一种恒密度生物质气化炉

本发明属于生物质气化炉技术领域，尤其涉及一种恒密度生物质气化炉。

背景技术：

众所周知，生物质是一种可持续获得的绿色资源，是我国能源结构转型、治理大气污染、减少co2排放可依赖的资源获取渠道。但由于生物质资源分散，堆密度较小，收集运输困难，大部分生物质未得到妥善使用。目前在我国，农业随意焚烧或丢弃秸秆，化肥过量、低效使用，均造成了严重的环境污染，并耗费了地方政府很大精力。要彻底解决上述难题，急需一种可大规模推广的生物质高值化处理技术-生物质气化技术。

生物质气化是以生物质为原料，以氧气(空气、富氧性气体或纯氧等)、水蒸气或氢气等气体为气化剂，在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃烧的物质转化成可燃烧气体的过程。气化技术与直燃技术最根本的区别在于气化过程中需要限量供应上述几种气化剂。生物质气化产生可燃气的主要可燃成分为co，h2，ch4，还有极少量的cnhm(n>1)。生物质气化除了产生可燃气外，还会产生一定量的副产物，如生物炭、焦油等。它可将低品位的固体生物质转化成高品位的可燃气体，从而可广泛应用于工农业生产的各个领域，尤其适用于乡村冬季取暖和中小企业用热能。

生物质燃气可直接送入锅炉等用能设备燃烧利用，或冷却净化后送入内燃发电机组发电。

生物炭由于富含大量微孔和中孔，与氮磷钾等一起制成炭基肥，可以实现肥料缓释和土壤保水以及污染土壤的修复，与高分子材料制成的缓释剂相比，生物炭价格较低，且完全来自于生物质自身，不会对土壤带来任何危害，长期施用，会显著改善土壤状态，提高土壤肥力。

生物质气化利用可包括气化供气技术、气化供热技术、气化发电技术和气化制氢技术等。目前生物质气化技术发展较快，主要以气化供气和供热为主向气化发电、冷热电多联产等大型生物质气化装置方向发展。中小型生物质气化装置发展缓慢。

生物质气化利用虽然较广阔，但生物质气化还不能大量推广，主要影响生物质气化发展的因素有：

(一)燃料因素：

生物质原料多种多样，有木质和草本类，城市有机垃圾和动物粪便等。虽然中国可利用的生物质资源较丰富，但是燃料分布广泛且不均匀，大型生物质气化装置需花费较高的生物质存储和运输成本，大大增加了生物质气化过程的燃料成本，同时因农民获利不大，积极性不高，造成燃料供应不足也制约着大型生物质气化的发展。现有中小型生物质气化装置虽然可就地取材，但是还没有一种原料适应性强，运行稳定可靠的气化炉型；现有生物质气化炉型多以成型燃料等高能量密度的燃料为原料，成型燃料的加工过程也存在耗能高、存储和运输成本较高，最后燃料成本大大增加，限制了中小型家用气化装置的大量推广。

(二)可燃气净化因素：

目前大型生物质气化装置的气化产气，均需要净化工艺处理，生物质气化技术的净化分为干式和湿式，干式主要去除其中的粉尘和颗粒，湿式主要去除焦油和少量的微细颗粒。目前气体净化技术还不成熟，气化效果不明显，焦油去除难度较大，容易引起二次污染，净化的成本还相对较高。中小型生物质气化装置采用净化处理成本高，经济实用性差；一些炉型采用简易净化处理，焦油的二次污染严重，实用性差。

下吸式气化炉是一种目前最有前景的生物质气化装置，其结构使可燃气必须通过高温氧化区，利于焦油进一步裂解，燃气中焦油含量比上吸式显著减少。下吸式气化有两种类型，一种是采用抽风的方式，气化炉在负压下运行，由于气化产生的高温燃气含有酸性物，对风机有很强的腐蚀，而且燃气中因含有焦油，容易造成管道堵塞。一种是采用鼓风方式，气化炉在正压下运行，加料口需要密闭。鼓风方式的气化炉因结构简单、不需要选用高温风机投资少；可燃气热值高且焦油含量低，而被更多选用。

下吸式固定床气化过程从上至下主要分为4个反应区：干燥区、热解区、氧化区和还原区。

(1)、干燥区：生物质中的自由水和结合水蒸发，含水率由5％～35％降至5％以下，干燥区的温度为30～200℃。

(2)、热解区：生物质在缺氧的条件下裂解产生大量不可冷凝的可燃气(co、h2、ch4等)和可冷凝的焦油，温度范围为200～600℃。

(3)、氧化区：气化剂在这个部位送入气化炉，生物质炭与供给的氧气燃烧产生co2，部分裂解产生的h2也会与氧气反应生成水，这两个氧化反应会产生大量的热量，若氧气的供应量不足以使炭完全转化为co2，那么炭也会因部分氧化产生co，温度为800～1200℃。由于焦油随着可燃气往下移动，必须经过高温氧化区，因此焦油会发生二次裂解。

(4)、还原区：在800～1000℃以及缺氧的环境下，会发生多个吸热的还原反应，增加可燃气中co、h2、ch4的含量，提高产气热值。

生物质气化的原料形态包括原料形状和尺寸(粒径)，对生物质热解气化过程及产物分布有着重要影响。研究发现随着物料堆积密度的提高、可燃气的热值成倍升高；可燃气产量也增加。

下吸式生物质气化炉运行时，随着反应的进行，生物质的料层缓慢下移，以维持下部的氧化层与还原层稳定的运行。但是现有下吸式气化炉型实际运行时生物质的料层没有适当的向下驱动力，且气化剂配风口为定向设置，易造成炉体截面氧化层、还原层的形状不规则，料层下移不一致。又燃料堆积有堆积角度的束缚，致使炉体内燃料易发生架桥和烧穿现象，影响炉内热化学反应的效率，而且容易使床层局部过热(飞温)，因此现有气化炉型适用的燃料被限于堆积密度大、颗粒度小、堆积角度小的，严重限制了原料选用，提高了生物质气化的运行成本。

为满足不同区域用户的需求，扩大生物质气化炉的原料类型，降低运行成本，是确需认真解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种恒密度生物质气化炉，能够使燃料层平稳下降并提高料层的密实度，进而消除料层架桥现象，使反应均衡。

一种恒密度生物质气化炉，包括炉体1，且炉体1的顶部设有活动炉盖2，内部设有将炉体1划分为燃料室和生物炭室3的炉栅6，同时，所述燃料室的内部空间从上至下划分为储料区11和反应区12，所述活动炉盖2上设置有压料机构，其中，所述压料机构包括驱动装置5和压料盘21，所述压料盘21用于在驱动装置5的驱动下，向储料区11中的生物质燃料提供向下的恒定压力。

进一步地，所述生物质燃料为不同尺寸、不同种类以及不同软硬度的颗粒形成的混合物时，压料盘21用于在驱动装置5的持续驱动下，采用持续加压的方式向生物质燃料提供恒定的压力；所述生物质燃料为品种单一且颗粒均匀的颗粒料时，压料盘21用于在驱动装置5的间歇驱动下，采用间歇击打的方式向生物质燃料提供恒定的压力。

进一步地，所述恒定压力的大小根据气化炉炉顶的当前温度和期望温度确定。

进一步地，所述驱动装置5为气缸或液压缸。

进一步地，一种恒密度生物质气化炉，还包括从气化炉下部的生物炭室3穿过炉栅6而进入反应区12的喷嘴13，其中，所述喷嘴13包括进气管7、自旋转喷头8、挡料板9以及喷嘴轴10；

所述进气管7一端伸出生物炭室3以接入气化剂，另一端套接自旋转喷头8后，穿过炉栅6进入反应区12；所述自旋转喷头8的内部设置有喷嘴轴10，且自旋转喷头8与喷嘴轴10之间为径向非接触密封间隙配合，同时，所述喷嘴轴10的一端内嵌于进气管7，另一端安装用于阻挡受压下落的生物质燃料的挡料板9；

所述自旋转喷头8外侧壁的圆周方向上向外延伸有三个以上的喷管，其中，各喷管等间距分布，同时，各喷管的喷气方向与自旋转喷头8的轴向之间的夹角相同，且均小于90°，使得自旋转喷头8在各喷管喷出的气化剂射流的侧向推力下发生自旋。

进一步地，一种恒密度生物质气化炉，还包括进风管道4；

所述进风管道4一端连接鼓风机43，另一端连接进气管7，以此向反应区12输入气化剂。

进一步地，所述进风管道4上还设置有电点火器41和压力表42；

所述压力表42用于测量进风管道4中气化剂压力；

所述电点火器41用于在气化炉的点火阶段通电，使得经过电点火器41的气化剂被加热，再将加热后的气化剂经由喷嘴13送入反应区12。

进一步地，所述鼓风机43的转速根据气化炉炉内的当前温度和期望温度的偏差确定。

进一步地，所述生物炭室3底部设置有排碳口31，侧壁设置有燃气排出管道32。

有益效果：

1、本发明提供一种恒密度生物质气化炉，通过在活动炉盖上设置的压料机构，给炉内储料区的生物质燃料一个持续的自上而下的压力或断续的冲击击打作用，使得燃料层平稳下降，消除了料层架桥现象；同时，本发明的压料机构还可以提高料层的密实度，使反应均衡，并提高焦油裂解效率；此外，本发明除装填生物质原料和排生物炭外，其余操作过程易实现自动控制，极大降低了运行成本，经济适用性更好，攻克了影响生物质气化长周期稳定运行的最大障碍。

2、本发明提供一种恒密度生物质气化炉，通过在反应区中布置自旋转喷嘴，且喷嘴与进风管道相连通，使得气化剂从中心方向均匀进入反应区，使氧化层、还原层稳定均衡，消除了烧穿现象，提高了气化时间周期、气化效率以及焦油裂解效率；此外，本发明可以通过适当提高炉体的高度，使物料在炉内有足够的滞留时间，从而保证气体和物料有较长的接触时间。

3、本发明提供一种恒密度生物质气化炉，气化剂的供给是靠与进风管道相连的鼓风机的鼓风实现的，且生物质原料的下移和燃气流动的方向一致，原料干燥的干馏产物全部通过氧化层，产生的大部分焦油可以在高温下被分解，气体中的焦油含量相对较少，水也反应生成可燃气体；因此，本发明的气化炉燃烧充分，不会产生黑烟，不需要除尘装置，使用灵活便利，达到减少环境污染和保护人民身体健康和生态环境的目的；同时，本发明结构巧妙，反应层高度变化不大，工作稳定性好，在工作中即使气缸密封泄露，也可视为气化剂的第二加入点，不会对气化炉反应有影响，且对原料的湿度和粒度要求比较低。

附图说明

图1为本发明的恒密度生物质气化炉结构的主视图；

图2为本发明的恒密度生物质气化炉结构的侧视图；

图3为本发明喷嘴的爆炸等轴示意图；

图4为本发明喷嘴的剖视图；

图5为本发明自旋转喷头的俯视图；

图6为本发明喷嘴与进风管道的连接示意图；

1-炉体、2-活动炉盖、3-生物炭室、4-进风管道、5-驱动装置、6-炉栅、7-进气管、8-自旋转喷头、9-挡料板、10-喷嘴轴、11-储料区、12-反应区、13-喷嘴、21-压料盘、22-温度计、31-排碳口、32-燃气排出管道、33-阀门、34-可燃气燃烧器、35-热水器、41-电点火器、42-压力表、43-鼓风机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明目的是提供一种燃料层恒密度下移，气化剂自炉体中心自动旋转喷嘴进气，布气均匀，各反应层反应持续稳定，产气效率高的恒密度生物质气化炉。其中，燃料因素和可燃气净化因素是限制生物质气化技术发展的关键因素，本发明就是为解决两大制约气化技术发展的因素而进行的设计研究，特别是针对中小型家用生物质气化装置。首先，本发明通过气化炉中某种机构使炉内装填的生物质在气化反应过程中始终保持恒密度且持续参与反应，将炉内生物质的密度压缩至介于成型燃料与松散燃料之间一个合适的范围，配合均匀的气化剂布风系统，既能实现长周期气化反应又不需要增加大的燃料成本，可实现生物质就地就近利用；其次，本发明气化产出的可燃气直燃，将产出可燃气中的焦油在其气态下燃烧掉，保障不会有二次污染的可能，因可燃气不需要降温净化处理，整体热效率高，这也是中小型家用生物质气化装置切实可行的应用方式。

具体的，如图1、图2所示，一种恒密度生物质气化炉，包括炉体1，且炉体1的顶部设有活动炉盖2，内部设有将炉体1划分为燃料室和生物炭室3的炉栅6，同时，所述燃料室的内部空间从上至下划分为储料区11和反应区12，所述活动炉盖2上设置有压料机构，其中，所述压料机构包括驱动装置5和用于压实气化炉内生物质燃料的压料盘21，所述压料盘21用于在驱动装置5的驱动下，向储料区11中的生物质燃料提供向下的恒定压力，使生物质保持恒定密度。

需要说明的是，生物质气化是不完全的可控燃烧。可燃物既是生物质燃料，助燃物在此是生物质气化剂，包括氧气(空气、富氧性气体或纯氧等)、水蒸气或氢气等，着火温度是指不同生物质燃料氧化反应所需的最低温度，要想生物质气化反应发生，三要素(可燃物、助燃物和着火温度)必须同时存在缺一不可。

也就是说，本发明从生物质气化炉系统角度出发，为满足生物质气化反应三个必要条件——可燃物、助燃物和着火温度，首先将生物质燃料由自然堆积被动下移变更为动力驱动下移，这一改变是生物质气化全新的设计理念，从追求生物质燃料的挤压或打包预处理，来达到增加燃料堆积密度变更为在气化炉内通过加压来增加燃料堆积密度，使其达到适宜的密度范围，保障气化反应的产出气热值也是适宜的。其次，本发明的气化炉内压料机构，不仅增加燃料堆积密度，而且更关键的是保证气化炉内燃料分布密度恒定，消除了自然堆积存在的架空等分布不均现象，能够很好实现生物质气化过程的一致性，因此大大扩展了生物质燃料的类型，也极大降低了运行成本，经济适用性更好，攻克了影响生物质气化长周期稳定运行的最大障碍。

需要说明的是，对于本发明气化炉的压料机构，可以根据不同燃料类型确定压料机构压力大小，以实现经济适宜的生物质燃料堆积密度或保证燃料堆积均匀。按照本发明的设计理念，对尺寸不一、品种繁杂的松散或软硬混杂的燃料，采用持续加压的方式来保证燃料密度恒定且均衡的下移，使氧化层等各反应层分布均匀，层次分明，气化反应持续稳定；对堆积密度大，品种单一颗粒均匀的颗粒料，采用断续击打的方式，消除气化过程中的架桥和烧穿现象，保证气化反应持续稳定。

此外，本发明的压料机构的气缸或液压缸是专门设计的，为抵抗气化炉高温对缸体密封的影响，巧妙采用硬密封结构。利用合理的向炉内泄露量起到润滑、降温的效果，泄露的空气或水也可作为气化剂参与生物质气化，一举两得。更为重要的是，压料机构与活动炉盖之间是静密封，密封性能好，没有可燃气体的泄露，气化炉的安全性高。

进一步地，为满足生物质气化第二个必要条件，本发明气化剂的进气方式是崭新的方式，采用自动旋转喷嘴。对中小型生物质气化炉来讲，气化剂主要是空气、空气和水蒸汽，现有下吸式生物质气化炉鼓风进气方式为固定式喷嘴，对称布置两个或多个，其存在固有缺陷就是气体分布不均，造成氧化层不规则，各反应层分层不明晰。

具体的，如图1所示，喷嘴13从气化炉下部的生物炭室3穿过炉栅6而进入反应区12的中部；如图3、图4所示，所述喷嘴13包括进气管7、自旋转喷头8、挡料板9以及喷嘴轴10。

所述进气管7一端伸出生物炭室3以接入气化剂，另一端套接自旋转喷头8后，穿过炉栅6进入反应区12；所述自旋转喷头8的内部设置有喷嘴轴10，且自旋转喷头8与喷嘴轴10之间为径向非接触密封间隙配合，同时，所述喷嘴轴10的一端内嵌于进气管7，另一端安装用于阻挡受压下落的生物质燃料的挡料板9；如图5所示，所述自旋转喷头8外侧壁的圆周方向上向外延伸有三个以上的喷管，其中，各喷管等间距分布，同时，各喷管的喷气方向与自旋转喷头8的轴向之间的夹角相同，且均小于90°，使得自旋转喷头8在各喷管喷出的气化剂射流的侧向推力下发生自旋。

需要说明的是，自动旋转喷嘴旋转的基本原理是借助于空气射流侧向推力造成喷嘴自动旋转，也即空气射流产生的反冲力矩克服旋转喷嘴与轴之间的摩擦力矩后驱动喷嘴旋转，使喷嘴套具有旋转动量矩。径向非接触式密封允许间隙中有极小的漏失量，起到润滑、减小摩阻的作用，漏失量的大小主要依靠密封缝隙造成一定的流动阻力来控制。缝隙中的流动阻力受缝隙的结构形状和漏失量、流态的影响。同时，自动旋转喷嘴上方设有挡料板，是为了阻止受压下落的燃料卡死喷嘴。

也就是说，本发明的气化炉炉体1包括设置在其上部的储料区11和设置在储料区11下方的反应区12，反应区12中部的中心设有自旋转喷嘴的进气口，且进气口与进风管道4相连通，使得气化剂从反应区12的中部进入气化炉主体，在进气驱动下喷嘴自行旋转，使气化剂沿圆周方向均匀进入反应区，提高了气化效率；另外，采用这种结构可以提高空气进入气化炉的速度，使其尽快到达反应区，使反应均衡，同时焦油裂解效率提高。

需要说明的是，本发明的自动旋转喷嘴设置在气化炉气化的反应区，此处反应区一般包括氧化区、还原区和热解区。喷嘴位置为氧化区，其上为热解区，其下为还原区。自动旋转喷嘴进气方式实现了圆周均匀布气，在气化炉筒体一定的情况下，通过调整进气压力，可实现氧化层形状的改变，依调节气化强度的大小。因该种布风方式布风均匀，氧化层形状规则、清晰，与还原层和热解层之间的分界明晰，能够保障生物质气化炉内气化过程的长周期稳定运行。

进一步地，如图6所示，在与自动旋转喷嘴相连接的进风管道上串联鼓风机43、压力表42以及电点火装置41，在气化炉点火阶段，点火装置通电，进气经过电点火装置被加热。热空气再经过自动旋转喷嘴分布到生物质燃料中气化反应开始。点火时间一般不会超过3分钟，稳定的氧化反应层建立后，电点火装置断电，气化炉气化反应进入正常运行状态。可选的，点火装置41与所述进风管道4为一体式串联结构。

此外，鼓风机43外置，同时为气化炉提供进气和为气缸提供驱动气体；进风管道4上设有与鼓风机43相连的进气管和电点火装置；生物质原料的下移和燃气流动的方向一致，原料干燥的干馏产物全部通过氧化层，产生的大部分焦油可以在高温下被分解，气体中的焦油含量相对较少，水也反应生成可燃气体。

进一步地，着火温度是燃烧三个必要条件之一，气化炉保温也是必须的。因此，本发明的气化炉采用三层结构来进行保温，最内部耐火层，中间为珍珠岩，炉体外部再涂保温漆一层，可以使气化炉表面温度保持在50℃以下。

需要说明的是，本发明恒密度生物质气化炉生物质气化-燃烧系统采用气化后直接燃烧的方式利用生物质燃料，由于燃烧部分用的是生物质可燃气，因此燃烧充分不会产生黑烟，不需要除尘装置，而且负荷调节范围宽，使用灵活便利。通常利用锅炉直接燃烧生物质，燃料热效率通常仅15％，采用生物质气化后燃烧，由于生物质可以被充分气化，生物质资源的利用效率可以提高到70％以上。完全实现高效、清洁燃烧，从根本上解决农村生活能源消耗和环境污染高的问题，达到减少环境污染和保护人民身体健康和生态环境的目的。

同时，本发明恒密度生物质气化炉控制系统的控制目标是将生物质能的转换效率最大化，提高并保证可燃气体的质量。影响气化炉转换效率的因素有很多，但主要取决于气化炉4个处理过程的温度区间；气化炉生成的可燃气体质量主要反映在其含氧量高低。因此，生物质气化炉系统控制所要解决的问题主要在于如何将炉内温度稳定在最佳区间及怎样降低最终可燃气体的含氧量。

因此，为了稳定气化炉炉顶温度和降低出口处可燃气体的含氧量，对生物质燃料压料机构的压力与空气的投放量分别进行控制。根据气化炉炉顶当前温度和温度设定值，预测最优的生物质物料压料机构的压力；对压料机构的下料速度进行跟随控制，达到精确下料和稳定炉温的目的。空气的投放量以空气进风量作为主要调节手段，因为进风量不仅影响着可燃气体含氧量，还影响着气化炉温度，所以根据炉内炉温偏差推算出鼓风机的最优转速；根据推算出的最优转速对鼓风机速度进行跟随控制，确保鼓风机转速。

综上，在本发明中，活动炉盖2设置在气化炉主体的上方，且其中部设有一压料盘21，通过该压料盘21对气化炉内生物质原料施加向下的压力，压实原料的同时也消除了可能的架桥现象，并保持生物质恒密度下移参与气化反应。另外，在气化炉炉体1与生物炭室3之间设有一炉栅6，反应完成的生物炭通过炉栅6进入生物炭室3，未反应完的生物质继续在反应区12中反应。在生物炭室3的下部设有可封闭的排炭口31，负责将积存的炭烬排出。除此之外，生物炭室3上还设有与其相连的燃气排出管道32，负责将反应产生的生物质燃气排出。

需要注意的是，进风管道4与气化炉炉体1的炉壁为一体式结构，方便加工的同时也保证了进气管道4与气化炉炉体1之间的气密性。除此之外，进气管道上设置了电点火器，通过电点火器加热进气快速点燃气化炉，保证了气化炉点火启动的可靠性。可选的，进风管道4由两条进气支管构成。

本发明在使用时，首先，物料填充到到气化炉主体中，并在气化炉主体中的储料区11进行干燥处理；然后，经过干燥处理之后的生物质在压料机构的压迫下进入反应区12，完成生物质的准备；接着，通过进气管道中电点火器通电加热控制热解反应开始，配合从喷嘴13进入反应区12的空气进行热解反应，产生生物质燃气；最后，产生的燃气由燃气排出管道32引导离开气化炉主体并加以使用。在这个反应过程中，气化炉主体中的生物质反应产生的炭烬可通过排炭口31进行定期的清除。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。