上吸式生物质秸秆气化炉的设计与试验研究

节2009年第9期ENERGY CONSERVATION(总第326期)上吸式生物质秸秆气化炉的设计与试验研究杨少鹏,薛勇,牛广路(西南科技大学固体废物处理与资源化省部共建教育部重点实验室,四川绵阳621010)摘要:设计一台上吸式生物质秸秆气化炉,并进行热解气化试验,分析不同气化剂量对炉内温度的影响以及温度和秸秆种类对产气成分的影响。试验结果表明:气化剂量对炉内温度及炉内温度对产气成分含量的影响均较大;秸秆种类也对产气的热值有较大的影响,稻草热解可燃气热值4.1MJ/m' ,油莱秆热解可燃气热值4.9M/m’,玉米秆热解可燃气热值5.5MI/m'。关键词:上吸式气化炉;炉内温度;燃气成分中图分类号:X712文献标识码:A 文章编号:1004 - 7948(2009)09 -0006 -03引言Q。=4. 6MJ/m'。各种生物质的低位热值如表1所生物质气化是最早实现商业化应用的生物质能示,取其平均值Q = 14.931MJ/kg;根据生物质秸转化技术之一-。20世纪70年代,Gahly等[1首次提秆在炉体压实后取其密度p=50kg/m'。出了将气化技术用于能量密度较低的生物质燃料，表1生物质秸秆工业分析使生物质气化的研究重新活跃起来。不同学科的相名称挥发分/%灰分/%固定碳/%水分/%热值/MJ.kg-'互渗透,使这一技术发展到新的高度。生物质作为油菜秆79.854.2286.810. 16114. 619一种相对稳定的可再生资源已经成为世界大多数国玉米秆68.24 7.5116.89 7.3616. 672家研究利用的焦点(2。生物质热解气化技术的发稻草79.9110. 73517.149. 55013. 502展,对于解决能源与环境这--世界突出问题具有重1.2炉体结构[6]要意义[3-4) ,也为我国生物质能源的利用提供了理根据标准状态下单位质量生物质热解气的气化论基础。所谓生物质热解气化技术，就是将生物质固体效率η=Qo●G/Q ,可知炉内膛的容积为:Vuτ=Vq. Qo/(η.Qi .p)原料置于高温环境,通过热分解和化学反应将其转式中:VEr-炉内膛容积,m';V,-气体产量,m';化为气体燃料和化学原料气体(合成气体)等气态Q。一冷气体热值,M/m';G- -冷 气体产率, m'/kg;物质的过程,生物质固体原料转化的气体称为燃气。Q一原料热值,MJ/kg;p- -秸秆在炉体压实后的密在我国,目前常用的生物质固定床气化炉按照度,kg/m'。鼓风方法不同和燃气相对于燃料流动方向不同,通由此得到的炉内膛的容积为VLT = 0.039m'。常分为.上吸式、下吸式和平吸式”]。本文在比较了3种气化炉的优缺点之后选择设根据炉膛计算容积,设计气化炉的外径D = 36cm,高度H = 80cm,壳体为钢板,内壁涂敷耐火材料,内计上吸式气化炉。膛的容积约为0. 04m'。1试验气化炉的设计图1所示为试验用气化炉的炉体结构示意图。1.1设计依据.该气化炉在设计.上以国家农业部秸秆气化验收1.3气化炉气化剂需用量的计算规范和技术条件( NY/T443 - 2001 )的指标为设计1.3. 1生物质秸秆完全燃烧所需要的空气量V依据,其具体指标为:气化效率η≥70% ,燃气热值生物质秸秆含有碳、氢、氧、氮硫等元素,各种秸秆元素分析如表2所示。≥4.6MJ/m'。中国煤化工以在计算中不考因此,取气化炉的气化效率η=70% ,燃气热值虑氦YHCNMHG基金项目:教育部固体废物处理与资源化重点实验室基金(项目编碳完全燃烧的反应:号:08xgp02).C+02=CO212kg24m.2009年第9期节能(总第326期)ENERGY CONSERVATION--7一氧量的20% ~30%。选兰盘↓水衛封横0.70pN;可燃气0.60-\删温孔0.50H保温层s 0.402内膛+ 0.30-气日妒栅-0.20CO,H,O排灰口0.10图1 气化炉体结构示意图0.200.400.600.801.00 T.20当量比σ。表2生物质秸秆元素分析图2燃气成分和空气的关系名称C含量/% H含量/% N含量/% 0含量/% S含量/%油菜秆41.286.5210. 3237. 2790.211考虑到实验装置漏气和气体分布不均等因素，玉米秆41.825.5250.8344. 2350.223取当量比为ao =0.3,则气化所需用的空气量:V=6. 1030.5734. 414.0.138a。xV=0.3 x3.99=1.197m'/kg。平均值40.536.0500.573 38. 6430. 191气化剂流量直接影响气化炉产气量的多少与质量。气化剂流量大,产气量大,但易造成过氧燃烧,1kg碳完全燃烧需要1. 9m'氧气。致使可燃气体成分减少,燃气热值低;气化剂流量氢完全燃烧的反应:小,则造成缺氧燃烧,氧化和还原反应均不充分,产4H+ 02 =2H2O4k3 224m3气中可燃成分少,使产气质量下降间。1kg氢完全燃烧需要5. 6m'氧气。目前大多数气化炉的供风系统的送风口都是在原料中已经含有[0],相当于已经供给[0] x炉体的侧面,在原料下落和气化过程中灰分会将通22. 4/32 =0. 7[0]m'氧气,按氧气占空气的21%计风口堵塞,气体在炉内的分布也不够均匀,造成气化算。则生物质秸秆完全燃烧所需用的空气量为:剂不能够均匀地与原料接触。该气化炉采用特殊供V= (1/0.21) x(1.9[0] +5.6[H] -0.7风方式,避免了原料和灰分与进风口直接接触,使得[0]) .气化剂能够均匀地在炉内分布。由表2给出的生物质秸秆所含的主要元素含量2试验分析.为:[C] = 40.53%,[H] = 6.0505%,[0] =2.1试验材料与设备38. 643%。试验使用自行设计的上吸式气化炉(见图1)。生物质秸秆完全燃烧所需用的空气量:原料是油菜秆.玉米秆、稻草。其工业和元素分析如V= (1/0.21) x (1.9[0] +5.6[H] -0.7表1、表2所示。物料称重采用TGT-100型台秤,[0])=(1/0.21) x(1.9x40.53 +5.6x6. 050-秸秆破碎用9FQ-20多用粉碎机,气体采样用0.7 x38.643) =3. 99m'/kg。100ml全玻璃注射器,供风采用CZR型120W离心1.3.2生物质秸秆气化所需用的空气量V。式交流鼓风机,管道风速测定采用QDF - 2A型热图2中的曲线是生物质气化时空气的当量比与球式电风速仪,炉内温度测定用WRN型热电偶和产气成分之间的关系曲线!”。电子式温度指示控制仪,气体成分分析采用QF型当量比为0时,没有氧气输人,直接加热原料的1901 - 1904型奥式气体分析仪。反应属于热分解反应,虽然可以产生H2、CO、CH。2.2试验步骤等可燃气成分,但是产气中的焦油含量会很高,且占,保证气化炉和管物料质量30%的碳不能同时转变成可燃气体。当道系中国煤化工正常使用,将原料量比为1时,原料与氧气完全燃烧,不能产生可燃气破碎CNMHG体。只有当量比为0.2~0.3时,产出的气体成分比(2)加人炉体一些引燃物(0.5kg原料燃烧),较理想，即气化反应所需用的氧仅为完全燃烧时耗升高气化炉的温度,然后将4kg原料填人炉体内部,节能2009年第9期ENERGY CONSERVATION(总第326期)并压实,同时将两个热电偶从下到上依次从测温孔图4所示为气化量为2.4m'/h时热电偶温度(见图1)插人炉体内部,记录热电偶的初始温度。随时间的变化情况。此气化剂量符合气化比的要(3)打开鼓风机,调节风速仪阀门,使风速保持求。1号热电偶的温度先升高后略有下降,2号热电在一定值(根据进风管径换算成流量) ,将空气送人偶温度在后期超过1号热电偶,此时燃烧层向上移炉体内部。动,两个热电偶升温速率都较快,短时间就到达了热(4)此后,每5 min记录热电偶的数值,每解所需要的温度400C,达到的最高温度也超过了10 min收集气体- -次,并进行分析。700C ,可以产生较好的热解效果。2.3试验结果图5所示为气化剂量为3.3m'/h时热电偶温图3、图4、图5反映了在不同的气化剂量的情度随时间的变化情况。此1号、2 号热电偶的温度况下,气化炉内部下层温度和气体的成分在开始试随时间先升高后下降,2号热电偶的温度在后期也验1 h内的变化。超过了1号热电偶的温度,两个热电偶升温速率升700温速率较快,达到的最高温度也超过了700C。从图3 ~5的热电偶温度对比可以知道:气化炉400内温度均随着时间的增加而增加;在达到最高温度300后,图4、图5所示的温度略有下降,图5所示的温0000 t度在后期下降的速率较大;图3的温度没有明显的0 5 10152025 3035 4045 505560 '下降趋势,说明在低的气化剂流量下,需要达到最高’ 时min圉3在气化剂 为1.8m/h条件下,温度、.温度的时间较长,影响热解气化效果。气化剂的流气体成分随时间的变化量对升温速率影响比较大,升温速率随气化剂流量的增多而增大;然而气化剂量过大会使得实验后期900r800-温度下降较快,同样影响了热解气化效果。此外,气一600恐人014世十号热电偶化剂的流量大小对其最高温度也有影响,气化剂量包400大,达到的最高温度也高;在低的气化剂量的情况配300-200下,2号热电偶的温度- -直低于1号,升温速率相差1060 0 510152025 10354045 505560 0较大;在较高的气化剂量的情况下,1号和2号热电偶升温速率较大,也比较接近。图4在气化剂量为 2.4m'/h条件下,温度、2.3.2气化剂量、温度对可燃成分含量的影响从图3 ~5中的气体成分对比还可以知道:气化剂量小时,氧气含量相应减少,造成燃烧效果差,燃700上600.气中的CO2含量少;气化剂量大时,氧气含量相应。500这400-增大,燃烧产生的CO2含量亦会提高;燃气中H2和湖300200-1CO的含量不仅和气化剂量有关，和温度也有密切100 H关系。在试验过程中,H2和CO的含量随时间的延005 152503404550560时间/min长先增加后减少,其规律和温度变化趋势相近;CO2图5在气化剂量 为3.3m*/b条件下,温度、.的含量则随时间的延长先减少后增加,其规律和温度的变化趋势相反;在高温时,H2、CO、CH4的含量2.3.1气化剂量对炉内温度的影响较低温时高,CO2和O2的刚好相反,在高温时含量图3所示为气化剂量为1. 8m'/h时热电偶温比低温时低。旧县0..CH.的含量的变动范围较度随时间的变化情况。此气化剂量下,升温速率低,小,中国煤化工达到较高的温度需要的时间长,尤其是2号热电偶YHCNMHG燃烧不充分,温度升温速率更低,达到的最高温度不到300C,对热解升高慢,使得炉内温度较低,热解气可燃成分含量产生很大的影响,达不到好的热解气化效果。低;气化剂量大,虽然可以升至较高的温度,但是空2009年第9期节能(总第326期)ENERGY CONSERVATTON一9经济实用高效型日光大棚的蓄热保温性能分析洪丽华,阎军显(营口市中等专业学校,辽宁营口115000)摘要:为研究经济实用高效型日光大棚的蓄热保温性能,对大棚墙体、前底角、室体、地表的温度变化及所适应经济作物进行了生产实验,生产实验结果及记录数据说明:白天大棚砖土混合墙体及地表接受太阳辐射而蓄热;夜间随室外温度的降低棚内墙体及地面温度高于棚室内温度时开始放热,砖土混合墙体具有非常好的蓄热保温性能,完全能够满足冬、春两季经济作物生长的温度需要。关键词:日光大棚;经济实用;蓄热保温;砖土混合墙体;经济作物中图分类号:TU855文献标识码:B 文章 编号:1004 - 7948(2009)09 -0009 -03引言理,其吸热蓄热能力强。加之科学种植,可取得很好经济实用高效型8光大棚利用棚内墙体及土壤的经济效益。多年生产实验研究结果及记录数据表吸热保温来为棚内经济作物生长提供温度条件,并明,该大棚种植的经济作物比同地区大棚的早成熟很好地解决了北方因冬春季温差大引起的问题。采20~30天。用砖土混合墙体作为日光大棚的主体结构,建造简1经济实用高效型日光大棚简介单,造价低,节省墙体占地面积。利于机械化操作管日光大棚位于辽宁营口市,该地冬季平均日照气过量容易形成局部烧穿现象,影响传热,使得热解解气化的关键因素,温度的提高和升温速率的加快过程不能持续进行,也造成可燃气成分含量较低。促进了气化的过程。由于不同秸秆的元素含量、挥因此气化剂量是热解气化的关键因素。发分等不同,热解产生的可燃气体成分差异较大,导2.3. 3秸秆种类对热解气热值的影响致产气的热值不同,所以选择不同的原料是产生高.表3所示为不同种类秸秆热解后的可燃气成分热值气体的基础。有些秸秆(如稻草)由于其灰分.及热值的测定结果。较大,产生的气体热值低,不适合单独作为气化原表3生物 质秸秆热解气化产生的主要气体成分分析和热值料,可以和其他原料配合使用。低位热值参考文献名称CO2/% O2/% CO/% H/% CH2/%/MI.M-3[1 ]Gahlym, Prekorz J. 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(99 - ICAE) , 99912: M59 -61.(NY/T443 - 2001)的指标为设计依据,设计了秸秆[6]李鹏, 吴杰,王维新.户用型上吸式生物质气化炉的改进设计[J].农机化研究.2008 ,(5):76- 78.气化实验装置,并在其上进行了生物质秸秆的热解[7]宋秋， 任永志,环波.生物质气化炉设计要点[J].可再生气化试验。[8中国煤化工，t选择刍议[J].全国实验表明:气化剂量的确定是热解气化的关键，MYHCNMHG它直接影响到炉内的温度和升温速率,并影响炉体作者简介:杨少鹏(1983-),男,河南郑州人,硕士在读,研.不同位置的温度变化情况。而温度和升温速率是热究方向:固废污染控制与大气污染控制设备。收稿日期:2009 -08 -09;修回日期:2009 -08 -20