1、高温空气发生器实验台的研制第 26 卷第 3 期2005 年 6 月太阳能A(AENERGIAESOLARISSINICAVo1.26.No.3July,2005文章编号:11254-OO96(2005)03-0391-05高温空气发生器实验台的研制曹小玲,苏明,刘永文,王玲玲 2,王方(1.上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200030;2.上海杰蒂玩具有限公司,上海 201:202;3.河南省科学院能源研究所,郑州 450008)摘要:指出了发展生物质高温空气气化系统的必要性 ,介绍了其关键技术一高温空气发生器的工作原理;对高温空气发生器关键部件的结构设计进行了详细阐述,建立了高温空气
2、发生器实验台,并在此装置上进行了冷态实验.实验结果表明:高温空气发生器可以正常稳定运行 ,整体性能满足设计要求,并且获得了重要的性能参数,为掌握高温空气性能并深入研究生物质高温空气气化系统作好了充分的实验准备.关键词:生物质;高温空气气化;冷态实验中图分类号:TK51 文献标识码:A0 概述近年来世界上燃料利用和能源供应领域内提出了一种高温空气气化技术(HighTemperatureAirGasification,简称 HTAG),它采用 1000C 以上的高温空气对生物质进行气化_】j,获得的燃气具有热值较高,焦油和酚类的含量极低,对外界污染小_4 等特点,日,美,欧等发达国家相继开展了这方
3、面的相关工作,并取得了初步的研究结果.在生物质高温空气气化系统中,高温气化的特性主要是通过高温空气来实现的,因此,高温空气发生器性能的好坏对生物质高温空气气化系统整体性能有着至关重要的影响,无疑高温空气发生器是该系统的关键技术.我国在生物质高温空气气化方面的研究工作刚刚起步,一方面对生物质高温空气气化过程本身缺乏足够的研究,另一方面还没有一个较完善的可用于生物质高温空气气化研究的实验系统;为提高我国生物质高温空气气化技术的研究水平,早日形成我国自主的知识产权,有必要着手建立相关实验台架并开展有关研究工作.本文即在此背景下建立了高温空气实验台,并进行了相关的实验研究.收稿日期:2003064)5
4、基金项目:国家高技术研究发展计划专项经费资助(2001AA514013)煤空高温空气B 便 0图 1 高温空气发生器工作原理不意图Fig.1Sketchmapofhightemperatureairgeneratorsworkprinciple1 高温空气发生器工作原理高温空气发生器主要由燃烧室,燃烧器,换热器,四通阀,鼓风机及排烟机等组成,其中燃烧室,燃烧器,换热器各 2 个,呈左右对称布置;工作原理示意图如图 1 所示_】.高温空气发生器工作时,燃料在 A 侧燃烧室内燃烧,产生 1300C 左右的高温烟气,高温烟气通过换热器时与蜂窝陶瓷蓄热体进行热交换,蓄热体被加热,烟气则被冷却到392
5、太阳能 26 卷120C 左右经四通阀排人大气中.与此同时,常温空气经四通阀后进入 B 侧的换热器,吸收换热器中高温蓄热体中的热量,迅速升温到 1000C 以上,加热后的高温空气分成两部分,其中一大部分输入到卵石床气化器中用作气化剂,另一部分用于 A侧燃烧室清洁燃气的燃烧.经过一段时间后进行切换,B 侧燃烧 ,A 侧产生高温空气,切换周期为 1530s;为使高温烟气的温度得到控制,一般向燃烧侧供以常温空气.2 高温空气发生器的基本要求高温空气发生器主要由耐火材料,钢板壳体及附件组成,在整个生物质高温空气气化系统中,它主要是稳定地提供 1000以上的高温空气,概括地说它的任务是:采用高温空气燃烧
6、技术通过燃料燃烧获得高温烟气,高温烟气加热蓄热体,并通过高温蓄热体加热常温空气,使之成为高温空气.从整个系统性能出发,对高温空气发生器有以下几个要求:1)在燃烧器和燃烧室中采用分级燃烧及炉内烟气循环形成高温空气燃烧,使燃烧污染物排放含量达到国家排放标准,燃烧后的烟气通过常温空气的冷却后其温度不超过 1500;2)整体设计要求:通过冷端调节排烟机,鼓风机的开度,在分流出口处空气的流量和压力满足系统设计需要,即空气流量约 0.053Nm3_6J,绝对压力约为 0Pa 左右;3)耐火材料的设计要求:耐火材料在高温空硅酸铝气和烟气的高速冲刷下能经常工作,特别是在高温空气和烟气中含湿度比较大的情况下,火
7、面耐火材料不会出现任何情况的损坏,高温空气发生器的壳体壁面温度最高不能超过 70C;4)控制系统设计要求:首先要通过控制电路的设计,能周期地对四通阀,冷却空气的通断和燃料的加入进行控制,再是精确地控制燃料量,鼓风机和排烟机的开度,冷却空气量等,使排烟温度在120C 左右,分流出口高温空气的温度在 1000以上,燃烧室里燃烧温度不超过 1500C;5)设计高温空气发生器的关键部件时应考虑尽量减少管路的流动阻力,特别是气体在烧嘴砖和换热器的流动阻力.3 高温空气发生器关键部件结构3.1 分流装置这一装置的作用主要是把高温空气分成两部分,一部分进入燃烧室进行高温燃烧,另一部分进入气化器与生物质进行高
8、温气化.这里可以通过调整鼓风机与排烟机开度的方法来达到分流的目的.为此,设计通入燃烧器及气化器的通道截面积相等,截面形状都为 200mm200mm 的正方形,其面积为 0.04m2.为减少流动阻力及流体冲击力对压力调整的影响,在通道的直角拐弯处设计成流线形状,分流装置结构见图2.在分流装置的正中间设置一热电偶,用以测量高温空气的温度,由于高温空气的温度在 1000C 左右,故采用 K 分度的热电偶,其长度为 250mm 左右.图 2 分流装置结构示意图Fig.2SketchmapofShuntdevicesstructure3 期曹小玲等:高温空气发生器实验台的研制 3933.2 燃烧装置整个
9、燃烧首先采用分级燃烧,根据设计要求把一次燃料与二次燃料之比设计为 1:9,一次燃料在燃烧器的上方喷人.再为形成二次燃料的高温空气燃烧,并且为使燃气充分燃烧,把所需的燃料气分成四等份,从同一高度的 4 个点加入,并且 4 点同处在一个同心圆的圆周上,该圆的直径大小与高温空气的人口圆的直径之比满足 D/D(D 为高温空气人口的直径,D 为燃气人口点与高温空气人口圆心的距离)的取值范围.在这里首先设计 D/Dpod=0.314,根据计算可知:D=220mm,D=70mrn; 在实验和实际运行过程中可以根据需要自由调整 D 的大小.考虑到整个设计中烧嘴砖的重量比较大,设计中采用的耐火纤维难以承受其整个
10、重量,故在燃烧器壳体上设计一支撑钢板.其燃烧器整体结构见图3.并且在它的两边设计了 4 个二次燃料人口,在壳体上焊接了 4 个二次燃料管的固定支架;为了防止高温烧嘴砖与钢板直接接触,内层莫来石纤维制品设计成如图 3 所示的形状.3.3 燃烧室由于小空腔内高温空气燃烧火焰的长度没有精确的计算公式,故设计中采用较为接近高温空气燃烧的湍流燃烧火焰长度计算方法来计算其火焰的长度.根据设计计算可得火焰长度约为 0.4m,考虑富余量设计燃烧室的长度为 0.6m.由于高温空气燃烧火焰长度的不确定性,需要考虑较多的富余量,根据设计要求取燃烧室的总长度为 1m.燃烧室设计成两段,其中与燃烧器相连接的一段长为 0
11、.6m,另一段为 0.4m;并且两段用法兰连接起来,这样实验过程中可以根据需要灵活改变燃烧室的长度.图 3 燃烧器结构示意图Fig.3SketchmapofBurnerstructure在燃烧室中,烟气的温度及燃烧温度一般在1300C 以上,故内层火面采用莫来石纤维制品,中间用莫来石纤维作隔热层,最外层用普通硅酸铝纤维作绝热层,根据耐火材料厚度的计算机程序所进行的计算结果,并结合整体设计的要求,设计莫来石纤维制品的厚度为 60mm,莫来石纤维层为40mm,普通硅酸铝纤维层为 100mm.观察窗维,0 兽 0OO壳体,l 一.mnn十图 4 燃烧室结构示意图ng.4Sketchmapofcomb
12、ustionchambersstructure69O图 5 换热室结构不恿图Fig.5Sketchmapofheatexchangersstructure为了观察到整个火焰的全貌,在燃烧室的中上部设计一观察窗口,主要框架由石英玻璃组成,其形状为 220mmX260mm;在观察窗的对面,设计一热电偶,用以测量火焰的温度.由于火焰的温度在1300C 以上,故采用 R 分度的热电偶,其长度为250mm 左右.燃烧室结构见图 4J.3.4 换热器蜂窝陶瓷蓄热体与陶瓷球蓄热体相比,具有换394 太阳能 26 卷热比表面积显着增大,压力损失小等优点,因此,选用蜂窝陶瓷蓄热体作换热器的换热部件.根据厂家所提
13、供的各种规格,初步设计采用的蜂窝陶瓷蓄热体规格为:100mmX100mmX100mm,孔的边长为 2.5mmX2.5mm,壁厚为:0.5mm;根据设计计算的结果,并综合考虑各项设计要求确定:在每个换热器中蓄热体的横截面积 S=0.04rn2,蓄热体的高度 H=0.3m.在两换热器中各安排 3 层蓄热体,每层为 4 块蓄热体,蓄热体的总量为 24 块.考虑富裕量,备用两层蓄热体共 8 块.在换热器的上部,设置一热电偶用来测量进入蓄热体前烟气的温度及从蓄热体换热出来的高温空气的温度,测量最高温度为 1300oC 左右,故采用 R分度的热电偶,其长度为 250mm 左右;在换热器的低部正中设计一 2
14、00mmX200mm 的方孔,方孔中间焊接上用小钢丝形成的“井“ 字形架,用以支撑蓄热体,钢丝的直径大约为 q,lmm;在换热器的侧面开一小门,用以更换蓄热体;在换热器下面设计一箱体通道,用来对将要进入换热器的气体进行“整流 “.整个换热器的结构见图 5J.4 冷态实验研究基于前面高温空气发生器关键部件的结构设计,配置相关的附件,建立了高温空气发生器实验台,并在实验台上进行了冷态实验,实验结果表明:分流挡板全开9085807570喜 65辎 605550排烟机开度/(.)图 6 分流挡板开度为全开时,分流出口流量的等流量线Fig.6Shuntbaeopenedentirely.gradeflo
15、wratelineofShuntingoutlet1)在冷态实验条件下,高温空气发生器实验装置中各部分能协调正常运行,并且控制电路稳定进行控制,四通阀,燃料和空气电磁阀能够稳定进行切换;2)火面耐火材料的表面经过高速空气的冲刷后,没有出现任何破损,实验是在空气流速远高于系统要求的情况下进行的;3)通过在冷端调节鼓风机和排烟机开度可以实现高温空气的分流的目的,分流出口的流量随鼓风机开度的增大和排烟机开度的减小逐渐增大,根据实验原始数据可以得到分流出口空气流量的等流量线如图 6 所示,不同分流挡板开度下流量总范围为一 0.0120.102Nm3/s;4)通过调节鼓风机和排烟机的开度,可以发现:高温
16、空气发生器中分流出口压力随排烟机的开度增加而减少,随鼓风机开度的增加而增大,根据实验原始数据可以得到分流出口空气压力的等压力线见图 7j,不同分流挡板开度下调节总范围为一50210Pa:5)由于生物质高温空气气化系统正常运行时分流出口压力为大气压,并且分流出口截面积不变,故在系统实际运行中,分流挡板开度为全开时,所得的等流量线图,等压力线图及相关实验数据具有重要的实际应用价值.辜匮辎排烟机开度/(.)图 7 分流挡板开度为全开时,分流出口压力的等压力线Fig.7Shuntbaeopenedentirely,gradepressurelineofShuntingoutlet5 结论本文指出了在我
17、国研究和发展生物质高温空气气化系统的必要性,简要介绍了其关键技术一高温空气发生器的工作原理,阐述了高温空气发生器的基本要求,对高温空气发生器关键部件的结构设计进行了详细介绍,并在此基础上建立了实验台,进行了冷态实验研究,结果表明:高温空气发生器可3 期曹小玲等:高温空气发生器实验台的研制 395以正常稳定运行,整体性能满足设计要求,并且获得了高温空气发生器极其重要的性能参数,为掌握高温空气性能并深入研究生物质高温空气气化系统作好了充分的实验准备.2参考文献YoshikawaK.Gasificarlonandpowergenerationfromsohdfuelsusinghightempera
18、tureairA.ProceedingofHighTemperatureAirCombustionSymposiumlCJ,Beijing,Oct.1999:4868.YoshikawaK.PresentstatusandfutureplanofCRESTMEETprojectA.Proceedingofthe2InternationalHighTemperatureAirCombustionSymposiumCJ,一Wan.Jan.1999:A11 一 A17.456YeshikawaKunio.RDonsmallscalegasificationofsolidfuelsusinghightemperatureairandstreamLAj.RAN2I3InternationalSymposiumonAdvancedEnergyConversionSystemandRelatedTechnologieslCJ,Nagoya,Japan,December,2001.蒋绍坚,艾元方,彭好义等.高温低氧燃烧技术及
