生物质气化发电 气化反应器

6.5.1.2上吸式固定床气化炉
上吸式气化炉是指生物质由顶部加入气化炉 ，靠重力的作用向下运动。炉栅支撑着燃料，燃 烧后的灰分和渣通过炉栅落入灰室。气化剂由炉 底部经过炉栅进入气化炉，产出的燃气通过气化 炉内的各个反应区，从气化炉上部排出。在上吸 式气化炉中，气流是向上流动的，方向和物料的 运动方向刚好相反，生物质在向下移动的过程中 被气流干燥脱去水分。在热分解区，干燥的物料 得到更多的热量发生热分解反应，析出挥发分， 产生的炭进入还原区，与氧化区产生的热气体发 生还原反应，生成一氧化碳和氢气等可燃气体， 反应中没有消耗掉的炭进入氧化区。上吸式固定 床气化炉的氧化区位于4个区的最底部，在还原区 的下面，其反应温度比下吸式气化炉要高一些， 可达1000~1200，炙热的炭与进入氧化区的空气发 生氧化反应，灰分则落入灰室。在干燥区、热解 区、氧化区和还原区生成的混合气体，即生物质 气化气，自下而上的流动，排出气化炉。
6.5.2.1鼓泡流化床气化炉
鼓泡流化床气化炉是最基本、最简单的流化床 气化炉。它只有一个流化床反应器，生物质燃料在 分布板上部加入，气化剂从气体分布板底部吹入， 在流化床上同生物质原料进行气化反应，生成的气 化气直接由气化炉出口送入净化系统中，反应温度 一般控制在600~1000。鼓泡流化床气化炉流化速度 较慢，比较适合颗粒较大的生物质原料。但是存在 飞灰和炭粒夹带严重、运行费用较大等问题。
固定床气化炉结构特征是有一个容纳原料的炉膛和一个 承托反应料层的炉栅。根据气化炉内气流运动的方向，固定 床气化炉又可分为下吸式气化炉、上吸式气化炉、横吸式气 化炉及开心式气化炉四种类型。
6.5.1.1 下吸式气化炉
下吸式气化炉主要由内胆、外腔及灰 室组成。内胆又分为储料区及喉管区，储 料区即是燃料准备区，喉管区则是气化反 应区，储料区的容积、喉管区直径及高度 是气化炉的重要参数，直接影响气化效果 。气化炉下部炉栅以下是灰室，反应后的 灰分及没有反应完全的炭颗粒经过炉栅落 进灰室，可定期排灰；气化炉上部留有加 料口，物料直接进入到炉膛上部的储料区 。下吸式气化炉的进风喷嘴一般设在喉管 区的中部偏上位置，大多数下吸式气化炉 都是在微负压条件下进行，进风量可以调 节。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，热的可燃气排出 时，与进入风室的气化剂和气化炉储料区 内的物料进行热交换。
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生物质气化发电
—— 气化反应器
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6.5 气化反应器
将固体生物质燃料转化为气化气所用的设备称为气化器或 气化炉。气化炉是生物质气化系统中的核心设备，生物质在气 化炉内进行气化反应生成可燃气。气化炉可以分为固定床气化 炉和流化床气化炉两种类型，而固定床气化炉和流化床气化炉 又都有多种不同形式，如图所示。
6.5.1.3 横吸式气化炉
横吸式气化炉也称为平吸式 气化器，生物质原料从气化炉顶 部加入，灰分落入下部的灰室。 横吸式固定床气化炉的不同之处 在于它的气化剂由气化炉的侧向 提供，产出气体从对侧流出，气 流横向通过氧化区，在氧化区及 还原区进行热化学反应，反应过 程同其他固定床气化炉相同，但 是反应温度很高，容易使灰熔化 ，造成结渣，所以该种气化炉一 般用于灰含量很低的物料，如木 炭和焦炭等。
6.5.2.4携带床气化炉
携带床气化炉是一种不使用惰性材料作为流化 介质的特殊形式的流化床气化炉。气化剂直接吹动 炉中生物质原料，其流速较大，为紊流床，且在高 温条件下进行气化反应。因为携带床的床截面一般 较小，所以要求原料破碎成非常细小的颗粒，运行 温度高，可达1100，产出气体中焦油及冷凝成分少 ，炭转化率可达100%，但由于运行温度高，易烧结 ，气化炉炉体材料较难选择。
6.5.2.2循环流化床气化炉
与鼓泡流化床气化炉的主要 区别是，循环流化床流化速度较 高，燃气中含有大量的固体颗粒 ，在气化器出口处，设有旋风分 离器。未反应完的炭粒，经过旋 风分离器后，通过料腿，返回流 化床，再重新进行气化反应，提 高了碳的转化率。循环流化床气 化炉的反应温度一般控制在 600~900。它适用于较小的生物质 颗粒，在大部分情况下，可以不 必加流化床热载体。
6.5.1.4开心式气化炉
开心式气化炉结构与 气化原理与下吸式固定床 气化炉相类似，是下吸式 气化炉的一种特别形式。 它以转动炉栅代替了高温 喉管区，主要反应在炉栅 上部的气化区进行，该炉 结构简单，氧化还原区小 ，反应温度较低。
开心式气化炉结构原理图
6.5.2流化床气化炉
流化床气化具有气、固接触混合充分、温度均匀等优点。生物质流化床气化 研究比固定床晚许多。在流化床气化器中，采用惰性材料（如沙子）作为流化介 质来增加传热效率，也可采用非惰性材料（石灰或催化剂）促进气化反应。流化 床气化反应速度快，产气率高。流化床气化尤其适合水分含量高、热值低、着火 困难的生物质原料。 流化床气化与固定床气化相比较，具有以下优点： （1）流化床气化断面小，气化效率和气化强度较高； （2）流化床气化对灰分要求不高，可以使用粒度很小的原料； （3）流化床气化的产气能力可在较大范围内波动，且气化效率不会明显降低； （4）流化床使用的燃料颗粒很细，传热面积大，传热效率高，气化反应温度不 是很高且均衡，结渣的可能性减弱。 流化床气化与固定床相比也有不足之处 （1）产出气体的显热损失大 （2）由于燃料颗粒细，流化速度较高，故产出气体中的带出物较多； 流化床气化炉分为鼓泡流化床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床气化炉 、携带床气化炉四种类型；如按气化压力，流化床气化炉可分为常压流化床和加 压流化床。
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横吸式气化炉的结构原理图
横吸式气化炉的主要特点是有一个通过单管进风 喷嘴的高速、集中鼓风实现的高温燃烧区，在高 温燃烧区，温度可达2000以上，进风管需要用水 或少量的风冷却；高温区的大小由进风喷嘴的形 状和进气速度决定，不宜太大或太小。 横吸式气化炉的结构紧凑，启动时间短，负荷适 应能力强。但是燃料在炉内停留时间较短，影响 燃气质量；炉中心温度高，超过了灰分的熔点， 容易造成结渣，而且炉子还原层容积小，二氧化 碳转化为一氧化碳的机会变少，燃气的质量变差 。
6.5.2.5增压流化床气化炉
增压循环流化床气化炉的炉膛压力可以 高达0.5~2MPa。与常压循环流化床气化炉相 比，增压循环流化床气化炉的炉腔截面热强 度可提高10倍左右，在炉容量相同时，增压 循环硫化床炉的尺寸课显著减小，产生的高 压可燃气体无需升压可直接进入燃汽轮机发 电。
下吸式气化炉的结构原理图
生物质从气化炉的上部加入，新生物质落在物质最上层，处在干燥 区内，在这里由于受内胆的热辐射，生物质内的水分吸收热量被蒸发， 变成干物料。之后随着下部物料的氧化消耗向下移动到热分解区，热分 解区的温度高到可以让热分解反应发生干生物质开始发生热分解反应生 成炭、气体和焦油等。生成的炭随着物料的消耗而继续向下落入氧化区 。作为气化剂的空气，一般在氧化区加入。在该区，由热分解区生成的 炭与气化剂中的氧进行燃烧反应生成一氧化碳、二氧化碳，并放出大量 的热能，这是生物质气化全过程的保证。没有反应的炭继续下落进入还 原区。在还原区内二氧化碳被还原成一氧化碳；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。生成的可燃气流过炉栅进入外腔 后被导出。炉体中温度分布大致为：干燥区温度为100~300，裂解区温度 为500~700，氧化区温度达1000~1200，还原区的温度为700~900。 在干燥区和热分解区生成的一氧化碳、二氧化碳、氢气、焦油等产 物一起通过下面的氧化和还原区。由于氧化区温度高，焦油在通过该区 时发生裂解，变为可燃气体，因而下吸式气化炉产出的可燃气热值相对 较高，而焦油含量相对较低。
6.5.2.3双流化床气化炉
双流化床气化炉分为两个组成部分，即第一级反应器和第二级反应 器。在第一级反应器中，生物质原料发生热分解反应，生成气体排出后 ，送入净化系统。同时生成的炭颗粒分离后经料腿送入第二级反应器， 在第二级反应器中炭进行氧化燃烧反应，使床层温度升高，经过加温的 高温床料，通过料腿返回第一级反应器，从而为第一级反应器提供热源 ，双流化床气化炉碳转化率较高。 双流化床系统把 燃烧和气化过程分开， 两床之间靠热载体即 流化介质进行传热， 两床间需要有足够稳 定的物料循环量，以 保证有足够连续的热 量供气化吸热。
上吸式固定床气化炉结构 原理图
上吸式气化炉的炉栅有两种形式：1、转动炉栅；2、固定炉栅。转动炉栅有 利于除灰，但是由于炉栅的转动，增加了密封难度。上吸式气化炉一般在微正压 下运行，气化剂（空气）由鼓风机向气化炉内送入，气化炉负荷量也由进风量控 制。由于气化炉的燃气出口与进料口的位置接近，为了防止燃气泄漏，必须采取 特殊的密封措施，如连续运行则必须采用较复杂的进料装置。上吸式气化炉原则 上适用于各类生物质燃料，但特别适用于木材等堆积密度较大的生物质原料。 上吸式气化炉的主要特点是产生气体经过热分解区和干燥区时直接同物料接 触，可将其携带的热量直接传递给物料，使物料热解干燥，同时降低了产出气体 的温度，使气化炉的热效率有所提高；由于热解区和干燥区都有一定的过滤作用 ，因而从气化炉中出来的气体中灰分含量减少；上吸式气化炉对原料尺寸要求不 高，并可以使用较湿的物料（含水量可50%）；由于热气流向上流动，炉栅受到 进风的冷却，温度较下吸式的低，工作比较可靠。 上吸式气化炉有一个突出的缺点，就是在热分解区生成的焦油没有通过氧化 和气化区而直接混入可燃气体，这样产出的气体中焦油含量高，且不易净化。这 造成了燃料使用上的很大的问题。因为冷凝后的焦油会沉积在管道、阀门、仪表 及发动机的进气门上，破坏系统的正常运行。清除焦油的问题是有生物质气化技 术以来的一个技术难点。上吸式气化炉一般用在粗燃气不需冷却和净化就可以直 接使用的场合，在必须使用清洁燃气的场合，只能用木炭作为燃料。
生物质气化炉
固定床气化炉
流化床气化炉
下吸式气化炉
上吸式气化炉
流化床气化炉
循环流化床气化炉
横吸式气化炉
开心式气化炉
双流化床气化炉
横带床气化炉
6.5.1固定床气化炉
固定床气化炉是指物料相对于穿过物料层的气流处于静 止状态。一般情况下，固定床气化炉适用于物料为块状及大 颗粒原料。
优点：固定床气化炉制造简便，运动部件少。投资少，运行可靠，操 作比较容易，对原料种类和粒度要求不高，铡碎的物料自上而下加入炉 内。 缺点：内部过程难于控制；内部物质容易搭桥形成空腔；处理量少。