Imbert式气化器生物质气化综合试验研究

第26卷第5期可再生能源Vol.26 No.52008年10月Renewable Energy ResourcesOet. 2008Imbert式气化器生物质气化综合试验研究刘建坤'，孟凡彬,李晓伟2，王贵路子，张大雷2(1.沈阳航空工业学院清洁能源与环境工程研究所,辽宁沈阳110136; 2.辽宁省能源研究所，辽宁营口15000)摘要:以木块为原料,利用Imbert式气化器进行气化试验.研究了在气化器底部加设木炭层以及不同的还原区温度对产出气成分的影响规律。结果表明:加设木炭层使产出气中CO2含量略有减少,Co含量略有增加,气体品质没有明显的改善,但是可以降低气化器出气口气体的温度;还原区温度为800-900C时.可以获得较好的产出气品质。关键词: Imbet式气化器:气化;木炭;温度中图分类号: TK6; S216.4文献标志码: A文章编号: 1671-5292(2008)05 00204-03Comprehensive experimental study on biomass gasificationin imbert-gasifierLIU Jian -kun', MENG Fan- bin', L Xiao- wei?, WANG Gui-lu, ZHANG Da-lei?(1.Shenyang Institute of Aeronautical Engineering ,The Institute of Clean Energy and Environmental Engineering,Shenyang 110136, China; 2.Liaoning Insitute of Energy Resources, Yingkou 15000, China)Abstract: Experiment on wood gasification in an Imbert-gasifier was carried out. The influence ofthe charcoal layer at the botom of the gasifier and the different reduction zone temperature on thecomposition of the producer gas was studied. The results showed that when the charcoal layer wasput at the bottom of the gasifier, which is directly under the reduction zone, the volume percentageof CO2 of producer gas was slightly decreased, the volume percentage of Co of producer gas wasslightly increased, although the quality of product did not obvious improvement, but the tempera-ture of the producer gas at the gasifer outlet was decreased; and for obtaining qualified producergas, the proper temperature range of reduction zone were 800 -900 C.Key words: Imbert-gasifer; gasification; charcoal; temperature➊引言影响。生物质是唯一的可再生碳资源,其储量巨大，1试验内容采用物理、化学和生物方法可将生物质转化成固1.1 试验原料态、液态和气态燃料。生物质气化就是利用热化学本试验选用北方常见的黄松木为原料,其尺转换技术将利用效率较低的松散生物质转化为利寸约为30mmx30mmx30mm,堆积密度约为230用效率较高的可燃气体,这些气体可被用做供热、kg/m', 通过自然风干使其含水率小于5%。原料工发电、炊事的燃料和合成醇醚的原料H4。业分析及元素分析结果见表1。常用的生物质气化器分为固定床气化器和流表1原料元素分析和工业分析化床气化器。固定床气化器具有结构简单、操作简Table 1 Element & approximate analysis of biomass material便，热效率高的特点。本试验以空气作为气化介元素分析/%工业分析/%发热量质,重点研究了在Imbert式气化器底部加设木炭A目CHONSMV.AFCMIAE层以及还原区处于不同温度时对气化过程产生的木块47.905.85 40.49 0.1 0 5.22 79.67 0.44 14.67 19.39收稿日期: 2008-09-12。.作者简介:刘建坤(1979-),男.硕士研究生.研究方向为生物质气化技术。nmgjk@163.com通讯作者:张大雷(1963-).男,博士,研究员,博士生导师，主要从事生物质能利用技术的研究。.24.刘建坤,等Imbert 式气化器生物质气化综合试验研究原料的堆积密度较大，在气化过程中不易形表2未加木炭层的气体样品分析数据成空腔和搭桥,可以建立稳定、持续的反应层。Table 2 Gas composition of the producer gas without1.2试验装置charcoal layer试验的核心装置为改进的Imbert式气化器。COy% CH/% H/% 0/% N/% CHJ% C0/% LHVAJ.m'311.73 0.17 18.06 0.86 46.00 1.62 21.55 5 361.77在气化器的不同部位布置热电偶，用来监测各反10.98 0.15 18.28 0.80 46.38 1.39 22.01 5 347.41应层和出气口气体的温度。该设备的主要特点是11.35 0.15 16.44 1.55 50.21 1.46 18.84 4776.23在喉部均匀布置了喷嘴，通过循环喷嘴的均布配11.20 0.15 18.11 0.74 46.87 1.47 21.46 s 288.848风,在喷嘴下方形成高温氧化区,使气化反应进行11.73 0.19 18.54 0.72 46.22 1.47 21.13 5 319.22_得更加充分,进一步提高了气化效率;在喉口下部表3加设木炭层的气体样品的分析数据增设了还原炭层,使产出气被进-步还原,增加了Table 3 Gas composition of the producer gas with charcoal layer气体中的可燃成分,同时降低了产出气温度。C0O/% CHJ% H)% 0/% Ny% CH/% C0/% UHVNJ.m10.89 0.13 17.21 0.82 49.00 1.43 2051 5 044.94整个系统在负压环境下运行，其动力由罗茨9.24 0.12 15.78 0.77 48.73 1.27 24.09 5274.21风机提供，气体流量大小通过调节回流阀的开关10.73 0.15 17.19 0.71 46.87 1.48 22.86 5 368.11程度来进行控制。系统工艺流程见图1。9.30 0.00 14.40 1.04 50.66 1.19 23.41 4 934.389.48 0.11 16.29 1.15 49.32 1.28 22.37 5 110.23由表2,3的数据可以看出，产出气中CH，O2,N2,CH4等组分的含量未见变化，但在加设木.炭层气化器的产出气体中,C0含量略有增加,CO2含量略有减少,H2含量也有一定程度的降低。图1系统工艺流程團在气化器还原区内发生的主要反应:C+CO2=Fig1 Process Aow chart of system2C0-162.41kJ，由吉布斯自由能计算结果得知，1-Imbert 气化器;2-旋风除尘器;3-喷淋器;4气水分离器;当还原区温度达到714以上时，该反应才能向5-过滤器;6-罗茨风机正反应方向进行。本试验中还原区温度为840C,1.3试验过程及方法加设的木炭层的温度明显低于还原区温度,因此试验时,将气化器一次性加满料,封闭加料口反应C+CO2=2CO并不能进行,但在还原层和木炭盖。打开进气口和出气口的阀门,开启罗茨风机，层之间的过度区的温度能够满足生成CO的温度将回流阀完全关闭，使气体流量达到最大,检查是要求,使少量碳与CO2发生反应,导致气化气中否有漏气点。确定系统密封完好后,打开点火门,CO含量略有增加，反应前后木炭质量和品质没调整合适的空气流量，用点火棒点火,启动气化反有明显变化也说明了这一一点。产出气中H2含量略应,关闭点火门。当产出气能够点燃且能持续稳定微降低还缺乏合理的解释,H2含量略微降低抵消燃烧时,说明气化反应已达到稳定状态。通过取样了CO含量略微增加对气体热值的贡献。泵在罗茨风机后的取样管用取气袋取样，多余气从布置在气体出口处的热电偶的温度变化可体直接燃烧掉。采用美国生产的HP Varian 3800以看出,在气化器底部加设木炭层,可以降低产出.气相色谱仪分析产出气成分。气体的温度。未加设木炭层时,产出气体的最高温2试验结果及讨论度可达300 C左右,加设木炭层后,产出气的最高2.1木炭层的影响温度为180 C左右。这是因为产出气在经过木炭在生物质气化过程中，产出气体中的大部分层时的阻力增大,延长了气体的滞留时间,所携带可燃成分来自于还原反应，因此还原反应进行的.的热量被木炭层吸收用于加强还原区的反应。产程度决定了产出气体的品质。为强化还原反应过出气体温度的降低减少了热量损失，提高了气化程,在气化器底部加设术炭层。在相同工况下,在器的热效率。气化器底部未加设和加设木炭层的产出气成分分2.2还原区温度的影响.析结果见表2,3。气化温度是影响气化反应过程的重要因素之.25.可再生能源2008 ,26(5)一，对产出气体的组成、分布、气体热值有相当大区温度高于900C,H2的含量随温度升高而逐渐的影响。还原反应是吸热反应,在还原区发生的主降低。还原区温度接近900 C时,产出气中H2含要反应有量最高。C+C02=2C0-162.41 kJ(1)还原区温度对气体产串和气化效率的影响见C+H20=C0+H2-118.82 kJ图3。从图3中可以看出,随着还原区温度的升C+2H20=CO2+2H2-75.24 kJ高，气体产率和气化效率逐渐增大，当温度为H20+CO=CO2+H2- -43.58 kJ(4)500-900 C时,气体产率为1.70~2.14 m/kg,气化要使还原反应顺利地进行，提高产出气体的效率为40.3%-76.5%。质量,必须对还原区提供足够的热量。试验初期,士气北数事产生的气体无法点燃，这是因为在气化器内建立的氧化层，尚不能提供足够的热量来建立稳定的-50还原层。当还原层的温度达到400C时，气体能够点燃,但是燃烧不稳定。图2给出了还原区温度对5气体组分含量的影响情况。50060070温度/心圈3温度对气体产率及气化效率的影响Fig.3 Inluence of reduction zone temperature on gas中15-production rate and gasification efciency3结论400 500 600700800900通过试验研究和分析，可以得出以下一些结温度心圈2温度对产出气组分的影响论。Fig.2 Infuence of reduction zone temperature on producer①在Imbet式气化器底部加设木炭层,虽然gas composition不能明显地改善气体的品质，但是可以显著降低当还原区温度低于400C时，生物质中的挥产出气体的温度,减少热量损失,有效提高气化器发分已大量析出,在氧化区反应生成大量的CO2，的热效率。虽然此时供氧量不足,挥发分不能完全燃烧,也会②温度是生物质气化的重要影响因素，还原产生一定量的CO,但由于还原区的温度不够高，区温度的升高,可以得到品质较好的产出气,气体导致反应(1)进行缓慢,因此,此时产出气中CO2产 率和气化效率均有提高。试验结果表明,当占有很大的比例。随着还原区温度的升高，反应Imbert式气化器还原区温度控制在800~900C(1)的速率呈略微下降趋势。当温度升高到700 C时,生物质气化效果最佳。以后,此时的热量使反应(1)的速率加快,CO2的参考文献:含量迅速下降;同时反应(2)的速率也开始加快,1] 应浩,蒋剑春.生物质气化技术及开发应用研究进展CO的含量随温度升高而迅速增加。当还原区温[]林产化学与工业,2005, 25(S);151-155.度达到900C以后，焦油和固定碳的含量随反应2] YAO BIN YANG, CHANGKOOK RYU, ADELA KHOR,的进行逐渐降低,CO2的含量会有所增加,CO的et al. Effect of fuel properties on biomass combustion.含量反而会减少。还原区温度为850 C时,产出气Part I1. Modelling apprach- idenifcation of the con-中CO含量最高。tolling fcors[].Fuel,200 ,84:2116 -2130.当还原区温度达到500 C以后,产出气中H2[3] ORMEROD B. The disposal of carbon dioxide fromfossil fuel fired power stations [C]Eds Elsevier. Ams-的含量开始逐渐增加。随着还原区温度的升高,物terdam,1998.料产生的挥发分发生热解产生H2，当温度达到4]蔣剑春.生物质热化学转化行为特性和工程化研究800C时，部分热解残留的固定碳也开始与水蒸[D].南京:中国林业科学研究院,2003.气发生反应,反应(2)的速率明显加快,H2的含量5] 马隆龙,吴创之,环立.生物质气化技术及其应用[M].迅速增加。随后H2与02发生燃烧反应,使得还原北京:化学工业出版社,2003.●26.