生物质固定床气化试验研究

第34卷第2期同济大学学报(自然科学版)Vol. 34 No.22006年2月JOURNAL OF TONG]I UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Feb.2006生物质固定床气化试验研究魏敦崧',李芳芹2,李连民3(1.同济大学机械工程学院，上海20092; 2.上海电力学院能源与环境工程学院,上海200;3.上海燃气市北销售有限公司,上海200434)摘要:根据生物质的气化原理,利用固定床上吸式气化的试验方法,对生物质进行气化研究.搭建一小型气化试验炉,分析采样气,得到气化气的热值利用实测数据计算法计算各种气化指标,同时研究了炉温、原料特性、燃料层厚度等操作条件对生物质气化的影响.建立了数学模型,对气化过程进行模拟，进一步研究气化炉内部的反应状况比较模拟计算得出的燃气成分、热值与试验测得的相应数据,验证了上吸式固定床气化方法的可行性.关键词:生物质;固定床;气化;试验研究中图分类号: TK 6; TQ 546.2文献标识码: A文章编号: 0253 - 374X(2006)02 - 0254-06Test Study on Biomass Gasification in Fixed BedsWEI Dunsong', LI Fangqin? , LI Lianmin3<1. Cllge of Mechanical Eninceing, Tongji University, Shanghai 20092, China;2. Energy and Environment Engineering Institute, Shanghai University of Eletric Power , Shanghai 200090, China;3. North Shanghai Gas Business Co. Ltd. , Shanghai 200434, China)Abstract: Based on the principle of biomass gasification, the method, updraft gasification in fixedbeds, is adopted to study the process of biomass gasification. After setting up a small-scale test gasifierand analyzing sampled gases, the heat value of gasified gas is available. Tested data method is used tocalculate gasification criterions, and at the same time, the effects of temperature of gasifier，character-istics of raw materials, thickness of fuel on the biomass gasification are discussed. A mathematicalmodel is established to simulate the process of gasification and study the chemical reaction in the gasif-cation furnace. Ingredients and heat value of simulated gases are compared with corresponding testeddata. The feasibility of updraft gasification in fixed beds is verified.Key words: biomass; fixed bed; gasification; test study随着全球性工业生产的发展,以煤、石油为主的-[0]. 例如,大部分秸秆被无端烧掉、垃圾被填埋或常规能源的日益短缺和环境污染的不断加剧，促使倒人河海中等,这不仅浪费资源，而且对环境还造成人们加紧研究各种可替代能源.可再生的生物质能严重污染.有效利用这些生物质的一一个有效途径就在能源结构中占有极其重要的地位.我国生物质资是把生物质气化成燃气来加以利用.本文利用固定源(木料、秸秆及垃圾等)蕴藏特别丰富，但据统计，床上吸式气化方法对生物质秸秆进行气化研究.生物质能的利用仅占可用生物质资源的三分之收稿日期: 2004-09-22作者简介:魏敦崧(1944- ),男,上海人，教授，博士生导师. E-mail:dsweib@mail. tongi. edu. cn第2期魏敦崧,等:生物质固定床气化试验研究255气,通过罗茨鼓风机后，分成两路:一路旁通,直接排1生物质气化过程放到大气中;另一路流经并联的转子流量计和孔板流量计,计量后进入气化炉，作为气化剂.进人气化生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素等有炉的空气量是通过调节阀门来控制的.空气流量测机物和水分组成.生物质气化过程是生物质中有机量仪采用两种并联的流量计:低流量时,用转子流量物转化为可燃性气体的过程.气化炉内燃料层自上计;高流量时,用节流孔板流量计.而下可以分为三层:干燥层、热解层和气化层(包括煤气出口氧化层和还原层).生成气干燥的燃料在热解过程中测溢孔取样孔产生CO, CO2, H2,N2,H2S,焦油蒸气及少量的入料口CH,C..H等气体以及焦.随后,固体焦发生如下的氧化、还原反应:氧化层C+O2 =CO2(放热反应)2C+ O2 =2C0 (放热反应)还原层C+ CO2= 2CO (吸热反应)C+ H2O= CO+ H2(吸热反应)CO+ H2O= CO2 + H2(放热反应)凯]炉门风道[C+ 2H2O= CO2 + 2H2(吸热反应)可见,生成气的主要可燃成分为CO和H2.图1试验用气化炉示意图(单位 :mm)2试验装置及测试系统Fig.1 Sketchg figure of used gasifier (unit: mm)2.3燃气燃烧器本试验的气化试验装置[2]包括气化试验炉、供本试验中,设计了两个直管式燃气燃烧器.一个风系统、燃气燃烧器和测试系统等.试验炉为上吸式是自然引风扩散式燃烧器,供烘炉及点炉时使用;另固定床气化炉,炉中的气固两相呈逆向流动.与下吸-个是用于燃烧生成燃气的管式燃烧器,同时也可式固定床相比较,上吸式气化炉的优点是结构简单，监 视生成燃气的质量.气化效率高,灰渣含碳率较低;其缺点是气化燃气中2.4测温系统含焦油较多.气化炉内床层的最高温度约1 000 C左右,采2.1 气化试验炉用镍铬-镍硅热电偶来测量炉内温度.为了测量床气化试验炉[3]如图1所示.采用耐火砖炉墙,既层不同高度的温度分布,在炉排以上750~1 200能耐高温,又可减少散热损失.试验时炉门需关闭，mm 之间布置了五个测温孔.各热电偶经过转换开但由于实验条件等原因，炉门密封不够好,所以会有关接到数字式毫伏计 ,可以连续观察不同床高的温少量空气漏人.炉顶左侧为加料口,为防止物料上方度变化.有大量空气漏人，于加料口处又砌有180 mm高的2.5取样装 置及气体分析仪护砖,形成-一个喉颈，加料时此处塞有物料,形成料取样管采用铜管，断面切成斜面.铜管固定在烟封，可适当减少由此漏人的空气量.右侧为燃气出道内,使斜口断面向下,正好迎着上升的燃气流由口,与砌砖烟道相连接.在砌砖烟道上方安装有铁皮于炉内呈微负压,采用取样泵将气样抽取到取样袋烟囱.砌砖烟道内预埋有测温铜管及取样管,用来测内.取样管还起到冷却作用,500~600C的出炉燃量燃气出口温度和取燃气样.取样管布置在烟囱断气, 到达取样泵人口时可降到大气温度采用奥氏气面中心位置处,以保证所取燃气样具有代表性.为了样 分析仪在常温下对采样气进行分析.解整个炉内温度分布情况,在炉墙的不同高度上布置了测温孔.3气化试验及其结果分析:2.2供风系统本试验采用空气作为气化剂.鼓风机采用一台每次试验都要从冷炉启动,所以在气化前,需要出口静压为88.26kPa罗茨鼓风机经过过滤的空-段时间点炉升温,使炉膛达到适宜气化的高温状同济大学学报(自然科学版)第34卷256态.在气化过程中,灰渣的排除和投料量的调节是两气作为气化剂,故采用前两种方法来调节炉内温度.个特别重要的环节.灰渣的排除采用人工方法来实加入物料后,将热电偶插人各测点测量炉膛温度,每现,具体排渣量和排渣时间视试验具体情况而定.灰5~ 10 min作- -次温度记录.在气化稳定时,温度记渣层过厚,将增加上升的气化剂所受的阻力;反之，录的时间间隔可适 当减少,测定记录炉膛温度并进气化炉的热容量过低,炉膛内温度达不到气化要求.行燃气采样.试验中,一-般控制在200~ 300 mm左右.气化炉操3.1 气化结果作过程中,控制温度的方法有改变投料量、调节空气实验测试的物料元素分析见表1. 产气成分及量及调节蒸气量三种.在本试验过程中,由于只用空其气化指标见表2. .表1元素分析(质 分数)Tab.1 Analysis of elements( rate of mass)质量分数/%物料共计NS木块45.666.2245.851.380.060.83垃圾19.994.6025.770.100.1649.3810037.605.8440.221.880.0914.371) A为灰分.表2产气成分Tab.2 Components of gas热值/气化效 产气率/_0O2CH_O2.00H2N2 (kJ.m~)_ 率/% (m'.kg~")11.900.601.9015.802.907.5059.404 508.8 72. 972.9614.300.502.8011.5070.901 780.3 22. 361.12谷壳14.610.642.6710.982.106.2162.793420.9 64.602.573.2气化计算结果分别见表3、图2.计算中带出物损失忽略不计.采用实际数据计算法进行气化过程的计算.以由表3可以看出，以100kg燃料为基准,计算所得谷壳为例,其物料平衡、热量平衡以及气化指标计算的输人与输出的物料相差7. 89 kg.表3元素物料平衡表(100 kg燃料)Tab.3 Material balance of elements (100 kg fuel)ig项目CHA100.00输入空气中水蒸气3.994.49空气54.70180.20234.90合计6.3498.91 .182.08339.40干燃气36.002.4275.46182.07296. 02输出燃气中水蒸气3.92 .31.3435.26灰渣1.600.0215.9937.6106.80347.273.3 气化过程的影响因素另外,空气的分布亦对气化质量有影响,如果布3.3.1空气流量及分布的影响风不均匀,将使得同一截面不同位置的气化速度不空气流量对气化质量有很大的影响实验表明,一致,进而影响气化质量. 本实验中采用分布板来调空气量过大时,氧化层增厚,炉内温度下降,0O2增节空气气流的分布.在冷床试验中,通过测定炉内各加,CO减少,气化质量降低;反之，空气量不足时，测点的风速,寻找到分布板的最佳布置位置以获得氧化层变薄，反应不完全,气化效率降低.因此,为了较好的空气分布,进而优化气化质量.严格控制空气流量,实验采用转子流量计和孔板流3.3.2物料层的影响量计计量、调节空气旁通的方式.由于加料口设在炉膛左侧,物料在炉排上分布第2期魏敦崧,等:生物质固定床气化试验研究257很容易不均匀,因而在加料过程中,用钎子拨平物径小,其热阻力也小，气化炉内的温度分布也就越均料,以减少料层分布不均匀的影响.匀,气化结果好.水分的影响主要体现在两个方面:一炉内气化层包括氧化层和还原层,从气化稳定方面蒸发需要消耗气化过程中燃烧反应所放出的热后测试的不同料层高度处的温度分布曲线图(见图量;另-方面,由于水是-种气化剂，能与C发生水煤3)上,可推断出各料层的大致位置.此试验的点火时气反应生成 H和0Q,进而提高气化气的质量.间为下午2:30,点火23 min后,750~ 900 mm为氧0.84%(Q.)]7.60%(Qo)化区,氧化层厚度约为150 mm,温度约为850 C;0.52%(2)0.28%(Q2)h0.40%(Q0)-900~1 150 mm为还原区,还原层厚度为250 mm,49%(Q2)温度为500~900 C;1 150 mm以上是预热区,物料9%(Q2)加到1500mm处,预热层厚大约为350mm.开始14%(Qo) "时灰渣层很薄,可以忽略.随着气化反应的进行,灰65%(Q23)渣层加厚,氧化层、还原层上移,气化层相对厚度减98.36%(Q,)小,点火后65min左右，在料层高约900mm处才输入热量输出热量进入氧化区,此时温度为850 C.2-燃料热值:Qs-干煤气热值:2-燃料物理热:0-干气物理热:3.3.3 气化物料性质的影响Q-煤气中水蒸气物理热:0一千空气物理热:Qo灰渣化学热:物料粒度大小、总表面积及其含水量等对于燃料Qr -空气中水蒸气物理热0r灰渣物理热:21一炉墙散热等损失层中的气化过程均具有很大的影响.物料粒径越小，其总表面越大,热交换和扩散过程就进行得越激烈,图2热量平衡图使整个气化过程进行得越激烈和越完全.并且物料粒Fig.2 Heat balance900900 r80000 -700700-00 t500 t。点火后23 min敏60日点火后65 min一点火后28 min明s0。点火后72 min400一点火后35 min-点灾后78 min0o一点火后55 min一点火后86 min00 L700 800 900 1000 1 100 I 200300700 800 900 100011001200高度/mm图3不同时刻炉内温度随料层高度的分布曲线Fig.3 Distribution temp. curves along material height in various hours3.3.4出炉温度 的影响4.1.1假设.出炉燃气温度是燃气质量的重要指标之一-,又是在不造成失真的条件下,为便于建立模型特作炉内气化情况、特别是炉内各层次正常与否的重要标以下假设与简化:①炉内气固两相都呈活塞流,反志一般出炉温度在500~600 C之间属于正常状况，应器径向的非均--性可忽略,按一维问题处理;②并且在正常状况下,炉内温度分布越均匀,产出的燃反应器内压力视为常数;③处于稳定气化状态,炉气质量也越好.这是因为均匀的温度分布阻止了烧内各种参数不随时间而变化;④由于径向扩散远远穿、偏炉等情况的发生,从而使得气化反应稳定.大于轴向扩散,且炉内对流传热远远大于辐射传热,4生物 质固定床气化的数学模型故忽略轴向扩散以及辐射传热4.1.2基本方程及其边界条件4.1模型的建立根据气化炉内各段反应特点的不同把整个气为进-步从理论上探讨气化炉内部的反应过化过程分为三部分 处理:干燥和干馏层,气化层,灰程,本文建立了一维非均相稳态数学模型对气化过渣层.因气化层对于整个气化过程十分重要,在此对程进行模拟,并与实验结果进行比较.其进行较详细的分析,而干燥干馏层和灰渣层内过258同济大学学报(自然科学版)第34卷程比较简单,分别对这两层作整体处理.根据以上假.m-3 ;Aw为单位床层体积器壁内侧面积,m2.定,建立反应器的数学模型，如图4所示.边界条件:在气化层底部z= LI处，Tg(L)=2↑ 物料Tg,Cg(L])=Cg;在气化层顶部z=Lz处,T,(L2)= T2s,Cg:(L2)= C2si.C,+dG」G;+dC4.1.3灰渣层和干燥、干馏层的计算Ti+dI, T:+dTg灰渣层中,认为空气只与灰渣发生热交换而不发生任何化学反应,通过灰渣层后,空气量不发生变Cu,T .CqinTp化.把整个灰渣层作为研究对象,气固相传热Qg应等于固相热容的减少Q。L1Qg = KFOT(5)灰渣空气Q。= cpM(T1s- To;)(6)圄4气化炉控制体OT =0.5[(Ti。- Tg) + (Tos- Tog)] (7)Fig.4 Control body of gasifier式(5)~ (7)中:K为气固相传热系数, kJ.m-2.在气化层内取微元段dz ,建立物料及热量平衡s-'.K-l;F 为气固相间传热面积,m?;OT为气固微分方程式相平均温差,K;cp为灰渣比热,kJ.kg-'.K-;M为= 2AuRe .(1)灰渣质量流量,kg.s-l;T0g, Trg为气相在灰渣层底部和顶部的温度, K; To, T。为固相在灰渣层底部dCc= ZAxR,(2)和顶部的温度,K.dz在干燥层和干馏层中,假设物料失去全部的水分和挥发分,即进入气化层的焦只含有灰分和固定(2Cos)出一.SH+碳,这样就可由投料量计算气化层顶部碳的摩尔流hS。(T。- T)+ UAw(Tw- Tg) (3)量.干馏燃气的组分可以按照通常的热解模型进行dT; _计算[4].假设气化层所产生的气体在干馏干燥层不( CAm●CpA+=参与反应,则气化总燃气量即为干馏气和气化层所ZR。. OH + hsS.(T。- T2)(4)产生气体量之和.4.2模型结果与实测数据的分析式(1)~(4)中:R,为反应的总床层表观速率, mol.用上述建立的数学模型,以谷壳作燃料为例进s-1.m-3;R。为反应在固相中的表观速率,mol.s- 1行计算 ,得到炉子出口处的燃气成分与热值(见表.m~;R为反应在气相中的表观速率, mol.s-1.4). 燃气中O2,CO2,H2和CO各组分随气化炉高度m-3;Cgi为气相组分的摩尔流量, mol.s~ 2.m : 3;Ak的分布见图5.从图5看出,气化层内随着氧化反应为组分i在反应k中的计量系数,生成物取正，反100应物取负;z为反应器的轴向距离,m;C;为固相组分的摩尔流量,mol.s" '.m 2;A;为组分j在反应k8中的计量系数,生成物取正，反应物取负;cpi为气相联60组分i的恒压摩尔热容,数值参考手册数据选取, kJ.mol-'.K-';cg为固相组分j的恒压摩尔热容,数主40值参考手册数据选取, kJ.mol-1.K-';CAm为灰的2质量流量，kg.m-3.s-';cA为灰的恒压质量热容,数值参考手册数据,取0.934 kJ.mol-1.K-1;OHk0.10.20.30.40.50.60.70.8反应器轴向距离/m为化学反应的反应焓, kJ.mol-';h为气固相间传热系数,kJ.m-2.s-1.K-1;U为器壁总传热系数, kJ.图5干煤气各组分随炉床高度的变化 曲线m-2.s-1.K-1;Tg为气相温度, K; T,为固相温度,Fig.5 Variation curve of components ofK;Tw为器壁外侧温度, K;S。为床层比表面积,m2dry gas with hearth' s height第2期魏敦崧,等:生物质固定床气化试验研究259表4燃气成分与热值Tab.4 Gas' s ingredients and heat valbe体积分数/%项目热值/(k].m2)0O2CH92HCH4共计试验数据14.61 0.642.6710.986.212.1062.79100.03 420.00模拟数据13.650.50013.348.322.4361.764 030.56偏差/%6.621.921.534.015.71.6的进行,CO2的含量增加很快,且有一较明显的峰之有效的生物质处理方法现总结如下:值.反应初期,由于部分的CO和H2反应,CO2生成(1)试验利用一小型的气化试验炉实现对生物量逐渐增加.随着温度的提高,由于CO2的还原反质(木块、垃圾和谷壳)的气化,其中以谷壳气化为应,使得CO2达到峰值以后的含量有所减少.例,试验所得燃气热值约为3500 kJ.m-3,燃气中由表4可以看出,除试验气体中含有氧气外(这00体积分数较高,约占12%左右.是因为在试验过程中,气化炉顶部密封不够好而渗(2)从气化计算结果来看,物料平衡的总误差人空气所致),试验数据与模拟数据基本吻合.在5%左右.由于本试验所采用的气化炉本身结构按照上述数学模型进行了模拟计算,根据模拟所限，散热损失较大，平均散热损失占总热损失的结果和试验数据,作出沿轴向的气相温度Tg固相10% .为提高气化炉的热效率,必须加强炉子的保温温度T,和实测温度的变化曲线见图6.从图6可以措施.看出,气相温度Tg固相温度T,和实测温度的变化(3)物料层、气化物料性质和出炉温度等对气趋势和大小基本吻合,证明了所建的数学模型基本化都有 影响.上能反映秸秆固定床气化的实际状况.(4)本文建立的数学模型基本符合气化炉内的反应过程,模拟计算得出的结果与实际试验测试的数据基本吻合.一实测温度900。800参考文献:700-[1] 邱钟明,陈砌。生物质气化技术研究现状及发展前景[J].可再600生能源，2002(4);16.500QIU Zhongming, CHEN Li. Progress and prospect of bionass700 800 900 1000 1 100 1 200z1 mmgifiatin[J]. Renewable Energy 2002(4):16.[2] 喻霞.生物质固定床气化技术的实验研究[D].上海:同济大学圈6沿轴向气相温度 Tg、固相温度T。和机械学院，1998.实测温度的变化曲线Fig.6 Curves of temperature of gaseous phase, solidbed[ D]. Shanghai: College of Mechanical Engineering, Tongiphase and test along axisUniversity,1998.[3] 李连民. 秸秆固定床气化技术的实验研究[D].上海:同济大学机械学院，19995结论Li Lianmin. Test study on biomass gaitiction in fixed beds[D].Shanghai;College of Mechanical Engineering, Tongji University,本文利用上吸式固定床气化的方法实现对生物1999.质(木块、垃圾和谷壳)的气化,得到品质较好的燃[4] Cunmer K R,Brown R C. Anillary equipment for biomass gaifi.气,并通过建立的数学模型对其进行了模拟计算.从cation[J]. Biomass and Bioenergy, 2002 ,23:113.(编辑:曲俊延)理论和实践两方面,证实了固定床气化法是- -种行