文/宋秋1 任永志1 孫波2
（1.遼寧省能源研究所，營口115000；2.遼寧省寬甸縣林業勘測設計隊，寬甸118200）
摘 要：介紹了下吸式生物質氣化爐的工作原理、特點，以及主要結構尺寸的設計要點。
1前言
我國每年林業廢棄物和農業生產剩餘物質產量高達7億t，如何有效利用這一巨大資源，已成為擺在科研工作者面前的重要課題。生物質氣化技術改變了直接燃燒生物質的利用方式，提高了廢棄生物質的能源品位，對節約常規能源、降低環境汙染、保護生態環境具有重要意義。
下吸式固定床氣化爐由於具有結構簡單，易於操作，產出氣焦油含量低等優點已經得到了廣泛的應用。生物質氣化過程是一個複雜的熱化學反應過程，生物質氣化爐各部位結構尺寸將極大地影響氣化爐的熱效率、產氣成分和產氣品質,故設計合理的生物質氣化爐是有效利用生物質能的關鍵。
2下吸式生物質氣化爐的工作原理
如圖1所示，作為氣化劑的空氣從氣化爐側壁空氣噴嘴吹入，其產出氣的流動方向與物料下落的方向一致，故下吸式氣化爐也稱為順流式氣化爐。吹入的空氣與物料混合燃燒，這一區域稱為氧化區，溫度約為900～1200℃，產生的熱量用於支持熱解區裂解反應和還原區還原反應的進行；氧化區的上部為熱解區，溫度約為300～700℃，在這一區域，生物質中的揮發分（裂解氣、焦油以及水分）分離出來；熱解區的上部為乾燥區，物料在此區域被預熱；在氧化區的下部為還原區，氧化區產生的CO2和碳、水蒸氣在這一區域進行還原反應，同時殘餘的焦油在此區域發生裂解反應，產生以CO和H2為主的產出氣，這一區域的溫度約為700～900℃。由於來自熱解區富含焦油的氣體須經過高溫氧化區和以熾熱焦炭為主的還原區，氣體中的焦油在高溫下被裂解，從而使產出氣中的焦油大為減少。
3下吸式生物質氣化爐的特點
a.為了使氧化區各部位的溫度均勻一致，不至於產生死區和過熱區，從而保證焦油裂解反應最大限度地進行，下吸式氣化爐料鬥下部的橫截面尺寸變小，這個部位即所謂的「喉部」，「喉部」尺寸的大小決定了氣化爐的產氣能力和產氣品質。
b.為保證物料與空氣的充分混合，在「喉部」布置多個空氣噴嘴。一般有外噴（空氣由喉部外向中心噴射）和內噴（空氣由喉部中心供氣管向外噴）兩種布置形式，其中第一種形式應用較多。
c.在料鬥外壁，多數下吸式氣化爐為增大換熱面積而焊有翅片，目的是用產出氣的熱量預熱料鬥中的物料，同時也降低了產出氣的溫度，提高氣化爐的熱效率。
d.由於還原區位於氧化區下部以及高溫區裂解反應的存在，使下吸式氣化爐內產生了火焰溫度穩定效應。即當反應溫度偏高時，作為吸熱的還原反應相對加劇，從而降低了氣體溫度；當反應溫度偏低時，還原反應相對減緩，放熱的氧化反應佔優勢，又使氣體溫度升高，火焰溫度的穩定在800～1200℃，這樣產出氣成分也相對穩定。
e.由於截面積較小的「喉部」的存在，使下吸式氣化爐在負荷適應能力方面受到了一定的限制，同樣外形尺寸條件下，其產氣能力要低於其它結構形式的氣化爐，尤其是上吸式氣化爐。
4下吸式生物質氣化爐設計要點
4.1設計要求
首先要了解生物質物料的物理特性，以及物料的主要化學成分。
4.1.1生物質物料熱值
為了保證生物質氣化爐結構尺寸的合理性與經濟性，計算氣化爐入爐熱量時，應採用生物質物料的應用基低位發熱量。多數情況下，文獻或資料中提供的物料熱值為採用氧彈熱量計測出的應用基高位發熱量，此時應折算出其應用基低位發熱量。
物料中的水分的蒸發所產生熱損失使氣化爐熱效率降低，同時也降低了產出氣的品質。當物料中的水分高於一定值時（約70%），燃燒反應不能進行，依靠燃燒反應提供熱量的還原反應（產氣反應）更無法進行。一般物料中水分控制在15%以內時可以保證下吸式氣化爐經濟、可靠地運行；物料過幹時會使氣化爐過熱，可以採用溼空氣作為氣化劑。
4.1.2物料粒度
從化學動力學角度分析，較小的物料粒度能夠增大物料的表面積，使之與氣化劑混合充分，提高反應速度，也使反應更為完全，但較小的粒度增加了氣體的流動阻力和風機的負荷，同時會使下吸式氣化爐產出氣出口溫度降低；反之，較大的粒度使物料與氣化劑接觸面積變小，物料在爐內駐留時間變短，反應不夠完全，同時較大尺寸物料的存在會產生「搭橋」現象，使物料不能均勻下落，造成爐內局部溫度增高（最高達2000℃），尤其是對於灰分大、灰熔點較低的物料，易於結渣。推薦物料尺寸在80×80×80mm與40×40×40mm之間較為合適，物料中允許有的過大尺寸顆粒與過小尺寸顆粒成分應在10%以內。
4.1.3物料的堆比重
物料的堆比重係指物料在自然堆積狀態的比重，堆比重的大小影響到氣化爐內物料的駐留時間，物料下落速度以及產出氣流量，同時也影響到氣化爐各部位的幾何尺寸。這裡給出常見生物質物料的堆比重情況。
4.1.4揮發分含量
生物質物料中的揮發分含量約為63%～80%，如圖1所示，在熱解區，溫度在300～700℃條件下，物料中的揮發分以水蒸氣、焦油、以及裂解氣混合物的形式從物料中分離出來，通過合理的喉部設計，保證一定厚度的熾熱焦炭層存在，可以使氣體中的焦油在氧化區和熾熱焦炭層中充分裂解，從而得到較為潔淨的產出氣。
4.1.5灰分含量
物料中存在較高的灰分且灰熔點較低時會造成氣化爐氧化區結渣，產出氣中焦油含量增大，嚴重時，氣化爐不能運行。一般灰分含量在5%以內，氣化爐能夠可靠地運行。表2給出常見生物質物料的灰分含量情況。
4.1.6物料的主要化學成分
生物質物料屬有機燃料，是複雜的高分子化合物。其主要成分是：碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）、灰分及水分，除灰分和水分外，其它元素多以化合物狀態存在，通過元素分析可得知其化學成分。
4.2理論計算及主要結構尺寸的確定
4.2.1理論空氣量的確定
生物質物料與空氣在氣化爐中發生複雜的熱化學反應，從熱動力學角度分析，空氣量對於產出氣的成分影響可以從圖2中看出，圖中橫坐標值為所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當量比。
從圖2中曲線可以看出，當量比為0時，沒有氧氣輸入，直接加熱物料的反應屬於熱解反應，雖然也可以產生H2，CO，CH4等可燃成分，但產出氣中焦油含量很高，並且約佔物料質量的30%焦炭不能同時轉變為可燃氣體；當量比為1時，物料與氧氣發生完全燃燒反應，不能產生可燃氣；只有在當量比為0.25～0.3，產出氣成分較理想，即氣化反應所需的氧僅為完全燃燒耗氧量的25%～30%，當生物質物料中水分較大或揮發分較小時應取上限，反之取下限。計算氣化爐反應所需空氣量時，應首先根據生物質物料的元素分析結果按下式計算出其完全燃燒理論空氣量，然後按當量比0.25～0.3計算實際所需空氣量V氣。
由於生物質物料的堆比重、粒度相差較大，這將明顯影響物料在爐內的駐留時間，這就要求氣化爐因物料不同而選用差別較大的氣化強度。對於堆比重較小或粒度較小的物料，其爐內駐留時間短，氣化強度應相應減小；反之，應增大氣化強度。一般氣化強度推薦值為500～2000kg/（h·m2）。
儘管下吸式氣化爐產出氣中焦油含量很少，但根據產出氣的不同應用場合，還應當配置不同的除焦油設備以及除塵、除溼設備以進一步提高產出氣的品質。
4.3注意事項
a.明確氣化爐產出氣參數，如產氣量，產氣成分等，對於下吸式氣化爐，單臺最大產氣量一般不超過500m3/小時。
b.應從結構上考慮氣化爐各密封面的良好密封，防止漏風和產出氣洩露。
c.「喉部」空氣噴嘴附近區域應敷設耐火材料，以防燒壞「喉部」，噴嘴應採用不鏽鋼材料。
d.「喉部」尺寸較大或生物質物料粒度較小時應加設鑄鐵爐柵。