柴草气化炉：原理、应用与发展趋势
柴草气化炉：原理、应用与发展趋势
柴草气化炉是一种将生物质原料转化为气体燃料的高效能源设备，其工作原理基于热化学反应，通过控制氧气供应和温度条件，将生物质原料转化为可燃气体。这种技术不仅能够有效利用农业废弃物，减少环境污染，还能提供清洁、高效的能源供应，具有广泛的应用前景。
发展历史
气化炉的历史可以追溯到19世纪。当时煤矿和冶炼厂普遍使用煤气灯作为照明设备，但会产生大量有害气体。为了解决这一问题，人们开始考虑将煤炭转化为更加干净的燃气。1892年，德国人弗里德里希·谢尔曼成功地设计出了一种气化炉，取得了专利。[6]
20世纪初，气化炉的设计和制造开始扩展到其他领域。在两次世界大战期间，气化炉成为了重要的能源来源，被用于生产发动机燃料、合成橡胶、制造火箭燃料等方面。在21世纪，气化炉继续得到了广泛的应用，特别是在制氢、污泥处理和煤层气利用等方面。[6]
工作原理
产气原理
柴草气化炉将柴草固体生物质转化为气体燃料，称之为柴草生物质气化。生物质中碳元素质量分子约为62%，其次为氢、氧、镁、硅、磷、钾、钙等元素。植物秸秆的有机成分以纤维素、半纤维素为主，质量分子约为76%，这些原料在缺氧条件下加热，使之发生复杂的热化学反应能量转化过程。[3][5]
秸秆气化炉
柴草气化炉气化是根据空气流体力学原理，使炉里的柴草在一定的温度及空气的作用下充分裂解产生可燃气体。只需将炉里的可燃物质点燃，经过风机供氧，即可产生高温，加速空气流动。燃料通过制气室，在密闭缺氧条件下，采用干馏热解及氧化反应后产生可燃混合气体，主要含有一氧化碳、氢气、甲烷、乙烷、丙烷等，燃气自动导入分离系统执行脱焦油，脱烟尘，脱水蒸气净化程序，从而产生优质燃气，再通过二次积极供氧，经过管道输送到燃气灶，达到理想的燃烧效果。[3][5]
柴草气化炉工作原理
洗气原理
洗气装置由洗气壶和小型电动抽风机两部分组成，采用最为常见的水烟袋洗气原理。从气化炉引来的混合可燃气体导入管从壶顶直插洗气壶底部，壶顶另开孔装洁净可燃气体导出管，并将该管连接在电动抽风机吸气端。在洗气壶内装清水，接通抽风机电源，抽风机将洗气壶内空气吸出，洗气壶内气压变低。这时，混合气则从壶底由导入管口流出并呈气泡成串上升。在混合气体通过清水过程中，气体中的固体小颗粒、水蒸气、沥青等杂质则被清水洗除。洁净的可燃混合气则由洗气壶顶部的气体导出管被电动抽风机吸出，并在小风机推动下供给燃气炉使用。适量空气进入气化炉燃烧室，生成的可燃混合气体进入洗气壶，经洗净后通过风机供给燃气灶，这一系列过程的总动力为电动抽风机。[3]
柴草汽化炉
基本构造
汽化炉主体
气化炉由料筒、净化装置、管道、灶头等部分组成。生物质燃料通过制气室，在密闭缺氧的条件下，采取干馏热解及化学氧化反应后产生一种可燃性气体，在氮气的支持和氧气的助燃下达到理想的燃烧效果。该炉具装置系统本身具有生物质原料造气、燃气净化、自动分离的功能。当燃料投入料筒内燃烧产生大量一氧化碳和氢气时，燃气自动导入分离系统通过净化装置实行净化焦焦油、净化烟尘、净化水蒸气的程序，从而产生优质燃气，并通过管道输送到红外线灶头，燃烧十分完全；且内部耐火层设计了专用内胆，确保使用寿命在十年以上。[3][8][9]
智能控制系统
气化炉的智能控制方法，包括温度控制环和可燃气体含氧量控制环的生物质气化炉双闭环智能集成控制方法。温度控制环采用主、副控制结构：主控制器采用基于BP神经网络模型，建立温度的BP神经网络模型；副控制器根据温度预测结果实现跟随控制。可燃气体含氧量控制环引入温度和含氧量两个反馈，主控制器采用模糊免疫PID控制，推算最优鼓风机转速；副控制器实现对鼓风机速度进行跟随控制。仿真结果表明了该方法的有效性和优越性。[2]
洗气装置
洗气装置，作为气化炉系统中至关重要的净化环节，其设计借鉴了传统水烟袋的过滤原理，确保了最终气体的纯净度和安全性。该装置主要由洗气壶和小型电动抽风机两部分构成，共同协作完成对混合可燃气体的高效清洗。[3]
生物质气化炉
标准规范
主要分类
1、柴草气化炉，分直燃（半气化）式和导气（制气）式气化炉。直燃式气化炉是适用二次进风产生二气化燃烧，而导气式气化炉是运用热化学反应原理产生可燃气体燃烧。[4][11][12]
导气式气化炉
导气式气化炉由炉体、风机、燃气净化装置、连通管路、灶头支架、灶头等组成。其中导气式又分为上吸式气化炉和下吸式气化炉两种。常见的大多数都是上吸式气化炉。一般情况下这种炉具的体积较小，结构简单，制造成本低，销售价格用户易于接受。上吸式的最大缺点是不能连续供料，气化炉产生的燃气也不稳定。上吸式气化炉能产生大量的焦油，使管路容易堵塞。下吸式气化炉产生的焦油相对来说少些，反应较为稳定，可持续装料。但其价格比上吸式气化炉贵，而且操作性差，时间长了管道也容易被焦油堵塞。因此以上两种气化炉都存在有害物质焦油，易造成二次污染的重大缺陷加之经济性较差所以推广困难。[12]
直燃式气化炉
直燃式气化炉它的结构比导气式气化炉简单，没有燃气净化装置、连通管路。从炉体的上方直接将秸秆气接入灶头使用，因气化炉体积较小，气化条件易控制，产出气体中可燃成分质量稳定。它显著的缺点是由于气化炉于灶头直接相连，秸秆气不经过任何处理，产出气体往往把灶具熏得很黑。当气化炉燃烧温度较低时，灶具上、气化炉上都有焦油渗出的现象存在。直燃式气化炉不能连续装料影响燃气的发生，而且从点火至产气需要有3~5分钟时间的过渡期，这主要是由于气化炉中的燃料都有一定的含水率，刚点火炉内的温度低，绝大部分燃料所含水分还处于稳定状态。[12]
随着炉内温度的不断升高，燃料所含水分处于稳定的状态受到破坏，水分析出。此时的烟气具有灭火能力，是产生焦油的高发期。当炉内温度高于250℃时热解反应开始，有更多的物料能稳定的进行燃烧，产生的焦油也逐渐减少，部分焦油开始挥发变成为可燃气体进行燃烧。在当前的技术条件下准确控制炉内温度、准确控制氧气供给量的大小是十分困难的。[12]
2、柴草气化炉又可分为上吸式、下吸式、鼓泡流化床、循环流化床（CFB）、气流床、等离子气化，不同类型气化炉各有优缺点。[11]
上吸式
上吸式柴草气化炉优点是热效率高，燃气带灰少，适应不同形状和尺寸的原料，适应不同原料含水量（15%-45%），炉排工作条件温和，结构简单，容易放大；缺点是燃气焦油含量高，燃气H2和CO含量较低，CO2含量高，生产强度小。[11]
下吸式
下吸式柴草气化炉优点是燃气焦油含量低，加料方便，结构简单，较上吸式容易实现连续加料；缺点是对原料含水量要求较上吸式高（通常＜20%），燃气带灰较多，炉排材料要求较高，生产强度小，不易放大。[11]
鼓泡流化床
鼓泡流化床优点是生产强度大，容易放大；缺点是原料尺寸要求较严，通常需要预处理，飞灰碳损失，负荷调节幅度受气速的限制，温度要控制在燃料软化温度之下以避免聚成团，建设和运行成本较高。[11]
循环流化床（CFB）
循环流化床优点是负荷适应能力强，调节范围大，生产强度大，容易放大；缺点是原料尺寸要求较严，通常需要预处理，建设和运行成本较高。[11]
气流床
气流床优点是碳转化率高，燃气中基本不含焦油，容易放大，排气温度和燃气出口温度很高，冷气效率低；缺点是要求生物质粒度在100μm以下，原料预处理要求比较高，烧嘴容易烧坏，炉壁衬里容易受高温熔渣流动侵蚀损坏，维护比较困难，建设和运行成高。[11]
等离子气化
等离子气化柴草气化炉优点为灰渣无污染，可直接用作建筑材料，燃气基本不含污染组分，反应时间极短，容易放大；缺点是不能连续运行，需要辅助燃料以获得炉内均匀温度，熔融物在管道凝固，存在活动部件，维护困难，消耗耐热材料和电极，还具有安全问题，建设和运行成本高。[11]
流化床生物质气化炉
主要特点
燃料广泛：气化炉在燃料的选择上非常灵活，可以适应不同种类的燃料。凡含有纤维的可燃物均可使用，如秸秆、玉米芯、花生壳、谷糠、稻壳、刨花、锯末、碎木块、树枝及树叶等等。[7][13]
节能高效：气化炉采用了高效节能技术，在燃烧时能够充分利用燃料，使其燃烧更加充分。与传统燃烧炉相比，气化炉可节约50%以上的能源，使其成为一种环保、节能的选择。[7][13]
环保污染少：气化炉使用的气化剂多为氧气，与空气燃烧的方式相比，燃烧产生的污染物减少很多。气化炉还采用了多种技术手段进行污染控制，如多级过滤、脱硫等措施，使得气化炉的环保性能优于传统燃烧炉。[13]
应用广泛：气化炉可以处理较为复杂的废弃物，将其转化为易于处理的燃气，同时，气化炉还可以用于提取化学原料、合成气、发电等领域，具有较广泛的应用范围。还可用于农村家庭取暖、做饭，也可用于工业领域的供热等。[5][14][13]
秸秆汽化炉
应用领域
农村中的树木枝叶、锯末、麦秸、玉米秸等生物质，通过在特制气化炉内燃烧，可生成供农家烧水、煮饭、洗澡、取暖及其它日常生活使用的可燃气体。[3]气化炉还可应用于其他不同领域，如化工、冶金、能源等。[13]气化炉还能够用于制氢、污泥处理和煤层气利用等领域，具有广泛的应用前景。[6]
发展趋势
使用生物质作为替代能源，替代煤、天然气和重油等化石燃料，此举与中国经济高速发展的步伐相契合，显著降低了对煤、天然气等化石能源的依赖，减少了环境危害。从长远的能源战略视角来看，这是调整中国能源结构、实现科学用能的关键步骤，对拓宽生物质能利用技术的应用领域，推动可再生能源行业的技术创新具有深远的战略意义。此外，生物质气化项目的实施还带来了显著的社会、环境、经济和能源效益。[15][4]
市场规模扩大：随着人们对清洁能源的需求增加，柴草气化炉的市场规模将进一步扩大。[11]
技术水平提升：未来，柴草气化炉的技术水平将不断提升，能量转化效率提高，排放减少，安全性能也将得到提高。[12][6]
智能化：随着物联网和智能化技术的发展，未来的木柴气化炉将具备远程控制和智能调节功能。[2]
环保性能提高：气化炉能够将固体燃料转化为气体燃料并分离出废弃物，减轻了环境污染。[6]用生物质替代煤，天然气和重油等化石燃料，这样即可以满足人类对燃料日益增长的需求，同时又可有效减轻由于大量使用化石燃料给环境带来的污染，减少对环境的负面影响。[4][6]
使用相关
安装
室内安装时，须将配套直径的烟管和弯头与炉体上的烟嘴连接好，连接处要密实，以便烟气排向室外。动力配风型的烟管可根据室内状况随意安装，能将废气排出即可。自然抽风炉子的烟管高度不得低于3m，出口处配置避风弯头，以便烟气排放畅通。对于动力配风的炉子，须在炉子高度1m处合适位置安装220V带开关的电源插座，便于12V微型风机使用，风机直接套在炉体风机接口上，由12V电源适配器插头与风机电源插头相连。[16]
室外安装时，动力配风的炉子在室外使用时，无需烟管，在炉体烟嘴上套上烟盖直接使用。[16]
注意事项
1、参与生产的电焊工应持证上岗，焊接质量要符合国标。[3]
2、塑料导管要连接紧密，无漏气现象。[3]
3、多余气体排出管应直通室外，用火时关闭其阀门，不用火时打开阀门，将多余气体直接排出室外，以免发生一氧化碳中毒事件。当下一次使用时，装入柴草，利用其余火即可点燃，不需另行生火。[3]
4、经常更换洗气壶内清水。[3]
使用方法
1.选择合适的燃料：气化炉可以使用多种燃料，如木柴、煤炭、生物质颗粒等。在选择燃料时，应根据气化炉的要求选择适合的燃料，确保燃烧效果良好。[3]
2.清洁炉腔：在使用气化炉之前，确保炉腔内没有杂物或残留物。清洁炉腔可以防止燃料堵塞或引发安全隐患。[3]
3.控制通风：安装气化炉时，应确保周围通风良好，以防止一氧化碳积聚。在使用气化炉时，要打开通风窗户或使用排气扇，确保室内空气流通。[3]
4.点火与加热：在使用气化炉之前，确保各个部件连接正常。打开炉门，放入适量的燃料，并注意控制燃料供给。点燃燃料后，逐渐加大炉温，调节炉内温度。[3]
5.注意安全：在使用气化炉时，要远离易燃物品，并确保周围环境干燥。当炉子加热时，不要长时间离开，以免发生意外。同时，使用防烫手套等个人防护装备，以确保个人安全。[3]
主要燃料
燃料广泛，凡含有纤维的可燃物均可使用，如秸秆、玉米芯、花生壳、谷糠、稻壳、刨花、锯末、碎木块、树枝及树叶等。[7]