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秸稈氣化的設備及工藝原理

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農民朋友要在自己的村子應用秸稈氣化技術,首先得安置秸稈氣化設備

秸稈氣化的設備及工藝原理

秸稈氣化的設備根據氣化原理的不同可分為多個種類。下吸式固定牀氣化爐因具有結構簡單,工作穩定性好,可隨時加料並且氣體中的焦油含量少等優點,適宜氣化木材和農作物秸稈,和其他氣化方法相比更適合我國目前的生物質原料條件,而且這種設備投資並不大,一般一次性投資60萬元就可以供氣。操作方便,因此這種設備在我國應用最為廣泛。可安置在1000户左右的村子裏。

下吸式秸稈氣化供氣系統主要由原料處理系統、秸稈氣化機組、儲氣系統和燃氣輸送系統組成,把普通秸稈製成可燃氣的奧妙就在其中。下面我們按照典型的設備機組和制氣的流程來看一看秸稈氣到底是怎樣產生的。

1料處理系統-備料

對於秸稈等生物質原料的處理過程非常簡單,把秸稈風乾後,再根據氣化設備的具體要求,截取成適當尺寸的原料即可。

2秸稈氣化機組

我們要掌握秸稈氣化技術,有必要先了解秸稈氣化設備。

瓣準的下吸式固定牀氣化設備包括氣化爐,旋風除塵器,冷卻器,過濾器,分離器等淨化設備以及羅茨風機和儲氣設備。

2.1氣化爐

氣化爐就是熱解氣化的反應裝置,它也是秸稈氣化的核心設備。秸稈氣就在氣化爐中產生。

首先秸稈等生物質原料從爐口投入爐內,空氣可以由頂部進入,也可在喉管區加入,氣化劑與物料混合向下流動,在高温喉管區發生氣化反應。爐內的物料自上而下分為乾燥層、裂解層、氧化層和還原層。

在乾燥層中,秸稈原料受熱後蒸發出水分,其熱量來源於爐內反應熱。下吸式氣化爐乾燥層的温度一般在100-300℃之間。

隨後,幹物料同水蒸汽及氣化劑一同進入熱分解層,在該層內秸稈發生裂解反應,其揮發分溢出,固定碳和少量沒有反應的幹物料留在其中。該區的温度一般在400-600℃之間。

由於該層的温度條件,絕大多數焦油都是在這裏產生的。

然後碳和幹物料及其它產物,進入氧化層,發生燃燒反應。其中,一部分焦油在高温下裂解,因而下吸式氣化爐氣化後焦油較少。氧化層的温度為900-1100℃,碳和氧結合生成完全氧化產物二氧化碳或不完全氧化產物一氧化碳。

之後,氧化層的產物及沒有反應的碳進入還原層,由於還原層已沒有氧氣存在,上層反應產物中的一氧化碳及水蒸汽同碳發生還原反應,生成大量可燃性氣體一氧化碳和氫氣。

在還原反應後,產生的熱氣體經過與物料換熱後進入淨化系統。這時氣體的主要成分有一氧化碳、氫氣、二氧化碳、甲烷、水蒸汽、氮氣及少量的焦油和灰分,這裏面已經具有相當多的可燃性成份。不過,從氣化爐中產出的氣化氣要經過嚴格的淨化處理才能作為民用燃氣。

秸稈氣化機組中的旋風除塵器、噴淋淨化器、分離器和過濾器都是系統中的淨化設備。氣化氣的淨化過程主要是除去其中的固體顆粒、灰分、可冷凝物及焦油,從而得到適合家庭使用的潔淨燃氣。

2.2旋風除塵器

旋風除塵器是主要的除塵設備,氣化氣在旋風除塵器中旋轉流動,產生高速氣旋,氣流中的顆粒可以受到幾千倍於重力的離心力,除塵器可以把5微米以上的顆粒和雜質分離下來。

2.3噴淋淨化器

對於小於5微米的微粒將進入噴淋淨化器採用濕法分離。噴淋淨化是其中較為常見的方法。當氣體進入時,噴淋設備用霧化噴嘴將液體霧化成細小液滴,氣體是連續相與之逆流運動。氣體與它接觸時,大於1微米的微粒就被捕集下來,從而達到淨化的目的。

2.4分離器

除了灰塵顆粒外,焦油也是必須被儘量除去的物質。噴淋淨化除了可除去灰塵外,也可除去一部分的焦油,但做到這些還是不夠。接下來就是專門除去焦油的設備--分離器。分離器中使用粉碎的玉米芯或活性碳等具有很強吸附性的材料,當氣流穿過時其中的焦油就被會濾出來,這時的氣體可以説是比較潔淨了。

2.5過濾器

不過經過了旋風除塵和噴淋淨化後,氣流中還含有小於1微米的微粒,過濾器的作用就是去除這些更小的顆粒。過濾分離利用多孔體從氣體中除去分散固體顆粒,由於慣性碰撞、攔截、擴散等以及靜電力、重力等的作用,使懸浮於流體中的固體顆粒就能沉積於多孔體表面或容納於多孔體中了。過濾分離可將1-0.1微米的微粒有效地捕集下來,這就是各種分離方法中分離效果最好的一種。

2.6羅茨風機

經過上述的這些設備之後,氣化氣已完全達到了民用燃氣的標準,可通過羅茨風機將其送入儲氣設備中。羅茨風機是整個制氣系統的動力源,它非常重要,和人體中的心臟功能類似,氣化爐反應產生的可燃氣就是在羅茨風機的抽力下運動並最終進入儲氣設備的。在羅茨風機後安裝水底器和氣體監測管,這都是非常重要的輔助設備。下吸式秸稈氣化機組的設備就介紹完了,瞭解這些設備的作用,對掌握秸稈氣化原理,更好的運用秸稈氣化技術有很大的幫助。

3儲氣系統-儲氣罐

儲氣罐可以根據農村當地的條件,採用濕式或乾式兩種形式。

濕式又稱水封儲存法,即氣化氣在儲氣罐的上部,下部即以水封住,防止氣體逸出。當氣罐中的燃氣被使用時,可活動的部分以自身重力將燃氣不斷壓出。其中內部壓強不大,所以需要較大的貯存空間,設備投入較大。另外,濕式還有一點較大的限制,由於它由水來封存,所以在罐體氣温低於零度時便不能工作,在北方應用需要建在室內,否則冬季不能運行。

乾式氣罐相比之下有一定的優勢。氣體直接被壓入儲氣罐中,罐中一般具有4倍於大氣壓的壓強,當燃氣被使用時,它自身的氣壓就可以把燃氣輸送出去。乾式不僅受外界温度條件影響小,而且配套設施價格比較低,因此比濕式應用範圍更廣。

4燃氣輸送系統-管網

燃氣輸送至外管網,可採用水、煤氣鋼管和PE管兩種,前者造價低,PE管造價高但壽命長,各地農村可以根據當地條件,有選擇的安裝。一般農户家裏要使用鍍鋅管,並配煤氣表,由於秸稈氣熱值低,因而輸送管網直徑比城市用的煤氣大。

5其它常見氣化方法

根據不同地區原料條件的差異,科研人員又因地制宜,在標準下吸式固定牀氣化爐的基礎上開發出各種實用性很強的氣化設備。

5.1連續幹熘水煤氣法

這種連續幹熘水煤氣法也屬於下吸式固定牀氣化爐的一種。與上面介紹的下吸式氣化爐不同之處在於,這種設備的制氣工藝是正壓式連續乾餾水煤氣工藝技術。在氣化反應中,除進行缺氧燃燒氣化反應外,由於爐體結構借鑑了二段式煤氣發生爐,因此在氣化反應的同時產生富含甲烷等熱值很高的乾餾氣。與此同時在氣化過程中用爐體自身冷卻水產生的蒸汽和空氣作為氣化劑,蒸汽的介入使爐內產生水煤氣反應,所以燃氣熱值高,可以廣泛應用於人們日常生活,供熱採暖以及工業爐窯等。整套設備投資比較少,一次性投資二是幾萬就可以建成給上百户人家供氣的設備。可以説實用價值高,特別適合於人口數量較少的中小型村落應用。

5.2綜合熱解氣化法

這是一種綜合利用生物質的技術路線,在普通下吸式固定牀氣化爐設備的基礎上添加專用於生產木炭的設備。這種技術路線主要以木屑為原料,不但可以生產出優於城市煤氣的可燃氣,而且還可以產出可直接出售的優質木炭和木焦油。所以以這種技術興建的氣化工程具有明顯的經濟效益。產生出的可燃氣熱值高,無雜質,是一種清潔優質的燃氣,作為民用燃氣非常理想,並且使用的原料廣泛,任何生物質都可以作為原料。不過這種秸稈氣化技術投資比較高,全套設備投入需要100多萬元。這種技術路線非常適合在林區等具有豐富的木質原料的地區使用。