1、前言
近年來世界上IGCC領(lǐng)域里提出了一種高溫空氣氣化技術(shù)( High Temperature Air Gasificatton，簡(jiǎn)稱HTAG)，它采用1000℃以上的高溫空氣對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行氣化，獲得的燃?xì)饩哂袩嶂递^高、焦油和酚類的含量極低、對(duì)外界的污染很小等特點(diǎn)。日、美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開展了這方面的相關(guān)工作，并取得了初步的研究結(jié)果。我國(guó)在這方面的研究工作剛剛開始，一方面對(duì)生物質(zhì)高溫空氣氣化過程本身缺乏足夠的研究，另一方面還沒有一個(gè)較完善的可用于生物質(zhì)高溫空氣氣化研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；為提高我國(guó)生物質(zhì)高溫空氣氣化技術(shù)的研究水平，早日形成我國(guó)自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，有必要著手建立相關(guān)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架并開展有關(guān)研究工作。
高溫空氣發(fā)生器是生物質(zhì)高溫空氣氣化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而采用分級(jí)燃燒和高溫低氧燃燒技術(shù)相結(jié)合的燃燒器的合理設(shè)計(jì)，對(duì)高溫空氣發(fā)生器如何穩(wěn)定、廉價(jià)、最大降低污染產(chǎn)生高溫空氣有決定性的意義。為研制高溫空氣發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置，本文介紹了高溫空氣發(fā)牛器的工作原理及其特性，對(duì)其關(guān)鍵部件一燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析，并對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究表明燃燒器的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求且可行，
2、高溫空氣發(fā)生器工作原理及其特性
2.1工作原理
高溫空氣發(fā)生器主要由燃燒室、燃燒器、換熱器、四通閥、鼓風(fēng)機(jī)及排煙機(jī)等組成，其中燃燒室、燃燒器、換熱器各2個(gè)呈左右對(duì)稱布置，工作原理示意圖如圖1所示。高溫空氣發(fā)生器工作時(shí)，燃料在A側(cè)燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生1300℃左右的高溫?zé)煔�，高溫�(zé)煔馔ㄟ^蓄熱室時(shí)與蜂窩陶瓷蓄熱體進(jìn)行熱交換，蓄熱體被加熱，煙氣則被冷卻到120℃左右經(jīng)四通閥排人大氣中；與此同時(shí)，常溫空氣／蒸汽經(jīng)四通閥后進(jìn)入B側(cè)的蓄熱室，吸收蓄熱室中高溫蓄熱體中的熱量，迅速升溫到1000℃以上，加熱后的高溫空氣／蒸汽分成2部分，其中-大部分輸入到卵石床氣化器中用作氣化劑，另一部分用于A側(cè)燃燒室清潔燃?xì)獾娜紵�。�?jīng)過一段時(shí)間后進(jìn)行切換，B側(cè)燃燒，A側(cè)產(chǎn)生高溫空氣，切換周期為15～30s；為使高溫嫻氣的溫度得到控制，一般向燃燒側(cè)供以常溫空氣。
2.2高溫空氣發(fā)生器的特性
(1)低污染特性：高溫空氣發(fā)生器具有檄低的污染特性·其土要采用燃料分級(jí)和高溫低氧燃燒技術(shù)相結(jié)合，首先通過燃料分級(jí)降低一次生成NO
X。的濃度，再在燃燒室內(nèi)采取煙氣再循環(huán)進(jìn)一步降低氧的濃度以實(shí)現(xiàn)高溫低氧燃燒，在整個(gè)燃燒過程中NO
X，的生成得到了有效地抑制，因此，NO
X的排放濃度很低，僅(30～50)×10
-6。同時(shí)，高溫燃燒后的煙氣通過蓄熱體的快速冷卻有力的遏止了二惡英的形成；
(2)極限余熱利用：蜂窩陶瓷蓄熱體具有熱惰性小、換熱表面積大、傳熱性能好、阻力損失小、能實(shí)現(xiàn)極限余熱回收等特點(diǎn)，高溫空氣發(fā)生器采用蜂窩陶瓷薔熱體來作換熱部件，使排煙溫度在120℃左右，實(shí)現(xiàn)了極限余熱回收；
(3)冷端實(shí)現(xiàn)控制：針對(duì)不同生物質(zhì)燃料高溫氣化所需的高溫空氣量和壓力，可通過冷端調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)和排嫻機(jī)的開度來實(shí)現(xiàn)，井且在低溫端可以對(duì)整個(gè)燃燒進(jìn)行控制；
(4)采用高溫低氧燃燒和分級(jí)燃燒技術(shù)相結(jié)合降低了對(duì)燃料的要求，即燃用熱值很低的燃料仍然可獲得極好的燃燒效果。
3、燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論分析
燃燒器是高溫空氣發(fā)生器最重要的部件之一，也是最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之一，也是HTAG系統(tǒng)極限降低污染排放的關(guān)鍵部件。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)足如何設(shè)計(jì)形成分級(jí)燃燒，最重要的是如何達(dá)到高溫低氧燃燒的要求，即如何形成高速高溫空氣的噴入及高速的燃?xì)猓绾涡纬傻脱醯臍夥�，如何設(shè)置燃?xì)鈬娍诘奈恢谩８鶕?jù)文獻(xiàn)，采用分級(jí)燃燒的一次燃料與二次燃料的量需要滿足下式：
式中：M1、M2 分別為一次燃料與二次燃料的量，Nm
3／s。
高溫低氧燃燒主要是考慮預(yù)熱空氣的溫度達(dá)到800～1100℃，提高高溫空氣的流速到達(dá)一定的標(biāo)準(zhǔn)，使燃燒后的煙氣在燃燒室里能形成回流區(qū)，并且對(duì)燃料的流速也有·定的要求。根據(jù)文獻(xiàn)，一般情況下，要形成高溫低氧燃燒，燃料噴口的位置和高溫空氣噴口直徑需要滿足下式：
式中：D1 高溫空氣人口的直徑，m;
Dpci燃?xì)馊丝邳c(diǎn)與高溫空氣入口圓心的，距離，m。
并且，加入燃燒室的高溫空氣和燃?xì)獾牧魉贊M足一定的范圍，根據(jù)文獻(xiàn)．高溫空氣的流速為40～120m:/s，燃料氣體的流速為70～230m/s，
4、燃燒器的結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)
4.1燒嘴磚的設(shè)計(jì)
燒嘴磚是燃燒器部件中的最重要的零件，它是形成高溫低氧燃燒的關(guān)鍵。考慮燃料噴管位置的影響，并考慮到氣體高速流動(dòng)的阻力與其流速的半方成正比，故設(shè)計(jì)的燒嘴磚的結(jié)構(gòu)如圖2所示，上而流通空間為一倒圓臺(tái)，直徑分別為Ø70mm，Ø200rnm;下面為一空心圓柱，內(nèi)外直徑分別為Ø70mm、Ø11Ornm。由于燒嘴磚要承受1500℃左右的高溫，并且又得受到高速氣體的沖刷，邇得承受較大的壓力，故其材料采用莫來石質(zhì)。
4.2耐火材料的設(shè)計(jì)
在沒計(jì)燃燒器的耐火材料時(shí)，考慮到流過燃燒器的煙氣與高溫空氣的混合物其溫度…般在
1100℃左右，并且下端與高溫燃燒室相連接，燃燒室的燃燒溫度在1500℃左有，故內(nèi)層火面采用莫來石纖維制品，外層用普通硅酸鋁纖維作絕熱層。根據(jù)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，并結(jié)合整體設(shè)計(jì)的要求，確定莫來石纖維制品的厚度為130mm，普通硅酸鋁纖維層的厚度為70mm。
4.3燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)燃燒采用分級(jí)燃燒，根據(jù)公式(1)把一次燃料與二次燃料之比設(shè)計(jì)為1:9，一次燃料在燃燒器的上方約400mm處噴人。為形成二次燃料的高溫低氧燃燒，并且為使燃?xì)獬浞秩紵阉璧娜細(xì)夥殖?等份，從同一高度的4個(gè)點(diǎn)加入，并且4點(diǎn)同處在一個(gè)同心圓的圓周上，該圓的直徑大小與高溫空氣的人口圓的直徑之比滿足D/Dpcd的取值范圍。在這里首先設(shè)計(jì)為0. 314，根據(jù)公式(2)可知：Dpcd=220mm,D=70mm;在實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際運(yùn)行過程中可以根據(jù)需要自由調(diào)整Dpcd的大小。
整個(gè)設(shè)計(jì)中考慮到燒嘴磚的重量比較大，設(shè)計(jì)中耐火材料采用耐火纖維難以承受其整個(gè)重量，故在燃燒器殼體上設(shè)計(jì)一支撐鋼板。其燃燒器整個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，并且在它的兩邊設(shè)計(jì)了4個(gè)二次燃料人口，在殼體上焊接了4個(gè)二次燃料管的固定支架；為了防止高溫?zé)齑u與鋼板直接接觸，內(nèi)層莫來石纖維制品沒計(jì)成如圖3所示的形狀。
5、冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究
在高溫空氣發(fā)生器冷態(tài)實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)不同鼓風(fēng)機(jī)和排煙機(jī)開度下，氣體流過燃燒器和燒嘴磚時(shí)壓力損失，其大小見表1，從表1可看出，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中流過燃燒器和燒嘴磚的壓力損失不大，滿足實(shí)際運(yùn)行的需要，說明燃燒器和燒嘴磚的結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)是合理的。在實(shí)驗(yàn)中還可以發(fā)現(xiàn)，在氣體高速的沖刷下燒嘴磚沒有發(fā)生任何破損，并且選擇的耐火材料在被高速氣體沖刷后也沒有出現(xiàn)其它任何損壞和設(shè)計(jì)問題。實(shí)驗(yàn)是在氣體流量數(shù)倍于設(shè)計(jì)要求下進(jìn)行的，因此，可以確定燃燒器的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。
6、結(jié)論
本文概述了發(fā)展生物質(zhì)高溫空氣氣化( HTAG)系統(tǒng)的重要性，介紹了該系統(tǒng)中高溫空氣發(fā)乍器的工作原理及其特性，指出了對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)的必要性。對(duì)高溫空氣發(fā)生器中燃燒器的結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論的分析，對(duì)燃燒器和其關(guān)鍵零件一燒嘴磚進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)，為整個(gè)高溫空氣發(fā)生器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的建立奠定了重要的基礎(chǔ)，在高溫空氣發(fā)生器的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究表明該設(shè)計(jì)合乎要求。
