生物質(zhì)氣化系統中氣化爐設計及進(jìn)料裝置改進(jìn)

2013年6月農機化研究第6期生物質(zhì)氣化系統中氣化爐設計及進(jìn)料裝置改進(jìn)郭培紅,朱莉,梅艷陽(yáng)(河南理工大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,河南焦作454003)摘要:新型生物質(zhì)氣化系統—雙干餾管內燃加熱式氣化爐氣化系統主要由液壓進(jìn)料系統、雙干餾管內燃加熱式氣化爐、氣體收集和浄化系統組成,采用生物質(zhì)-垃圾混合物作為氣化的原料。雙干餾管內燃加熱式氣化爐作為該系統中的主要設備,其兩根干餾管的外側被通入高溫煙氣的螺旋管道纏繞,使高溫煙氣與干餾管的接觸時(shí)間延長(cháng),熱交換更充分。此外,針對系統中液壓進(jìn)料裝置存在的問(wèn)題提出了3種改進(jìn)措施,將料倉和進(jìn)料活塞做了相應的結構改進(jìn),有效地解決了進(jìn)料裝置中不同部位的進(jìn)料不暢和物料堆積問(wèn)題。關(guān)鍵詞:氣化爐;生物質(zhì);垃圾;進(jìn)料裝置中圖分類(lèi)號:TK64文獻標識碼:A文章編號:1003-188X(2013)06-0222-040引言統—雙干餾管內燃加熱式氣化爐氣化系統,提高了氣化爐的熱利用率,并為改善環(huán)境開(kāi)辟了一條新途徑在眾多可再生能源中,生物質(zhì)能最具有發(fā)展前景。由于生物質(zhì)能的能源品值較低,直接使用越來(lái)越1氣化爐的設計不能滿(mǎn)足人們對高質(zhì)量現代生活的需求,因此研究各本文所介紹的生物質(zhì)-垃圾氣化系統主要由液壓種新技術(shù)將生物質(zhì)轉化成高品位的潔浄能源,是大規進(jìn)料系統、雙干餾管內燃加熱式氣化爐、氣體收集和模利用生物質(zhì)能的必然趨勢。其中,生物質(zhì)氣化技術(shù)凈化系統組成。其中,雙干餾管內燃加熱式氣化爐是越來(lái)越受到重視該氣化系統中的主要設備。生物質(zhì)氣化的能量轉換效率高,設備簡(jiǎn)單,投資1.1雙干餾管內燃加熱式氣化爐少,易操作,氣化產(chǎn)生的燃氣可廣泛用于炊事、采暖和近年來(lái),我國生物質(zhì)氣化爐的設計和使用有了顯作物烘干,還可以用作內燃機或熱氣機等動(dòng)力裝置的著(zhù)的發(fā)展。筆者歸納總結了氣化爐設計工藝的優(yōu)缺燃料,輸出電力或動(dòng)力2。目前,生物質(zhì)氣化爐的原點(diǎn)及其特性”,設計了一款新的氣化爐一雙干餾管式料大多來(lái)自秸稈類(lèi)農業(yè)廢棄物。這些原料雖然來(lái)源氣化爐。該種氣化爐的氣化過(guò)程采用空氣一水蒸汽廣泛,但是分布比較分散,能量密度低,并且存在明顯氣化的形式,主要用來(lái)克服空氣氣化產(chǎn)物熱值低(只的區域性和季節性,因此收集、運輸及貯存成為此類(lèi)有4000-6000/m3)的缺點(diǎn),減少了空氣的供給原料的重要問(wèn)題3。量,并且加入了水蒸汽,使得更多的氫氣和碳氫化合隨著(zhù)城市規模的擴大和城市化進(jìn)程的加速,城鎮物生成,提髙了燃氣的熱值。此外,空氣與生物質(zhì)的垃圾的產(chǎn)生量和堆積量逐年增加。據統計,我國城市氧化反應可為其他反應提供所需要的熱量,不需要其生活垃圾的年增長(cháng)率達8%~10%,未經(jīng)處理的垃圾他外部熱源。氣化爐結構如圖1所示。將會(huì )危害人類(lèi)的身體健康,占用空間,導致嚴重的環(huán)由圖1可知,在燃燒室內,采用專(zhuān)用的燃燒器燃境問(wèn)題。針對以上情況,將生物質(zhì)-垃圾混合后作燒儲氣罐中的可燃氣,產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)過(guò)螺旋煙氣為氣化的原料,設計了新型的生物質(zhì)氣化系管道排空,尾氣用于干燥物料。高溫煙氣加熱一段時(shí)間后,進(jìn)料裝置開(kāi)始運行,將物料送進(jìn)干餾管中,并且收稿日期:2012-05-25基金項目:流體機械及工程省級重點(diǎn)學(xué)科項目(507907);熱能與動(dòng)力反復連續供料,物料被逐步向前推進(jìn),依次經(jīng)過(guò)干燥工程河南省特色專(zhuān)業(yè)項目(508057);熱能工程校級重點(diǎn)學(xué)區、干中國煤化工在干燥區,物料被烘科(509927)干,使其作者簡(jiǎn)介:郭培紅(195),女河南新鄉人,教授,碩士,(E-一mi)化裂解CNMHG餾區,大部分物料氣氧化區時(shí),從空氣供給壁通入了guopeihong(@126.com.通訊作者:朱莉(1988-),女,鄭州人,碩士研究生,(E-mail)定量的空氣,部分物料燃燒,為焦油的催化裂解和還576549694@qg.com原區的反應提供熱量;水煤氣反應所需要的水通過(guò)水2013年6月農機化研究第6期蒸汽供給壁通入,物料中的部分碳在還原區與水蒸氣者針對這些問(wèn)題做了相應的改進(jìn)。反應生成氫氣和一氧化碳等;這些產(chǎn)生的可燃氣體和2.1進(jìn)料裝置的組成固體殘余物在氣碳分離室被分離,固體殘余物從干餾若使生物質(zhì)氣化系統正常運行,必須保證其進(jìn)料管中落下,被收集處理,而氣體經(jīng)過(guò)燃氣流通管道(由設備能夠順利、穩定和均勻地工作。該系統中的液壓雙干餾管和上下兩個(gè)燃氣管道封板圍成)排出并收進(jìn)料裝置包括液壓泵站、液壓缸、料活塞、機身以及與集。氣化所得的氣體經(jīng)燃氣流通管道排出的同時(shí),一機身相連的落料倉。機身用以固定液壓缸、料活塞和方面可以對干餾管內的物料起到加熱作用,另一方面落料倉。液壓缸推動(dòng)料活塞來(lái)回運動(dòng),當活塞縮回對氣體起到冷卻作用。時(shí),物料落下填充料活塞的空間;然后,物料由料活塞推動(dòng)前進(jìn),進(jìn)入干餾管,前進(jìn)距離為液壓缸行程;料活塞后退,物料落下,完成一個(gè)進(jìn)料過(guò)程,如此往復22進(jìn)料裝置存在的問(wèn)題在實(shí)際的實(shí)驗或者生產(chǎn)中,由于生物質(zhì)物料具有密度小、易壓縮和粘附性強等特點(diǎn),在進(jìn)料器中物料干燥區干餾區1氧化區|還原區很容易被架空或者擠實(shí),出現堵塞進(jìn)料器的問(wèn)題20~200℃200~700℃700~950℃2.2.1垂直方向物料不下落干餾管2.燃氣流通管道3.螺旋煙氣管道4.空氣供給壁垂直方向的落料不順暢問(wèn)題主要發(fā)生在料倉上。5.燃燒室6.水蒸汽供給壁7.燃氣管道封板8.氣碳分離室料倉上的堵塞主要有料倉內架空懸料和倉壁掛料兩圖1雙干餾管內燃加熱式氣化爐的示意圖種形式,如圖2和圖3所示。Fig. I Schematic of dual dry distillation tube combustion heated gasifier1.2干餾管長(cháng)度的確定氣化爐中,物料的反應完全在干餾管中進(jìn)行,干餾管尺寸的確定是雙干餾管內燃加熱式氣化爐設計的關(guān)鍵從傳熱學(xué)角度分析,餾管外壁與高溫煙氣對流換熱,內壁與物料接觸放熱,高溫煙氣從右端流入(見(jiàn)機身圖1所示),低溫物料從左端進(jìn)料,其實(shí)這個(gè)過(guò)程是一個(gè)非穩態(tài)的對流換熱加導熱的過(guò)程從進(jìn)料角度分析,根據質(zhì)量平衡,得到干餾管的圖2料倉內架空懸料長(cháng)度的計算公式為Fig 2 Suspended materials in the warehouse wall3600=P×Lm×A2式中m一每小時(shí)進(jìn)料量(kg/h);t0—每次進(jìn)料時(shí)間(s);p一所用物料的密度(kg/m3)L一千餾管長(cháng)度(m);A—干餾管截面積(m);式中,等號右邊的1/2是經(jīng)驗值。另外,可以通過(guò)圖3倉壁掛料調節兩次進(jìn)料時(shí)間改變管長(cháng),但是要留有一定余地2進(jìn)料裝置圖2的這種情況與煤倉的架拱現象類(lèi)似,物料整體下落中國煤化工由于物料附著(zhù)在倉壁該氣化系統中除了主要氣化設備雙干餾管內燃不下CNMHG加,物料會(huì )越來(lái)越多加熱式氣化爐外,進(jìn)料裝置也是該氣化系統中的重要使中間下料的空間變小,導致物料下落不暢。組成設備。進(jìn)料的連續性對氣化過(guò)程的影響是至關(guān)2.2.2水平方向進(jìn)料不前進(jìn)重要的。在設計進(jìn)料裝置的過(guò)程中遇到一些問(wèn)題,筆在水平方向上,液壓缸帶動(dòng)料活塞推動(dòng)物料進(jìn)入2013年6月農機化研究第6期干餾管,此過(guò)程中物料受到管壁的摩擦阻力。由于生時(shí),搖動(dòng)外部的搖把,能立刻達到破拱效果,改善落料物質(zhì)物料具有可壓縮性,所以物料在管中被壓縮,造情況。成堵塞。堵塞后,液壓缸負載增大,造成泵站過(guò)載,影響泵站的使用壽命以及工作人員的安全;并且物料不料倉前進(jìn)也會(huì )影響后面的氣化過(guò)程,使干餾管處于干燒的情形,影響氣化設備的使用壽命2.3進(jìn)料問(wèn)題的解決方法破壞桿針對上述氣化爐給料過(guò)程中的進(jìn)料裝置存在的問(wèn)題,研究得出以下幾種解決方法,并通過(guò)實(shí)際操作證明了其可行性,有效地改善了進(jìn)料問(wèn)題。搖把2.3.1改進(jìn)料倉的形式物料之所以結拱搭棚,是因為物料間摩擦力、物料與管壁間的摩擦力、管壁對物料的支持力與物料的重力之間達到了力平衡,所以從打破這個(gè)力平衡來(lái)考圖6破拱裝置慮,將原料倉(如圖4所示)改用具有偏心距的料倉Fig 6 Arch breaker device(如圖5所示),偏心距離為S。這種出口偏心設置的2.3.3改進(jìn)進(jìn)料活塞料倉,減少了一側產(chǎn)生的支持力,起到了破拱效果。物料在干餾管中向前運動(dòng)受到料活塞的推力P以及管壁對其的摩擦阻力F,其關(guān)系為Fn=S·P=h·Pk=tg(45°-q/2)式中φ-物料的內摩擦角k—側壓力系數μ—物料與管壁的摩擦系數;P—管壁單位面積上的豎向壓力標準值P、—相應計算截面處的橫向推力標準值(kNm圖4改進(jìn)前的料倉隨著(zhù)物料的前進(jìn),摩擦阻力逐漸增大,而液壓系Fig 4 Improvement of the hopper before統中,壓力取決于負載,所以阻力F越大,推力P越大。從上式可以看岀,推力的增加又造成了摩擦力的增大,最終導致物料的堵塞。要想解決這個(gè)冋題,就應該打斷或者延緩這種惡性循環(huán)。為此,在原活塞(如圖7所示)基礎上,對進(jìn)料活塞的結構進(jìn)行改進(jìn),在進(jìn)料活塞前端加入一個(gè)翅片,如圖8所示。圖7改進(jìn)前的活塞圖5改進(jìn)后的料倉Fig 7 Improvement of the piston beforeFig. 5 The improved hopper在料倉上增加破拱裝置在落料實(shí)驗中,發(fā)現結拱搭棚現象主要存在于料Ha中國煤化工CNMHG倉變徑末端,所以可以在此處加裝破拱裝置,如圖6圖8改進(jìn)后的活塞所示。此裝置是手動(dòng)的,當發(fā)現出料緩慢或者不出料Fig8 The2242013年6月農機化研究第6期對活塞進(jìn)行改進(jìn)后,物料在干餾管中的堵塞問(wèn)題3)通過(guò)實(shí)際操作發(fā)現,給料存在水平方向上給料得到解決,在管中能被順利送出3m的距離,滿(mǎn)足了氣不前和豎直方向上落料不下的問(wèn)題,水平方向上的給化過(guò)程的給料要求。料不前又加劇了豎直方向上的落料不下問(wèn)題。針對這些問(wèn)題,對給料系統進(jìn)行了改進(jìn),使進(jìn)料情況有了3結論很大改善。本文介紹了生物質(zhì)氣化系統的組成,重點(diǎn)對氣化參考文獻:爐和進(jìn)料系統進(jìn)行了介紹。詳細闡述了新型氣化爐一雙干餾管內燃加熱式氣化爐的結構,并針對系統1王建楠.制志超,彭寶良,等,我國生物質(zhì)氣化技術(shù)概況與的進(jìn)料裝置存在的問(wèn)題,提出了3方面的改進(jìn)措施發(fā)展[J].農機化研究,2010,32(1):198-201有效地改進(jìn)了豎直方向和水平方向的進(jìn)料不暢問(wèn)題2]寇偉,宋哲.生物質(zhì)氣化技術(shù)應用淺談[J].林業(yè)科技情報,2010(3):92-931)雙干餾管內燃加熱式氣化爐的氣化工作原理(31姚志彪,李云全應用生物質(zhì)氣化技術(shù)實(shí)現農業(yè)廢棄物資是結合下吸式固定床氣化爐、干餾氣化、空氣氣化、水源化[J.能源研究與利用,2005(3):35-37蒸氣氣化和焦油的催化裂解的特點(diǎn)設計的。氣化爐[4]吳靖,劉洪鵬,蘭婧城市生活垃圾資源化處理方法綜述外螺旋管的換熱裝置的設計,使高溫煙氣從螺旋管經(jīng)[J].中國科技信息,2011(5):27-28過(guò),增加了高溫煙氣與干餾管的換熱時(shí)間,提高燃氣[5]劉作龍,孫培勤,孫紹暉,等.生物質(zhì)氣化技術(shù)和氣化爐研利用率。究進(jìn)展[J.河南化工,2011(1):21-242)該氣化系統的液壓給料結構的設計,延長(cháng)了物6 Lv Pengfei, hang Jie, Xiong Zhuhong. An experimental re料在爐內的停留時(shí)間,使物料在干餾管內能夠充分反earch on biomass air-steam gasification in a fluidized bed應,增強了氣化效率。[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中國煤化工CNMHG