作者单位：湖南阳东生物洁能科技有限公司）