3内燃加热式气化炉的机构设计

3.1气化炉内旋转机构的设计

温度与滞留时间是决定气相反应程度的主要因素,文献[14]表明在700℃,滞留时间大于8 s时,气相反应基本结束。提高反应温度,有利于以产气为主要目的的气化过程的进行[7]。为调节物料在炉内的下落时间,通过控制电动机速度来控制旋转机构的转动速度,使物料缓慢滑落。气化炉内旋转机构的原设计因固定滑板不便于安装拆卸而不能采用,最终设计成如图3所示的无固定滑板的可拆卸结构。

电动机经齿轮传动带动气化炉内旋转机构转动。齿轮传动与电动机直接连接在轴端相比,可减少热量传递;与链传动、带传动相比,简化机构,可以在较低的速度下运行。

锥形滑板的倾角设计成45°;物料在滑板上滑落,再由电动机调速可调节物料的滞留时间,使生物质物料在炉内有足够的滞留时间,利于热量的传递,减少热解气中焦油含量[15]。

图 3内燃加热式气化炉简图

1.料斗2.回转阀3.催化剂入口4.过滤网5.锥形滑板6.蛇形管换热器7.耐火层8.气化区9.狭缝燃气通道10.裂解区11.保温层12.催化剂出口13.增湿器14.侧窗口15.出灰口16.调速电动机17.进水流量计18.换热器19.燃气引风机20.燃气取样阀21.止火器22.点火器23.空气流量计24.风量调解阀25.空气流量计26.废气引风机27.齿轮28.调速电动机

3.2蛇形管内燃烧换热装置的设计

采用燃气回流燃烧为气化供热,既减少空气需求量,又可提高燃气热值。回流燃气经过燃气回流调解阀、止火器与经过风量调解阀、空气流量计的空气混合后由电子打火器点燃燃烧,燃烧气体经过蛇形管向气化炉内传递热量。由于燃气燃烧温度非常高,最高温度可达1 200℃以上,所以对燃烧管的耐高温性能要求非常高,可采用0Gr25Ni20。燃烧火焰部位内衬陶瓷管,防止高温烧蚀。

热量传递方式有热传导、热对流和热辐射。实际的热量传递往往是2种或3种基本方式的组合。燃气回流燃烧向炉内传递热量方式为强制对流换热。回流燃烧换热管的尺寸设计根据水蒸气气化加部分燃气回流燃烧和空气-水蒸气气化加部分燃气回流燃烧两种情况计算,其计算方法相同。设一根燃烧换热管时,燃烧产生的废气最高温度为1 200℃,废气出炉温度为300℃,炉内燃烧管附近最高温度为1 000℃,最低温度为100℃,管壁平均温度比废气平均温度低100℃。

3.3气化炉压力控制和加料方式的选择与设计

气化炉采用平衡通风方式,燃气引风机抽动炉内气体运动,炉内压力为微负压,在炉体顶部安装安全阀,避免炉内压力过大。气化炉原设计采用螺旋进料机构,但由于炉顶的面积有限,不便于设计安装,故改用回转阀加落料管式加料法,该方法虽然密封性欠佳,但炉内的生物质气化需要一定量氧气,因而可满足工作要求。在工作过程中,通过调节各个阀门和电动机转速使系统平稳运行。

3.4狭缝燃气通道的设计

生物质气化区与催化裂解区之间设计有狭缝式燃气通道,该设计可使燃气与灰渣有效分离。当燃气由引风机抽动向上运动时,灰渣则由于自身重力作用向下运动;同时由于气体沿着圆筒壁做螺旋上升运动,作离心运动时灰渣碰到炉壁将滑落到炉体底部。另外使气化炉具有下吸式气化炉的优点,气化过程产生的可燃气中焦油含量低。

3.5监测系统设计

影响生物质气化的一个重要因素是温度,炉内最高温度约在1 000℃左右,采用镍铬镍硅热电偶来测量炉内温度,为了测量不同区域的温度,布置了多个测温孔,图3中“·”为测温点,各热电偶经过转换开关接到数字式毫伏表,可以观察不同区域的温度变化。燃气取样处采集的气样采用奥式气样分析仪在常温下对采样气进行分析。另外,在炉体上部安装有摄像头,以便于随时监测炉内的实时反应情况。

4结论

(1)本文设计炉的气化工作原理是结合下吸式固定床气化炉、干馏气化、空气气化、水蒸气气化和焦油的催化裂解的特点设计出的,气化产生中热值的气体。

(2)本实验炉有效地将生物质气化与焦油的催化裂解集于一体,提高了燃气热值,避免再为催化裂解单独提供热源,简化了生物质气化设备。

(3)设计炉内旋转机构的设计,延长了物料在炉内的停留时间,减少气化过程中焦油的产生,增强了气化效率。

(4)设计炉内蛇形管内燃烧换热装置的设计,减少了燃气中N2含量,提高燃气热值。

(5)设计炉内雾化增湿装置的,能够冷却生物质燃气,又提高燃气热值。