下吸式气化炉中稻草气化特性研究

文豆编号:1116988(2001)04000704下吸式气化炉中稻草气化特性研宪杨亚平(东南大学热能工程研究所,南京21018)要:…吶种号下吸式空气发生炆中稻草的气化试验为基分柝了其气化特性和生产L.艺性关毽词;幻;下吸式气化炉;蠛料特性;灰渣持性;反应温度中图分类号:K43.611文献标识码:AStudy of Straws Gasification Characteristicsin Downdraft Gas GeneratorYA.G Ya pingSoutheust Universitv, Nanying 210018, ChinaAbstract: By the test of gasification straw in two different downdraft gas generators, the gasified-Key words: straw downdraft gas generator: fuel characteristics; slag characterislics; temperature in reaction region外生物质气化技术来说,国内的技术起点软低,禾用序言的技术简单。最具代表性的是在国内北方地区普遍釆用的下吸式空气发生炉气化工艺,因其工艺流程生物质是世界第四大能源,它对全世界一次能和系统设备简单,投资成本低,操作技术易掌握,在的贡就约占14%在我国,生物质占一次能源总场上具有一定的竞争力的33%:是仅次于煤的第二大能源。同时,我国但是,近年该产品在向南方地区推中却遇到忌大国作为农业生产的副产品,农作物秸杆是了相当的难度,究其原因主要是稻草的燃料持性和生物质源的重要组成部分:从可持续发展的角度灰渣特性比较特殊采看,秆是可耳生前且洁净的能源资源,将在未来的能源洁构中起到重要作用2稻草的燃料特性和灰渣特性据联合国环境规划署(UNEP)报道.世界上种嗔的种谷物每年可提供秸秆17亿t。我国的各类稻草及其半焦的燃料特性见表1(分析基)农作物秸秆资源|分丰富,总产量达7亿多1,其中稻草为2.3亿占总量的3%之多。表I稻草及其半焦的燃烧特性在我国农村精杆气化要是为了解决广大农户「分分择发分同定H主活燃料的能源问题,兼顾环境保护。因此相对国8714.356614-25.3:0701344320门:2001.08中国煤化工970.9作者介:而亚平(1952一)男,副教授,从事热能工程域科研工.发表学术论文20多篇CNMHG采用热重法试验得到的稻草在加热过程中的热7试验研充:下吸式气化炉中稻草气化特性研究重曲线(即TG曲线)和微熵热重曲线(DTG曲线)如图1所示。000和50022502750图1稻草燃料热分析测试图由图1可见稻草燃料中的挥发分预热到200℃左右即开始逸出;在330℃左右达到最高逸出速率;3气化特性试验随后逸出速率衰减,在400℃左右逸出速率稳定在个较低的水平:在480℃左右燃料中的挥发分已物质气化过程是生物质原料在缺氧状态下加有80%左右逸出。在500℃左右逸出速率再次衰热反应的能量转换过程。其原理可概述如卜:生物减至一个很微弱的水平,一直保持至800℃左右,在质燃料与煤等一般矿物燃料的工业分析成分相似,这个阶段的逸出量大约只有2%~3%,基本终止了包括挥发分、固定碳和灰分三个部分。但一般挥发逸出分含量较多固定碳相对较少。挥发分主要由水分、稻草的灰渣特性如表2所示一氧化碳、二氧化碳、氢、甲烷和一部分焦油组成,其间比例会随着加热温度和加热速率的不同而不同表2稻草的灰渣特性在气化过程中随着燃料被加热,挥发分将首先析出英中钾灰中钠灰中铝灰变形{灰软化灰泽化灰流司剩余的半焦在空气供应不足和高温条件下进行燃烧元常元素元素温度温度ⅰ温度温度%:/%/%n/t 4/t ty/t./t'气化反应,生成二氧化碳和一氧化碳空气煤气,即由草0.510.460.094901040112011挥发分和气化反应生成的一氧化碳、二氧化碳共同组成。空气中的氮气未参加气化反应,仍然余留于煤气之中。在下吸式气化炉中由于挥发分将通过高般而言生长快的生物质燃料其碱土金属含温气化反应层,其中部分焦油将被裂解,生成CH4量高,尤其是钾、钠元素含量高,灰渣溶点低,容易产H2、CO等燃气成分。生结渣。稻草灰中钾、钠虽不高,但是铝含量也很下吸式气化炉的结构如图2所示,其工艺特点低。灰中酸碱氧化物含量比是决定烧结温度的一个是气化与固体顺向流动物料由上部储料仓向下移主要因素Al2O3有抑制烧结产生的作用,由表中分动,在炉内传来的热量作用下边移动边进行千燥与析数据和以下试验情况证明稻草的灰渣特性并不热分解;空气向喷嘴进入,与下移的燃料首先发生燃烧反应中国煤化士解产物与炭起经CNMHG和还原反应其裂解程度主要受反应层温度和停留时间的控制业妒)第23卷第4期2001年11月态,为保证气化炉连续产气须以人工间歇性地捅火(破坏烧结层)。表4所示的是某1000型和SA200型两种下吸式气化炉在连续生产条件下采集的燃气组分分析数据储料仓表4燃气组分分析数据热解层燃气成分分析/%气化护型号5c℃cot5ct|oCO2(:my/a等氧化层92019782120680691034035262某1014.310.2091914.】3680621014还赈层口灰800-900℃由表4的数据可看出下吸式气化炉在燃用稻草时存在着下列两个具有共性的问题该炉型的原设计意图是焦油经高温区裂解使M气化产生的燃气热值不高均小于4187图2下吸式气化炉结构简图(2)气化炉出口燃气焦油含量高,在2100mg/生成煤气中焦油含量减少,同时原料中的水分参加以上。水煤气反应,使气体中H2含量增加。但是在使用稻草作为气化燃料时,这一设计意图不易实现。其主要原因是稻草的灰渣特性比较差在较低的炉内4气化工艺特性分析温度水平之下就产生了结渣现象,影响气化工艺有稻草在下吸式气化炉中反映出来的主要特点是利条件的形成。表3所示是试验中测得的某型下吸式气化炉内反应温度水平上不去;炉内最高温度不能超过100℃,一般是在850-900℃之间。温度升上去,炉内温度分布情况。马上出现烧结现象,破坏床层内部的透气性,严重时表3气化炉内温度分布即阻断气路产不出气。这一特点导致该气化工艺在应用中出现了以下有别于燃用玉米秆、高梁秆等燃层高变工况之一/t工况之二/℃料时不同的特性。260-280379-400距妒500mm41炉内反应温度水平低,气化效率下降距炉40mm气化反应(或二氧化碳的还原反应)是煤气发生距妒栅300mm炉的主要化学反应,在低温下(80℃以下)它的反户250mn930-945距妒捞200970~1030应速度几乎等于零。碳的活化能大,而且仅当温度150ma超过800℃以后反应速度才很显著,要到温度很高距炉10m1U92时,它的反应速度常数才超过碳的氧化反应的速度妒栅层行状沉炉内轻微结铺以|内严重结滋无法常数。因此提高炉内反应区的温度是有利于改善气化条件的{1。目前炉内高温中心区的温度被限制在900℃左表中工况之二所示的情况炉内约有250~300右的料中的碳征北,还原过程形成中国煤化工〔化碳的份额减的已不能产气。工况之一所示的情况炉内有轻微的少州CNMHG烧结现象,约有50~70mm厚度的床料呈粘涩状同时,在生物质热转换中焦油的数量主要决定试验研究;下吸式气化护中稻草气化特性研究于转换温度和气相停留时间,与加热速率也密切相燃气的焦油含量偏高,据实验中测定它们在210关而气化中焦泊产物的能量一般占总能量的2600mg/m310%~15%,这部分能量在低温时难以与可燃气体这样高的焦油含量,给生宀艺中的后续净化道被利用、必须将其裂解成可燃气体状态。高温工作带来的困难极大:按照城市煤气生标准热裂解是有效的手段之一,据试验表明其裂解的温般每m3煤气中焦油等杂质控制在20mg以下:据度水平在1000~1200℃。显然现有工艺温度水此计算,如此高的出炉焦油含量须一套效率在99%平不够,焦油中可燃质成分无法获得利用21以上的净化处理系统才能保证供’质量而日前国以上两项因素直接削弱了稻草在下吸式气化妒内投运的生物质气化系统因其生产规模小.系统设生产过程中的气化效率。据试验这两种气化妒的气计相对工业上煤气制备系统而言都较简怛,争化工化效率在55%~6%范围。这使得燃料的可利用艺多采用机械法气体净化与湿法气化以没过恣率下降,加之韬草燃料的发热值比玉米秆、粱秆等法相结合的形式。常见的有离心式分璃銎液瑃秆都低所以获得的燃气热值一般仅在斗187k体层水流秸秆层过滤和离心式漩风纩濤水力喷m以卜,只能作为民用炊事燃料,应用层次较低。汭洗涤惯性分离等组合方式.组合系瓷浮化效42床层薄,反应时间短,热稳定性差在95%灬97%范围欲进一步提高净化系统效率稻草的真实密度417.6kg/m3堆积密度98系统将复杂化,易造成辅助设备与气化j设备之间kg/m3.且外形尺寸细小,含灰量大。因此在气化工造价不相适的结果。因此可见,降低燃气焦油含量艺之中它所能构建的高温中心反应区很小,据测定须从气化工艺本身着手才是根本的出路而下吸式其对应的床层厚度只有40~60πm左右,整个氧气化炉燃用稻草时反应温度受到限制这对于解决焦比还原区的床层高度也只有400多mm、这样薄油问题是一大工艺上的缺陷。的床层糸件在本文所介绍的下吸式气化妒试验中床料在高温中心反应层的停留时间仅有30-40s,而5结论在炉内高于80℃的床层中的停留时间也只有45min,反应时间显得短暂。(1)下吸式气化妒应用于稻草为燃料的气化场据研究,生物质的碳在800℃、2MPa且有水蒸合时,炉内所能获得的反应温度低(90℃左右),反汽存在条件下、经7min后,有80%的炭会被气化,应区床层厚度薄,致使燃料在炉内的反应时间短暂剩余20%固体残留物32可见稻草的结构特性所且反应区的热稳定性也较差毛成的床层条件使得燃料在炉内的反应时间缩短,(2)下吸式气化炉燃用稻草时,所获得的燃气热也将影响到气化率的提高值<4187kJ/m3,燃气焦油含量>60mg/m3,气化同时,床层薄使得反应层的料层结构经不起生效率仅有55%-61%。比有关资料介绍的该工艺卢操作中的扰动(下吸式气化炉生产中须时常拨火在北方地区的应用水平下降了很多操作,以防止“冒火”现象发生),操作常使已建立起(3)引起下吸式气化炉应用水平大幅下降的主来的高温反应层热稳定结构破坏,致使气化反应过要原因是稻草的灰渣特性,其燃料持性应在次位程波动,生产稳定性下降。这也就是燃用稻草时,生参考文献产操作度大、气化质量可控性较差的原因。1]许晋源,徐通模,等燃烧学[M],北京;机枝1.业出版43燃气焦油含量高,净化难度大2.吴创之,等.生物质焦油裂解的技术关键|新能源,1998,20上述妒内反应温度水平低、反应时间短两项原因均使得稻草在热解时逸出的挥发分之中的焦油物3卞有生生态农业中废弃物的处理与再生利甲M].北京:化字质无法在炉内过程里得到较好的热裂解,致使出炉工业出饭中国煤化工CNMHG