生物质气化集中供气技术

四、生物质气化集中供气技术

1.生物质气化站主要设备及工作过程

如图6-24所示，气化站的主要设备有切碎机、上料装置、气化炉（下流式）冷却器、过滤器、风机、水封器、储气罐（燃气柜）等，首先用切碎机将秸秆铡成碎块，然后将秸秆碎块投入喂料斗中，上料器中的螺旋叶片或刮板在电动机的驱动下，将物料从喂料斗中提升并落人气化炉内。

图6-24　生物质气化站主要设备

1-切碎机；2-喂料斗；3-上料器；4-电动机；5-气化炉；6-旋风分离器；7-冷却器；8-过滤器；9-风机；10-水封器；11-储气罐；12-阻火器；13-送气主管

气化炉产出的燃气经旋风分离器、冷却器、过滤器后，可达到净化和降温的目的。燃气的流动靠风机抽力来实现，常用的风机为容积式罗茨风机（也可采用水环式真空泵），由风机出来的燃气具有一定的压力，经水封器送入储气罐。水封器相当于单向阀，它只允许燃气向储气罐中输送，当风机停转时，靠水封器的液面阻截住反向流动的燃气。储气缸容积大小要依据用气户数的多少和气化炉产气量的大小来设计制造。储气罐内的燃气要保持恒定的压强，压强值的大小要保证距气化站最远的用户灶前所需要的压强，储气罐中的燃气经阻火器进入送气主管道。阻火器是一个安全装置。

2.生物质气化机组的关键组件

（1）切碎机用来将秸秆切碎的机器，有滚刀式切碎机和轮刀式切碎机。图6-25所示为滚刀式秸秆切碎机的工作示意图。滚刀式秸秆切碎机由上喂入辊、下喂入辊、定刀片、切碎滚筒等组成，有的切碎机还设有风扇。工作时，上、下喂入辊反向转动，秸秆被挟持、压紧送入，由滚筒上的动刀片与定刀片配合，将其切割成一定长度的碎段，由排料口排出，或由风扇吹至指定地点。

图6-25　滚刀式秸秆切碎机示意图

1-压草滚；2-上喂入滚；3-动刀片；4-抛送中片；5-定刀片；6-下喂入滚；7-从动链轮

6-26螺旋叶片式上料器工作示意图

1-喂料斗；2-切碎的秸秆；3-螺旋叶片；4-叶片轴；5-上料筒；6-三角皮带；7-电动机轴；8-小皮带轮；9-大皮带轮；10-落料筒

（2）上料器分为刮板链条式和螺旋叶片（螺旋搅拌）式的。刮板链条式的结构形式与工作过程像我国南方提水用的龙骨水车，它在上料过程中易产生堵塞现象。现在多数气化装置用的上料器为螺旋叶片式的（图6-26）。工作时，电动机通过减速装置驱动螺旋叶片旋转，喂料斗中被切碎的物料（如碎秸秆）由螺旋叶片沿上料筒提升，到上端后从落料筒出口进入气化炉内。

（3）水封器水封器的基本工作原理如图6-27所示。气化炉产气时（图a），罗茨风机给燃气加压输入水封器，具有一定压力的燃气将浮降帽鼓起来，燃气经浮降帽的出气孔冲破液面，经水封器的出气管输向储气罐。当气化炉不产气时（图b），罗茨风机不运转了，水封器的进气管中没有压力了，具有一定压力的储气罐的燃气，将从水封器的出气管回压，此时浮降帽在重力作用下已经下落。浮降帽外—水封器壳内的燃气挤压水面，使浮降帽中的水面上升，浮降帽内外水面的高度差值h是用水柱高度表示的储气罐内的燃气压力值，设计浮降帽内出气管的高度时，要让管口高出水面有一定高度，使水不至于流入管内。

图6-27　水封器工作原理图

1-来自风机的燃气；2-水封器外壳；3-水；4-浮降帽出气孔；5-输往储气罐的燃气；6-浮降帽；7-加水漏斗；8-液面观察管

图6-28　金属网式阻火器

（4）阻火器储气罐的燃气经阻火器输入主管道供给用户。阻火器是防火的安全装置，基本上有两种形式：一是在容器内装有碎石或卵石，燃气经过它再流入管道；二是在管道中间安装如图6-28所示的金属网式阻火器。阻火器的作用是当管道中万一有回火情况的发生，碎石或金属网将把“火星”熄灭。金属网阻火器用细铜丝制成球网或筒网，不要用细铁丝制造，铁丝易腐蚀。

（5）湿式储气柜现在国内应用较多的为湿式储气罐，简单而言，它像水杯倒扣在水桶中（图6-29a）。罐内燃气压强的大小取决于两个因素：一是罐的横截面面积（S）的大小；二是包括配重在内的浮罩的全部重量。当然，此压强必须在风机所能提供压强的允许范围内。

当距储气罐最近的用户灶前压力不够时，应适当增加配置，以提高罐内的燃气压力。罐内燃气设计压力大于灶前压力及管网燃气阻力损失之和的10%。目前，国内生物质燃气储气罐的燃气压力值（表压）多为P=4000~5000Pa。

储气罐内的排散管与浮罩一起上下移动，当罐内储气量达到规定最大值时，排散管的下端已升至水面处，进气管再向储气罐输入燃气，将有燃气从排散管流入大气中，此时应停止气化机组再向储气罐送气。同时，为防止大气污染，应避免燃气直接排放到大气中，应加装燃烧火炬，燃烧排空的燃气。

为了减少储气罐下部水室的水量，而采用水封槽（图6-29b）代替储水室，这要多用一层钢板材料。

图6-29　湿式储气罐示意图

1-排散管；2-水面；3-送气主管；4-闸阀；5-底座；6-进气管；7-罐中燃气；8-导向轮；9-罐侧壁；10-罐顶；11-配重；12-水封槽

罐内燃气的压强P可用下式进行计算：

P=G/S×9.81（6-16）

式中，P为储气罐内燃气压强（常称为压力），Pa；G为浮罩（罐顶和罐避）与配重的重量之和，kg；S为罐的内表面横截面面积，m²。

上式计算中，采用罐顶配重，同时忽略了罐子的浮力。

3.气化站生产燃气的主要技术指标

农业部2001年6月1日发布、2001年10月1日实施《秸秆气化供气系统技术条件及验收规范》（N Y/T443-2001）中，对生物质气化站生产燃气规定了如表6-5所示的一些主要技术指标。

表6-5　生物质气化站生产燃气的有关指标

4.供气管网设计

（1）管网组成图6-30为由气化站向居民燃气区输送燃气的管网系统。管网埋在地下超过冻土层深度。在主、支管路中设集水井，内有排水器，用来积储燃气过冷析出的液体，并应及时排出。管路以5‰的坡度向排水器下倾，使管中液体流人排水器。阀门井内的阀门，控制向支管道燃气的供给。

图6-30　供气管网平面示意图

1-主气管；2-集水井；3-阀门井；4-支管道；5-户用引管；6-用户

（2）管道排水器图6-31和图6-32为两种典型的排水器。对于图6-30所示的阀门式排水器，当燃气管穿过集水井时，中间经过一个圆筒形排水器（筒壁内应进行仿佛处理，如可刷防腐漆），筒的底部设有放水阀，定期打开放水阀，把液体放掉后再关好。图6-32所示的虹吸管排水器，其特点是能自动排液。开始使用时要加入一定量虹吸用的底水，筒内的燃气压力使一部分水进入虹吸管，燃气过冷析出的液体在筒内不能多存，将由虹吸管口随时流掉。但此自动排液装置可能出现两种故障：一是下暴雨时井内集水过多，可能造成雨水由虹吸管外灌入筒，堵截管路输气；二是长期高温干燥季节，可能将筒内底水蒸发掉，不及时加水将由虹吸管口跑掉燃气。因此，应适时检查它的工作状况。

图6-31　阀门排水器

图6-32　虹吸管排水器

（3）管道设计

第一，燃气供应量。某片居民区用燃气作炊事燃料，若每户仅装一台双眼灶或装两个单眼灶，为保证居民的燃气需要量，每小时向这片居民区供给的燃气量可按下式计算：

　　　　　Q=∑K₀QnN（6-17）

其中，Q为供一片居民区的燃气管道计算流量，m³/h；N为同一类型燃具数，台；K₀为同时工作系数，取决于居民使用同一类型的燃具数，如表6-6所示；Qn为同一类型燃具的额定气体流量，m³/h。

表6-6　双眼灶（或两个单眼灶）同时工作系数K0

第二，管道直径计算。为使燃气有良好的使用效果，对于输送到最远端的用户，管路允许压降满足下述关系：

　　　　　△P=0.75P_n+150（6-18）

其中，P_n表示燃具的额定压力，Pa；150表示沼气流量计的阻力损失，Pa。

燃气在管道中流动，因受阻力造成压力损失（压力下降）。压力损失有两种：一是沿程压力损失，指在各段管径不变的管路中的损失；二是局部压力损失，指在管路拐弯、变径、闸阀等处的损失。沿程压力损失用可采用下式计算

其中，△P_f为沿程压力损失，Pa；l为管道长度，m；d为管路内径，m；为燃气密度，kg/m³；υ为燃气在管内的流速，m/s；为沿程阻力系数，可用下式计算：

式中，d为管路内径，m；K为与管路内表面粗糙情况有关的系数，当内壁光滑时，K=1；内壁较光滑时，K=1.3；内壁粗糙时，K=1.6。

局部压力损失因管中的各局部结构情况的不同，损失的值也不一样，可粗略取其值为△P_f的5%~10%。

在两个断面之间的管路若内径不等或内壁光滑程度不一样，以及燃气在管中的流速有变化（如有流量分出等），得分段逐一计算其压力损失，再叠加起来，即为管路全长的压力损失。

因此，根据式（5-17）至式（5-20）即可计算出管道最小内径。然后再根据所选择的管道材料，选择标准直径的管道。一般而言，选择的标准管道的内径要大于计算的管道最小内径。

第三，供气压力计算。当根据用气户数、供气最远距离等确定管道直径后，即可计算出从储气罐出口到最远用户的压降。而灶具压力在额定压力的0.5~1.5变化时，灶具还能正常使用。因此，压降和灶具压力需求之和，即为储气罐内所需提供的燃气压力。一般而言，储气罐内燃气设计压力应大于灶前压力需求及管网燃气阻力损失之和的10%。