下吸式生物质气化炉气化性能研究

第26卷第1期热能动力工程Vol 26. No. 12011年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERJan. 2011新能源动力技术文章编号:1001-2060(2011)01-0105-05下圾式生物质气化炉气化性能研究金亮,周劲松,吴远谋,骆仲泱(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)要:生物质国定床气化技术具有运行稳定、可提供清洁1实验装置及测量能源等优点,但也存在气化效率差,燃气热值低的问题。以采用炉膛集中供风技术和还原区热量包襄技术的下嗄式气1.1实验装置化炉为研究对象,研究炉膛温度、空气当量比(ER)对燃气成实验以空气为气化剂,由鼓风机鼓入,引风机带分燃气热值、气化数率等气化性能的形响并与以往研究施动提供动力。气化炉结构及实验系统如图1和图2果进行对比分析。实验表明,该气化炉能保证在较低E肉所示。实验系统包括气化炉燃气净化系统、温度测(0.1-0.3),获得较高的炉膛温度和还原区温度,产出的量系统及燃气采样检测系统。燃气热值在6.5M/m3以上,气化效率达到65%,平均气化效率在55%以上,气化性能较为理想燃气出口关键词:生物质气化;下吸式气化炉;还原区温度;空气当量比中图分类号:TK6文獻标识码:A在生物质热化学转化技术中,生物质气化技术集中供风口气化剂人口具有能量转换效率高、操作简便、气化合成气可进一步液化等特点,成为生物质能利用的可行途径。生氧化区物质气化技术按炉型分可分为固定床、气流床及流还原区一粗燃气出口化床等几种。下吸式气化炉属于固定床中的一种,该气化炉具有结构简单、工作稳定性好、出口燃气焦油浓度少等优点,在农村集中供气及小型生物质发电技术中得到了广泛的应用,但该炉型也存在气化效率及燃气热值偏低等问题。图1下吸式气化炉结构本研究以具有炉膛集中供风技术和还原区热量包裹技术特点的下吸式气化炉为研究对象,采用木气化炉有效高度1000mm,喉部截面直径250屑为原料,通过实验分析反应温度、空气当量比mm。原料从气化炉顶供入,空气通过外接鼓风机由ER〕对燃气热值、燃气成分和气化效率的影响,从集中供风口进人氧化区与原料发生氧化反应粗燃而得到该气化炉的气化性能。气经中国煤化工气出口排出。高温燃于热量传递至干CNMHG收稿日期:2010-02-25;修订日期:2010-04-07基金项目:浙江省科技计划基金资助项目(2008010012)作者简介:金亮(1985-)男浙江嘉兴人浙江大学硕士研究生106能动力工程2011年燥区加强原料干燥,另一方面部分水气、灰分等杂质排污口以闷盖封闭,停炉时打开,清除积聚的污水。经阻隔从燃气中分离,达到初级过滤作用。运行时温度显示切换阀自来水出图2下吸式气化炉气化系统流程气化炉型设计有3个特点:(1)从干燥区至氧的平均温度,同一截面采集16个测点,如图3所示,化区采用口径渐缩的锥形设计。由于倾角在7~各点处于各截面的中点,每15min记录1次热电偶10°之间适合原料自动下料(,故此气化炉倾角为温度值9°;(2)还原区为两头小、中间大”构型,利于将热1.3燃气成分分析量“包裹”于还原区中部,防止出现“还原死角”,以燃气成分采用北分瑞利分析仪器有限公司产的提高气化效率及焦油二次裂解效率;(3)氧化区采SP3420A型气相色谱仪分析。根据已知可燃气体的用集中供风技术,物料在氧化区能集中燃烧,创造还热值及相应的浓度,得到燃气热值。为保证结果可原区高温、缺氧环境,利于气化。靠性,每20min测量一次,一个工况下的燃气热值气化炉产出的燃气通常含有灰分、水分、焦油等为各采样的平均值。杂质,系统采用湿式喷淋和干式净化两级过滤装置1.4气化效率计算过滤燃气,过滤后绝大部分杂质被除去,净化后的燃气化效率η定义为生物质燃气输出热量Q1和气能满足实验要求。生物质原料输入热量Q之比,计算式为1.2温度测量7=×100%=V×Qx100%C×Qm(1)式中:m气化效率%;Q一燃气的输出能量,kJ;10Q—原料输入能量,kJ;Q-燃气低位发热量,kJ/m3;C原料重量,kg;Q一原料低位发热量kJ/m3;V1-燃气产量,是产气时间t与燃气流量q的乘积122实验方案由于炉内反应温度与空气当量比(ER)对气化炉气化性能有重要影响,所以实验主要研究还原区图3温度测点截面示意图温度及ER变化对燃气热值气化效率的影响。实验在中国煤化工进行炉内布有6根长度可调热电偶测量炉膛不同2.1CNMHG高度及同一截面不同径向的温度。另取一根热电偶实验以木材加工厂的废料木屑为原料,木屑平从炉口插人用以测量燃烧区及下部还原区同一截均长度小于5mm,工业分析和元素分析如表1面不同点温度,经面积平均后的测量结果作为截面所示。第1期金亮,等:下吸式生物质气化炉气化性能研究107衰1木屑工业分析与元素分析CH4+2H2O(g)=CO2+4H2-165k(5)工业分析/%元素分析/%C+H20(g)=CO+H2-131 kJ(6)0小kC+CO2=2C0-172k(7)式(2)和式(3)属于放热反应,式(4)~式(7)1950.85678414.3643.664200732.0214987属于吸热反应。Le chatelier的升温原理表明,当温度升高时22反应温度影响的实验设计反应会朝着吸热增强的方向进行。在生物质气化过反应温度是影响气化反应的重要因素之一,气程中随温度上升,反应式(4)-式(7)会加强,反应化随反应温度的升高呈现4个阶段34):(1)150式(2)和式(3)会减弱故气化产氢会随着温度上升℃左右为生物质原料中水分的挥发阶段;(2)170~而加强。Tum等人认为,随着反应进入高温区,370℃为来自于纤维素及半纤维素轻质挥发分析出焦炭的热力分解和水蒸气的重整变得更为容易,更阶段;(3)400-700℃为重质挥发分从生物质表面多的C和H2O以反应式(6)的形式进行,H2浓度析出、木质素开始气化阶段;(4)800℃以上为半焦升高。同时,虽然温度升高反应式(2)受到抑制但发生分解反应阶段由于反应式(4)、式(6)和式(7)的增强以及多碳气温度变化由热电偶监测实验中将ER维持在体的高温分解,故CO浓度在650℃后依然有较明017左右。待燃气产出后,通过测量不同还原区温显的上升。度的燃气热值及燃气成分,得到燃气特性的变化。较低温度(<600℃),燃气中CH4和CH主个工况需连续稳定运行6h以上,并重复3次。要来自于挥发分的析出,高温(>650℃)下CH4和23ER影响的实验设计CH会发生裂解反应生成小分子燃气。CH4的浓ER为生物质气化实际供给的空气量与生物质度在60700℃之间达到最大,为4.68%:700℃c完全燃烧理论所需的空气量之比。通过元素分以后气化温度达到较高水平,CH4分解,浓度逐步析可计算出木屑完全燃烧需要的空气量。调节气化下降。CH浓度在310℃达到最大浓度1.31%炉运行待工况稳定后还原区温度基本不变通过控随着温度上升,CHn发生热分解,浓度逐步制一段时间内气化剂流量及原料加入量,保证气化炉在一定ER下运行在该时间段内每15mi测量低。次燃气热值和燃气成分、并记录燃气产量,测量时间一般在1.5h以上,同一工况重复稳定运行3次,取平均数据作为测量结果。3实验结果及讨论3.1反应温度对气化特性的影响图4为燃气体积浓度随还原区温度的变化曲300400500600700800900线在310~870℃范围内随着温度的升高,N2和还原区温度/℃CO2在燃气中的浓度降低,分别从59%和14.5%降为47%和8.1%;CO和H2浓度升高尤其在650℃图4燃气体积浓度随还原区温度的变化以后上升明显,分别从初始浓度的16.1%和84%上升为21.7%和18.9%;CH4浓度先上升后降低由于实验采用空气作为气化剂,所以燃气属于CHn(包括C2H、CH3、CH、CH)在较低浓度下低热值气体。图5为燃气热值随还原区温度的变浓度随着温度的上升而降低化曲线随着温度上升,燃气热值呈上升趋势。由于生物质气化主要发生6步反应6:在6凵中国煤化工(>650℃)时多2C+O2=2C0+246k(2)虽然CNMHG所以总体热值升C+0,=c0,+409 kJ(3)高;65元已间气化尔背使CO和H2的浓CH +H2o(g)=CO+3H2-206 kJ(4)度升高,燃气热值继续升高。108·热能动力工程2011年04范围内(通常为0.25),能获得较为理想的气化效果时。但本实验中,ER在0.16左右时燃气成分较理想(17.0%H2、4.1%CH4、20.1%CO、10%CnH。、12.6%CO245.2%N2),这是由于实验中气化炉采用了利于气化的特殊构造:一方面,采用了氧化区集中供风技术,可以保证进入炉内的氧气能在氧化区充分燃烧,对提高氧化区温度有积极作用另一方面,还原区采用“包裹”型设计,能有效减少还原区温度/℃从氧化区传递至还原区的热损失,提高还原区气化强度。因此,虽然处于较低的空气当量比,但依然能图5热值随还原区温度的变化保证较高的反应温度及气化强度,从而保证了气化反应的深度3.2ER对气化特性的影响ER对燃气热值的影响如图7所示。由图可知,图6中在0.1~0.5范围内随着ER的提高,E在01-0.17范围内时热值变化不大约为65可燃气体的体积浓度呈下降趋势,N2、CO2浓度明显M/m3;在ER大于0.17时,热值随ER的提高明显提高尤其是N2从46%上升为59%,ER在0.1~下降;ER为0.5时,热值降低至4M/m3。当ER较0.16的范围内时H2浓度明显上升。小的时候,炉内是缺氧环境,物料层(尤其是还原区)甚至是无氧的,此时主要是挥发分的析出,析出的多碳类物质对热值提升有重要贡献。同时,燃气中氮浓度较少,可燃气成分较多,热值较高。ER较大时,炉中的物料多半发生燃烧反应,N2浓度升高的同时,产生了过多的CO2,破坏了气化氛围,影响了燃气品质。6500图6燃气体积浓度随ER的变化5000可燃气体浓度随ER增大而降低,有两方面的原因:第一,ER增大,鼓入炉中的空气增多,在维持3000燃气流量不变的情况下,N2在燃气中比重增加,同0.1020.3时,更多的O2通过燃烧以CO2的形式存在于燃气中,使可燃气体的浓度进一步降低;第二,ER增加扩图7燃气热值随ER的变化大了炉中氧化燃烧区域还原区域变小,单位时间内的气化强度降低,可燃气体产出变弱。在原料给入量一定的情况下,气化效率主要受ER在0.1~0.16范围内,H2浓度出现了明显燃气产量和燃气热值的影响。一般而言燃气产量的上升,原因在于较低ER(一般认为小于04)1随着E的增加而增大。而热值与ER基本呈负相ER的提高有利于炉内氧化区温度的上升对气化反性,因此气化效率随ER的变化存在一个下不完全燃烧的气化反应占据着主导地位,此时关应的深度进行是有利的,尤其在温度达到700℃以中国煤化工化曲线如图8所上时,反应式(6)占主导地位,水蒸气气化促进了H2示CNMHG曾大后降低,当ER浓度的升高。在0.3时,气化效率达到最大,为65%。ER在0.1已有研究认为空气气化中,控制ER在0.20.3时燃气量的增加及较高的燃气热值,使气化第1期金亮,等:下吸式生物质气化炉气化性能研究效率升高;ER大于0.3时,虽然燃气量很大,但炉内性能呈现最佳状态。实验中气化炉采用集中供风技气化氛围被破坏,燃气中存在大量N2和CO2,所以术和还原区热量包裹技术后,使氧化区获得较高温气化效率开始下降。总体而言ER在0.1~0.35之度,还原区热损失降低,从而能在较低空气量供入的间时,气化效率均在55%以上,表明该气化炉对不情况下提高气化效率及燃气热值。ER在0.1~0同工况具有良好的适应性,气化特性处于较高水平。35范围内燃气热值在50MJ/m3以上,最高达到65MJm3,气化效率在55%以上,均达到了较高水平。参考文献:[1]陈冠益高文学颜蓓蓓等.生物质气化技术研究现状与发展[].煤气与热力,2006,26(7):20-26[2]段玉燕.户用型生物质气化炉的开发与试验研究[D].杭州:浙江大学,2008.[3] IOANNIDOU 0, ZABANIOTOU A. Investigating the potential forenergy, fuel, materials and chemicals production from com readues( cobs and stalks) by non-catalytic and catalytic pyrolysis in图8气化效率随ER的变化Reviews,2009,13(4):750-762,[4] FANG M X, SHEN D K, L Y X, et al. Kinetic study on pyrolysis结论and combustion of wood under different oxygen concentrations byusing TG-FTIR analysis [J]. Joumal of Analytical and Applied Pyrolysis,2006,77(1):22-27对采用集中供风技术和还原区热量包裹技术的[5]朱媧锋生物质热解原理与技术[M」.合肥:中国科学技术大下吸式生物质气化炉气化性能进行了实验研究,表学出版社,2006明该气化炉的气化效率与产气热值均较高,同时,相[6] LV P M, XIONG Z H. An experimental study on biomass air-steam比以往气化炉,在气化性能上又有所不同,具体表gasification in a fluidized bed [J]. Bioresource Technology, 2004现为95(1):95-l01(1)还原区温度在300~700℃之间时,生物质[7] KREBS E,svB, RAYBAUD P. Mixed sites and promotergation:a DFT study of the manifestation of Le Chatelier principle原料主要发生挥发分析出,析出的燃气主要为H2、for the Co( Ni)Mos active phase in reaction condition[ J ].CaCO、CH4、CnH。等物质;700℃以上时,半焦与水蒸alysis Today,2008,130(1):160-169气发生气化反应,H2浓度明显上升,从1%变为81 TURN S, KINOSHITA C An experimental investigation of hyd18%;由于高温裂解CH。的浓度从1.3%降低到gen pfrom biomass gasification [J]. Intemational Joumalof Hydrogen Energy, 1998, 23(8): 641-648.0.9%;CO浓度随温度变化不大稳定在20%左右。[9]寰振宏,吴创之,马隆龙等生物质能利用原理与技术[M](2)高温为炉内提供气化所需要的热量和温度北京:化学工业出版社,2004环境产生的H2和CO成为热值贡献的最主要因[10] ERGUDENLER E, GHALY A E Quality of gas produced from素还原区温度在900℃以上时,热值在6.5MJ/m3butor type fluidized bed gasifier [J]以上。Biomass Bioenergy, 1992, 3(2): 419-430[11 JIANG H, MOREY R V. Air-gasification of corncobs at fluid(3)ER是影响气化特性的最重要的因素。随ation [J]. Biomass Bioenergy, 1992, 3(2):87-92.着ER的提高除了H2浓度在初始阶段有上升外,[121] KURKELA E, STAHLBERG P. Air gasification of peat, wood and其余可燃气体浓度均呈现下降趋势;ER超过0.16brown coal in pressurised fluidized bed reactor [J]. Fuel Process后,燃气热值下降;由于受到燃气热值和燃气产量的Technology, 1992, 31(1):1-2双重影响,气化效率先上升后降低,当ER为0.3[13E, EKSTROM C Fuel gas from municipal waste in an中国煤化工 cleaning processes时,气化效率达到最高,为65%CNMH11-906(4)以往研究表明,ER在0.2~0.4之间,气化