下吸式生物质气化炉的制作方法

本实用新型属于生物质能高效利用技术领域，具体涉及一种下吸式生物质气化炉。

背景技术：

生物质能源是绿色植物将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内的能量，通常包括：木材及森林工业废弃物“农业废弃物”、“生活有机废弃物”、“水生植物”、“油料植物”等。世界能源消费中仅次于三大化石能源位列第四，占比达14％。据统计资料介绍，2009年，欧盟生物质能源的消费量约占欧盟能源消费总量的6％，美国的生物质能源利用占全国能源消费总量的4％，瑞典为32％。我国是个农业大国，生物质资源丰富，生物质能占能源消耗总量20％，农村总能耗的65％以上为生物质能，其中薪材消耗量约占总能耗的29％。

生物质能源是一种理想的可再生能源，具有以下特点：(1)可再生性；(2)低污染性(生物质硫含量、氮含量低，燃烧过程中产生的so2、nox较低，生物质作为燃料时，二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减少温室效应)；(3)广泛的分布性。缺乏煤炭的地域可充分利用生物质能。典型生物质的热值为17600～22600kj/kg。下表分别是几种典型生物质燃料的元素分析和工业分析。

注：秸秆的分析均以干燥无灰基计；神府煤以空气干燥基计。干燥无灰基：除去固体燃料中所含全部水分和灰分后计算的燃料部分。干燥基：以在烘干箱中(102-105℃)烘干后失去全部游离水分（外在水分以及内在水分)的燃料式样为计算基准。资料来源：（周建伟等，2009；杜云川，2009)。

目前生物质能主要应用方式分为两种：①生物质直接燃烧；②生物质气化。

生物质直接燃烧方式是传统能源利用方式，即生物质在燃烧炉内充分燃烧，放出的热量用来发电或者供热的利用的方式。直接燃烧的方式一般用于大规模集中利用上，比如现有主流的生物质发电厂就是这一类。

生物质气化是一种较新的方式：主要是在气化炉内一定的热力学条件下，只提供有限氧的情况下使生物质发生不完全燃烧，通过有机物热裂解和一系列氧化还原反应，生成co、h2、低分子烃等可燃气体。这种可燃气是一种干净、清洁的绿色能源，可作为后继供热或发电使用。生物质气化对原料有一定要求，一般以中小规模利用为主，比如工厂或园区供热、物料烘干、保温保湿等。另外，生物质气化过程中通过控制反应温度、气化剂等可以对热裂解和氧化还原的程度进行调节，从而得到可燃气的同时，得到生物质炭、焦油、木醋液等副产物。特别是生物质炭，目前是一种较高品质高附加值的产品，广泛应用于保温材料、土壤改良、燃料、吸附剂等场合。

气化过程与燃烧过程的区别：

燃烧过程提供充足的空气或氧气，原料充分燃烧，目的是直接获取热量，产物是co2和水等不可燃的烟气。

气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物为含氢、co和低分子烃类的可燃气体。

生物质气化是一种热化学转换技术，利用空气、氧气或水蒸气作为气化剂，将生物质转化成可燃气体的过程。生物质气化可将低品位的固态生物质转换成高品位的可燃气体，可应用于集中供气、供热、发电以及作为化工品和原料气等。

在众多的生物质气化设备中，下吸式固定床气化炉具有热值高、可燃气焦油含量低、炭转化率高、可燃气产品用途广、结构简单、工作稳定性好的优点，因此在集中供气、供热及小型生物质发电中得到了广泛的应用。

下吸式固定床气化炉的原理为：生物质从上部加入，气化剂从中下部吹入，生成的气体从下部离开气化炉。气化炉中参加反应的生物质自上而下分为干燥层、热解层、氧化层和还原层。下吸式固定床气化炉主要由内胆、外腔及灰室组成。内胆又分为储料区及喉管区。储料区为物料预处理区，而喉管区是气化反应区，储料区的容积及喉管区直径及高度是气化炉设计的重要参数，直接影响气化效果。气化炉的上部留有加料口，物料直接进入到储料区，气化炉的下部是灰室，灰室及喉管区之间设有炉栅，反应后的灰分及没有完全反应的炭颗粒经过炉栅落进灰室，灰可定期排出。在内胆和外壁之间形成的外腔实际上是产出气体的流动通道，在热的可燃气排出时，与进人风室的气化剂和气化炉储料区内的物料进行热交换。一般来说，下吸式气化炉的进风喷嘴设在喉管区的中部偏上位置。气化过程中气化剂的供给是靠系统后端的容积式风机或发电机的抽力实现的，大多数下吸式气化炉都是在微负压的条件下运行，进风量可以调节。

进入到气化炉内的生物质最初在物料的最上层，即处在干燥区内，在这里由于受外腔里的热气体及内胆里热气体的热辐射，吸收热量，蒸发出生物质内的水分，变成干物料。干燥层温度为300℃左右。

之后随着物料的消耗向下移动入热解区，由于热解区的温度高，达到了挥发分溢出温度，因而生物质开始热解，挥发分气体开始产生，干生物质逐渐分解。热解区产物为炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油以及其他烃类物质等，而生成的炭随着物料的消耗而继续下移落入氧化区。热解区温度为500～700℃。热解反应式如下：

ch1.4o0.6＝0.64c(s) 0.44h2 0.15h2o 0.17co 0.13co2 0.005ch4

作为气化剂的空气一般情况下在氧化区加入，在该区，由热解区生成的炭与气化剂中的氧进行燃烧反应生成二氧化碳、一氧化碳，并放出大量的热能，这些能量保证了生物质气全过程的顺利进行。氧化区温度可达1000～1200℃，氧化反应方程式为：

c o2＝co2 δhδh＝408.8kj

2c o2＝2co δhδh＝246.44kj

没有在反应中消耗掉的炭继续下移进入还原区，在这里，与热解区及氧化区生成的二氧化碳发生还原反应生成一氧化碳，炭还与水蒸气反应生成氢气和一氧化碳，灰渣则排入灰室中。还原反应方程式如下：

c co2＝2co δh；δh＝-162.41kj

h2o c＝co h2 δh；δh＝-118.82kj

2h2o c＝co2 2h2 δh；δh＝-75.24kj

h2o co＝co2 h2 δh；δh＝-43.58kj

由于还原反应吸热，还原区温度也降低，为700～900℃。一般情况下，下吸式气化炉不设炉栅，但如果原料尺寸较小，也可设炉栅。此种气化炉，适于较干的大块物料或低水分大块同少量粗糙颗粒相混的物料。

在下吸式气化炉中，气流是向下流动的，通过炉栅进入外腔。因而在干燥区生成的水蒸气，在热解区分解出的二氧化碳、一氧化碳、氢气、焦油等热气流向下流经气化区。在气化区发生氧化还原反应。同时由于氧化区的温度高，焦油在通过该区时发生裂解，变为可燃气体，因而，下吸式固定床气化炉产出的可燃气热值相对高一些而焦油含量相对低一些。通过这一系列化学反应过程，在气化炉内，固体燃料生物质就变成了气体燃料一一生物质燃气。

目前，下吸式生物质气化炉的结构设计存在以下问题：

(1)堆积角较大时，物料在气化炉截面难以均布，形成架桥、穿孔现象。

当物料自然堆积时会形成一个锥体，锥体母线与底面的夹角叫做自然堆积角。自然堆积角反映了物料的流动特性，流动性好的物料颗粒在很小的坡度时就会滚落，只能形成很矮的锥体，因此自然堆积角很小。而流动性不好的物料会形成很高的锥体，自然堆积角较大。碎木材一类原料的自然堆积角一般不超过45°，在固定床气化炉中依靠重力向下移动顺畅。当下部原料消耗以后，上部原料自然下落补充，形成充实而均匀的反应层。而铡碎的玉米秸和麦秸堆垛以后，即使底部被搁空，上面的麦秸依然不下落，这时的自然堆积角已经超过了90°而成为钝角。在固定床气化炉里容易产生架桥、穿孔现象。

(2)生物炭排出不畅，炉栅处易卡死。

碳化后的生物炭在气化室底部的炉栅上，炉栅为多孔板结构，均匀的开孔以供生物质碳颗粒从孔中下落进入炉体下部的碳仓。为了使生物炭顺利下落，现有的常见设计为通过齿轮装置带动圆形炉栅低速旋转。但这种设计运行中常因碳颗粒随炉栅旋转而不能顺利通过孔板落下，同时也会存在炉栅旋转卡死等现象。

(3)气化剂(空气、水蒸气等)在气化炉截面上分布不均，氧化反应不充分。

以下吸式喉式气化炉为例，由喷嘴进入喉部的空气与热解区产生的炭发生氧化反应，在喷嘴附近形成高温区，即氧化区。而在离喷嘴稍远的区域，即喉部的下部和中心，已没有氧气存在，造成气化剂分布不均匀，当气化炉炉体规模扩大时，仅喷嘴附近区域可以形成氧化区，氧化层反应不均匀，易使一部分未参与氧化反应的气化剂进入还原层，形成所谓的烧穿现象，从而破坏还原反应，导致产出可燃成分少，热值低。

(4)气化产物可燃气抽吸气流场不均匀，导致气化炉内各区域反应程度不均衡。

同(3)所述，流场不均匀会造成气化炉内部气化反应进行的不充分，降低气化效率与输出燃气的质量。流场的均匀分布不仅与气化剂输入形式有关，也受燃气输出形式的影响，燃气输出口分布不均匀，如单侧口燃气输出使近口区域流体流速偏大，远口区域流体流动滞后，形成流场分布不均匀现象。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种利于物料、气流组织均布以提升效率的下吸式生物质气化炉。

为实现上述技术目的，本实用新型采用以下的技术方案：下吸式生物质气化炉，包括给料口、空气配风系统、物料搅拌器、气化反应室、炉栅、燃气排出系统和生物炭排出系统，所述给料口处设置有上端开口小、下端开口大的锥面环形导板结构，一部分物料通过导板中心的孔洞垂直落下，一部分物料沿着导板锥外壁面斜向下落进炉内，从而形成内部锥体与围绕在内部锥体周侧的锥体圆环的物料布置形式。

作为优选的技术方案，所述空气配风系统包括环绕在气化炉外壁内侧的配风母管以及插入气化反应室氧化区的配风支管，配风母管焊接在气化炉外壁内侧，配风支管沿气化炉外壁内周均匀分布，并经气化炉外腔伸入氧化区内部，伸入氧化区内部的配风支管上均匀开设风孔。

作为优选的技术方案，所述物料搅拌器包括空心轴及驱动电机，所述空心轴上套装有上层搅拌叶片和下层搅拌叶片，所述上层搅拌叶片位于气化反应室热解区，所述下层搅拌叶片位于气化反应室还原区底部，所述空心轴的中部为空心盘结构，空心盘上设置有通风孔，空心盘位于气化反应室氧化区。

作为优选的技术方案，所述燃气排出系统包括与外部引风机相连的燃气出口及由燃气总管引出的若干排气支管，所述排气支管均布于气化炉外壁内侧，配风母管送风方向与燃气排出方向相逆。

作为优选的技术方案，气化反应室外壁设置有肋片结构。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有至少以下有益效果：

(1)生物质入料均匀：在生物质物料给料口设置物料导板结构，对于流动性差的生物质原料，可以通过导板合理的分配物料比例，防止其在给料口下方形成高度较高的锥体，使物料在整个炉体横截面上达到较为均匀的分布，使得下部气化反应区炉心与炉侧反应条件相似，避免反应区呈凸字形分布，使反应区域规则化，同时干燥区与内腔壁面接触面积加大，强化传热。

(2)炉内生物质物料均布，出灰顺畅：在炉体内设置物料搅拌器中空结构，分为上下两层搅拌叶片，中间配风结构，上层搅拌用于在热解区混合气固两相物质，由于热解后物料挥发分析出，体积减小，空隙增多，容易形成中空结构，设置上层搅拌混合两相物质，使物料顺畅下行，杜绝中空现象，中部配风结构用于氧化区气化剂供风，下层搅拌用于在炉栅上搅拌生物炭产物，固定床反应器出炭依靠重力与气压差，生物炭可能堆积堵塞炉栅的孔洞，设置搅拌增加扰动，防止出现块状堆积堵塞，使出料顺利。

(3)气化剂送风均匀：侧面配风由配风总管引出若干配风支管，均匀分布在炉侧，并通过耐高温布风管多出口结构将气化剂均匀送至氧化区位置，物料搅拌器也设置中间配风结构，配风支管的深入可以使中心区域也能够得到气化剂的供给，防止出现因气压限制导致气化剂供给不足的情况，加之与中心配风形成对喷，使氧化区反应更充分，使反应气体较为均布于氧化区，改善气流组织。

(4)燃气抽吸均匀：由燃气总管引出若干排气支管，均匀分布在炉侧，将燃气通过不同方向抽出炉体，改善排出气流组织。在内腔外壁(外腔体)设置肋片结构与侧面配风管，利用燃气热量对气化剂进行预加热，并强化与内腔干燥区、热解区的换热强度。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中配风支管的结构示意图；

图3是配风支管的端面结构示意图；

图4是进料口无物料导板时的物料分布状态示意图；

图5是进料口有单环形导板时的物料分布状态示意图；

图6是进料口有双环形导板时的物料分布状态示意图；

图7是图6中双环形导板的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1所示，下吸式生物质气化炉，包括给料口10、空气配风系统20、物料搅拌器30、气化反应室40、炉栅50、燃气排出系统60和生物炭排出系统70；气化反应室40从上至下依次分为干燥区41、热解区42、氧化区43和还原区44。

所述给料口10处设置有上端开口小、下端开口大的锥面环形导板结构11，根据气化炉截面大小，锥面环形导板结构11可以设置为单环形导板(参考图5)，也可以设置为双环形导板(参考图6和图7)或多环形导板，物料被填充进料斗后，在重力作用下，物料垂直下漏，在无锥角圆锥面导板的作用下，一部分物料通过导板中心的孔洞垂直落下，一部分物料沿着导板锥外壁面斜向下落进炉内，从而形成内部锥体与围绕在内部锥体周侧的锥体圆环的物料布置形式。这样，根据干燥区的直径大小与干燥区顶端距离料斗出口的高度，合理设计锥面上部圆孔的直径，使物料得到有效地分配，减小堆积形成的椎体高度，使进口物料均匀化，且使物料与内腔体接触更充分；对于流动性差的生物质原料，通过导板合理的分配物料比例，防止其在进料口下方形成高度较高的锥体，使物料在整个炉体横截面上达到较为均匀的分布。

所述空气配风系统20包括环绕在气化炉外壁内侧的配风母管21以及插入气化反应室氧化区43的配风支管22，配风母管21焊接在气化炉外壁内侧，配风支管22沿气化炉外壁内周均匀分布，并经气化炉外腔伸入氧化区43内部，伸入氧化区43内部的配风支管22上均匀开设风孔23。具体地，空气配风系统20的配风母管21由气化炉上部引入，经炉体外腔向下延伸至热解区域，可以与热燃气进行换热，提升热利用率，由配风支管22(布风管)将气化剂引入氧化区内部，气化剂的配风支管需要从径向伸入气化炉炉壁一定距离，并且为了防止全部伸入会导致炉内物料架桥，因此配方支管的伸入距离不能太长。伸入部分的管路的下侧斜45°方向和端部需要开风孔。为了确保气化剂能够喷射进入气化炉，气化剂管路孔的总面积必须小于管路的横截面积。气化炉侧面配风母管设置3～8根(根据炉体直径选取)，每根配风支管打2n 3个孔，n≥3，其中3个均匀分布在封闭的端面，其余2n个分别打于管的斜下45°位置的两侧，每侧打n个孔，以均匀送风。配方支管设置冷却保护风套管结构，管体材质316l，喷嘴采用哈氏合金，套管采用310s材质。

所述物料搅拌器30包括空心轴31及驱动电机32，所述空心轴31上套装有上层搅拌叶片33和下层搅拌叶片34，所述上层搅拌叶片33位于气化反应室热解区42，用于在热解区混合气固两相物质，由于热解后物料挥发分析出，体积减小，空隙增多，容易形成中空结构，设置上层搅拌叶片混合两相物质，使物料顺畅下行，杜绝中空现象；所述下层搅拌叶片34位于气化反应室还原区44底部，用于在炉栅上搅拌生物炭产物，固定床反应器出炭依靠重力与气压差，生物炭可能堆积堵塞炉栅的孔洞，设置下层搅拌叶片增加扰动，防止出现块状堆积堵塞，使出料顺利；所述空心轴31的中部为空心盘35结构，空心盘35四周分布2～5个通风孔，位于气化反应室氧化区43，用于氧化区气化剂供风。空心轴31与外界鼓风机相联，以通入气化剂，在工作时，搅拌器顺时针转动，由于空心盘通风孔为均匀分布，气化剂通入过程不会因其转动而造成分布不等的现象。气化剂通风口处涂有耐火材料，保证通风口工况相对稳定，不易堵塞。

所述燃气排出系统60包括与外部引风机相连的燃气出口61，气化过程中，引风机将气化燃气自炉底抽出，同时造成炉内负压；由燃气总管引出若干排气支管(图中未示出)，所述排气支管均布于气化炉外壁内侧，将燃气通过不同方向抽出炉体，改善排出气流组织，气化反应室外壁设置有肋片结构80，且配风母管送风方向与燃气排出方向相逆，利用燃气热量对气化剂进行预加热，并强化与内腔干燥区、热解区的换热强度。

所述生物炭排出系统70包括位于炉栅50下方的生物质炭仓71，所述生物质炭仓71的底部设置有螺旋出料机72，本方案取消了齿轮带动炉栅旋转的装置，即炉栅固定不动，通过下层搅拌叶片34旋转带动炭颗粒运动，用于将下部反应完成的生物质炭顺利排出，生物质炭由底部螺旋出料机72排出炉体。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域内的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。