引言生物质燃料作为可再生能源具有广泛的应用前景，但生物质燃料直接燃烧产生的热能品位低。生物质燃料气化产生可燃气体（一氧化碳、氢气、甲烷等）[1]，可以有效实现低品位能源向高品位能源转化，提高生物质燃料的热效率。生物质气化过程中，将生物质原料压制成型或进行简单的破碎加工处理，在缺氧条件下，处理过的生物质原料被送入气化炉进行气化裂解，得到可燃气体并进行净化处理而获得产品气[2]。生物质气化是生物质能源开发和清洁能源利用的有效方法。因此，优化生物质气化炉的工况条件，充分发挥生物质气化炉的气化能力，提高可燃气体的品质，是目前生物质气化炉设计的主要目标。上吸式固定床生物质气化炉应用广泛，但气化效率只有60%左右[3]。气化炉优化的关键在于提高气化效率[4]，优化空气的进气方式是一个思路。此外，床层的工况对燃料对炉内气化过程效率也有重要影响。通过上吸式固定床气化炉的热态试验，选择生物质气化炉炉内床层温度分布、燃气产物成分、气化强度、产气率等参数，分析气化过程中进气量对这些参数的影响，从而优化工况条件。1模拟试验和结果分析1.1冷态流场的模拟试验生物质气化炉的空气进气方式对其气化效率影响极大，需要保证气化炉下部风室内的气流分布均匀，以免出现偏流烧穿现象。文中主要采用非结构化网格的方法对气化炉模型的流场区域进行划分[5]，保持流动域附近区域的网格尺寸足够小，以捕捉复杂流动现象。生物质气化炉网格划分情况如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F001图1生物质气化炉网格划分情况分别采用单面进风和双路对冲进风的配风方式进行模拟试验，气化炉生物质燃料粒径取140 mm。气化炉单面、双面进风流场分布云图如图2、图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F002图2气化炉单面进风流场分布云图10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F003图3气化炉双面进风流场分布云图由图2和图3可知，双面对冲进风流场的速度分布比单面进风更均匀，采用双面对冲进风方式是合理的。1.2氧化层和还原层的热态模拟试验为了进一步优化气化炉的整体结构，对主要反应区域（氧化层和还原层）进行模拟试验。热态模拟试验中气化炉的生物质燃料粒径也取140 mm。140 mm木料氧化层氧气浓度分布以及还原层二氧化碳浓度分布（摩尔分数等值线）如图4、图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F004图4140 mm木料氧化层氧气浓度分布（摩尔分数等值线）10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F005图5140 mm颗粒还原层二氧化碳浓度分布（摩尔分数等值线）由图4、图5可知，生物质燃料的粒径为140 mm，氧化层和还原层在500 mm左右时，氧化层出口的氧气浓度以及还原层出口的二氧化碳浓度都已经为0。因此，可以认为此时生物质气化炉运行时氧化层和还原层的高度均为500 mm为宜，以免床层太高造成气流阻力过大，增加电耗。为了进一步研究气化炉床层的性能，分别在氧化层和还原层布置5个测温点，每个测点间距为100 mm，对床层温度分布进行分析。温度测点布置位置如图6所示。氧化层、还原层各测点的温度分布如图7、图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F006图6温度测点布置位置10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F007图7氧化层各测点的温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F008图8还原层各测点的温度分布由图7、图8可知，氧化层最高温度达900 ℃左右（5号测点处），可以提供燃烧反应所需要的热量[6]。还原层5号测点处的出口温度达780 ℃左右，可以提供还原反应所需要的热量[7]。该生物质气化炉的床层设计合理。通过冷态和热态模拟试验，得出优化结论如下：第一，生物质气化炉进气方式采用双面对冲进风；第二，氧化层和还原层高度为500 mm；第三，氧化层最高温度可达900 ℃左右，可以提供还原反应所需要的热量；第四，还原层的温度在780 ℃以上，满足还原反应的要求，产气量高。2热态试验过程和结果分析热态试验和气化后的燃气成分测试在广州某公司的上吸式固定床气化炉原有结构的基础上进行。通过改变入炉的空气量，气化炉内的床层温度分布会发生变化，气化强度和生产出来的生物质燃气品质也会随之变化。试验采用140 mm的木质颗粒燃料作为原料，从气化炉的上部进料。气化炉初次启动时，先引燃炉内原料，通过鼓风通入空气加速氧化层的形成。待形成一定厚度的稳定的氧化层后，进入持续进料稳定运行阶段，可以调整进气量，进行相应的测试分析。气化炉上部的燃气出口产物情况是判断是否进入稳定阶段的标志。出口烟气如果颜色发白、浓度较小且不能点燃，此时烟雾主要是水蒸气，出口产物中的可燃成分极少。随着气化过程进入稳定，出口烟气浓度逐渐升高，颜色变黄并且可以点燃。此时可以进行气化炉的热工性能测试。2.1进气量对床层温度分布的影响在气化炉的气化反应过程中，各床层的温度分布是重要的技术指标，对气化反应具有直接影响。上吸式气化炉中，气流方向从氧化层到还原层，氧化层的温度直接影响还原层的反应。氧化层温度偏低会导致还原层无法得到足够能量，也影响其他床层的能量供给。入炉空气量对燃料层的厚度、反应温度具有重要影响。控制燃料层厚度和反应温度在一定范围内，才能产出高质量的可燃气体。床层温度与入炉空气量的关系如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F009图9床层温度与入炉空气量的关系由图9可知，入炉空气量小于4 000 m3/h时，炉内氧化层和还原层的温度均不高，此时的进气量较小，作为放热反应提供能量的氧化层反应不充分，导致炉内其他床层的温度偏低。入炉空气量为4 000~6 000 m3/h时，氧化层和还原层的温度随着进气量增加有大幅度上升。入炉空气量为6 000~10 000 m3/h时，氧化层和还原层的温度随着入炉空气量增加升幅放缓并趋于平稳。此时还原层温度约650~700 ℃，氧化层温度约850~1 000 ℃。入炉空气量持续增加至大于10 000 m3/h时，氧化层温度基本不再上升，还原层温度再次升高，并达到750 ℃左右，达到氧化层的反应温度。由于氧化层和还原层无明确的边界，两者相互渗透和交错，因此对床层稳定具有不利影响。因此，入炉空气量控制在6 000~10 000 m3/h较为合适。2.2进气量对燃气产物成分的影响气化炉生产过程中，一氧化碳作为主要燃气成分，其浓度是重要的数据指标，可以反映气化炉的产出效果。从出口取燃气产物进行烟气分析，一氧化碳浓度与入炉空气量的关系如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F010图10一氧化碳浓度与入炉空气量的关系由图10可知，入炉空气量较低时，还原反应不充分，产出的一氧化碳较少。随着入炉空气量增加，促进了氧化层和还原层的反应[8]，一氧化碳浓度逐渐增大。达到峰值后，由于进气量的持续增加导致消耗部分一氧化碳[9]，其浓度开始减小。燃气产物的品质受入炉空气量的影响较大。入炉空气量在7 000~8 000 m3/h的范围内，可使燃气产物中一氧化碳浓度维持较高水平。2.3进气量对气化强度的影响气化强度为单位时间内气化的物料与炉内横截面面积的比值，是评价气化炉性能的重要指标，用于评价气化速度。在一定程度上，气化强度可以反映炉内各个床层的化学反应速率。气化强度同样受到入炉空气量的影响。气化强度与入炉空气量的关系如图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F011图11气化强度与入炉空气量的关系由图11可知，入炉空气量较小时，物料未能全部参与反应。随着入炉空气量的增大，更多物料参与气化反应，气化强度明显增大。入炉空气量达到7 000 m3/h时，空气的增加对气化强度的提高效果减小，说明气化反应已接近饱和，继续增加入炉空气量已经没有太大的意义[10]。2.4进气量对产气率的影响产气率为单位质量的生物质燃料气化所得的燃气质量，是衡量生物质气化炉生产能力的指标。产气率与入炉空气量的关系如图12所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.F012图12产气率与入炉空气量的关系由图12可知，反应产气率大于1，因为气化过程中，入炉空气的部分元素进入产物燃气。入炉空气量小于6 000 m3/h时，产气率随着进气量增加迅速提高。随着入炉空气量增加至6 000~8 000 m3/h时，产气率开始降低。入炉空气量大于8 000 m3/h时，产气率迅速减低。入炉空气量达到6 000 m3/h左右时，空气与物料达到饱和状态，产气率达峰值。继续增加入炉空气量，只会烧穿还原层甚至整个燃料层，使气化炉转变为燃烧炉，失去生产燃气的能力。因此，为了保证相对稳定的气化率，进气量控制在6 000~8 000 m3/h为宜。2.5综合性能测试根据气化炉炉内流场、床层模拟研究和不同进气量的热态试验结果，调整优化气化炉结构和工况条件后进行综合性能试验。热态测试报告如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.07.010.T001表1热态测试报告测试项目数值气化当量比0.29气体产率/(m3/kg)2.4气体热值/(MJ/m3)4 480气化效率/%70.02气化强度/[kg/(m3∙h)]523.49由表1可知，气化炉的气化效率达到70%，优化设计后的生物质炉气化效率提高约10%。3结语采用固定床和上吸气热解气化系统，通过高度精准的自动化控制系统和监测系统，在不同工况的条件下产生清洁环保的生物质燃气。通过冷态和热态模拟试验，得出结论如下：生物质气化炉进气方式采用双面对冲进风可使气体流场更均匀。氧化层和还原层高度为500 mm最优，可使氧化层的最高温度满足整个还原层的反应需求，产气量高。基于广州某公司的上吸式固定床气化炉设备结构，综合考虑入炉空气量对床层温度、燃气可燃成分、气化强度和气化率等工况性能的影响，入炉空气量取7 000 m3/h时性能最佳。此时床层温度适宜气化反应的进行，燃气产物中一氧化碳浓度较高，气化强度基本达到饱和，并可以获得较高的相对稳定的气化率。对广州某公司的上吸式固定床气化炉设备优化调整后，气化率达到70%以上，气化效率得到明显提高。