下吸式气化炉中生物质气化发电的运行与测试

第26卷第4期煤炭转化Vol.26 No. 42003 年10月COAL CONVERSIONOct. 2003下吸式气化炉中生物质气化发电的运行与测试吴正舜"马隆龙2> 吴创之》摘要对25kW下吸式生物质气化发电机组进行了运行测试.结果表明:下吸式生物质气化发电机纽运行稳定,操作方便;所产生的燃气中焦油较低，可达1.9g/Nm';燃气中的气体成分为:H2,13 %~14 %;CO,19 %~24 %;CH,1 %~3 %;CO2,11 %~16 %;N2,49 %~50 %.气体的高位热值为4 326 kJ/Nm'~6 005 kJ/Nm' ;产气比为1. 65 Nm2/kg~ 2.28 Nm'/kg Fuel;气化过程中碳的转化率为32.34 9%~43.36 %;气化效率为41.1 %~78. 85 %,系统总效率为11.5 %~22.8 %.关键词下吸式气化炉，生物质气化发电,运行与测试中图分类号TK6方法.尽管气化方式很多,包括上吸式气化、下吸式0引言气化、循环流化床气化、双流化床气化以及携带式气化,但因下吸式气化炉的热解产物通过炽热的氧化能源与环保是当今社会发展的两大主题.然而.层而得到充分裂解,因此产生的燃气中其焦油含量由于矿物、石油燃料资源的有限性以及它们燃烧时与其他方式相比要低得多. [1.5J本文通过对25 kW所排出的SO2和NO,将加剧环境污染,所排出的下吸式气化炉中生物质气化发电系统的运行与测CO:将加剧全球的温室效应.人们不得不重新考虑试,以便了解其操作特性和运行结果，为其进一步工使用那些在自然界不会枯竭的可再生能源的可能业 放大作准备.性,生物质能的利用就是其中的一种.许多国家早就开始把新能源和可再生能源发展作为未来的重要能1实验部分源组成部分而加以重视.但由于生物质的特殊特性(灰溶点低,碱金属元素含量高.直接燃烧易结渣和为了了解25kW下吸式气化炉中生物质气化产生高温碱金属元素腐蚀和直接燃烧产生蒸汽推动发电的操作特性和运行结果,对其运行系统进行了透平发电投资大等)，目前许多国家把注意力集中在测试，见第80页图1.所使用的生物质燃料的分析大型生物质气化发电技术研究上. [-3]见第80页表1.木块物料尺寸为70mm~90mm.由于生物质的气化过程中伴随产生大量的焦气化炉产 生的燃气通过HP3830气相色谱分析其组油,造成在燃气净化过程中产生大量含焦废水;此外成 ,燃气中焦油的含量采用国际通用采样方法测定，燃气中未彻底除尽的焦油冷凝后与未分离下来的飞其采样流程图见第80页图2,通过采用电加热保温灰黏附在一起,堵塞管道影响常生产;另一方面,燃夹套使采样管线中燃气温度维持在150 C~350 C气中夹带的少量焦油随燃气一起进人发电机组气缸范围内,以使燃气中的焦油不会冷凝下来.采样管线中,因不完全燃烧在气缸中容易形成积碳,需定期清中有玻璃纤维过滤器以便使随燃气的灰粉不进入吸理，影响燃气发电机组的连续正常进行和使用寿命收瓶.冷阱吸收瓶中采有二氯甲烷作为吸收液,以溶因此,如何降低燃气中焦油的含量的研究引起广泛解燃气中的焦油;冰浴中采用NaHCO3碱液作为吸关注.除对燃气中的焦油进行催化裂解外,采用降低收液，以吸收气化过程中所产生HCI,NO,和NHs.燃气中的焦油含量的气化方式也不失为一种有效的测试完毕后取一定体积的二氯甲烷溶液于容器中，1)博士、副教授:2)研究员,中国科学院广州能欏研究所.100广州收稿日期:2003-06 30;修回日期:2003-08-0980煤炭转化2003年Eixhaust四D③D D.中①⑥WateChips |⑤InductorI fiterfilo10 flerfiterpoQatd Cnginef- tenmer! . GI Aruyir Gasier5sh L Dust⑦condensateDustDust 0-0Ai@①Postion日Flowmate四⑧色Pressure 0 weighi元Temperature 0 Powerheater图1生物质气化发电 系统工艺流程图Fig. 1 Schmaitic diagrarn of power generation system from biomnass gasification表1生物 质原料的工业分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and ultimate analysis of biomass fuelProximate analysisIremDensity/(kg.m-) A/% Heat value/(kg.kJ-I) V/%FCH0NSWoody chip6353.981736:81.9214.395(43.30.1Quarz fber filter和床料高度来改变运行工况，包括产气比、气化炉的运行温度以及对外输出功率等.TE- Steel tubePitottubeGlass and pite tube2.1 温度Teebath Cool beth T=10 C气化炉的正常操作温度在900 C~1 100 C左.Volume 0oGas washing右,气化炉中的从下到上的5个测点的温度见图3.meterSsilcabofiles content CHC,1200图2燃气中焦油分析采样流程图1 000Fig.2 Tar cllecring flow chart in fuel gas for analysis00 F让二氯甲烷挥发后,确定其剩余物的重量即为对应00上二氯甲烷体积中所含的焦油质量.至于焦油中的具00 H体组分通过HP6890GC-MS分析.此外取冰浴中00出的溶液在HPICDX300上用SX12色谱柱分析溶液中所含的组分.其中燃气中焦油含量的计算式为:Timec- maXUItL x (Tv+ 273)(g/Nm3)UI X VAN图3炉内温度与时间的关系式中:mw一U二氯甲烷溶液中溶解的焦油重量，Fig.3 Relation of temperature with timeg;Ur一二 氯甲烷总体积数;Vx-采样 期间所从图3可以看出:在A时间以前属于加料阶通过的燃气体积数,m';Tu-对应燃气体积的温段,B时间以后停止加料阶段,AB为正常运行工况发，时的温度分布，气化炉内温度的调节主要是通过改变燃气发电机组的抽吸气能力以及气化炉内床料高2结果与讨论度来控制.这一点可以从发电机的输出功率与气化在下吸式气化炉的操作过程中,主要是通过改炉的出口温度以及床料高度与温度的关系(第81页变内燃机的抽吸气能力(即改变发电机的输出功率)图4和图5)中可以看出、第4期吴正舜等下吸式气化炉中生 物质气化发电的运行与测试812.3发电机输出功率对产气比以及系统总效率的影响发电机输出功率对产气比以及系统总效率的影618响分别见图7和图8.从图中看出.随发电机的输出21501Ouput power/kW，14器图4功率输出对气化气温度的影响15025Fig.4 Relation of output power with temperatureOutput powel kW97功率输出对产气比的影响930BFig.7 Effer of output power on gas yield620310-200 400 600 8001020Temperahure/COutpur power/ kw图5料层高度 与温度的关系Fig. 5 Relation of height of material with temperature图8功率输出对总效率的影响Fig.8 Effect of output power on total eficieney2.2发 电机输出功率与气体成分的关系功率增大,产气比和系统的总效率的增大,当发电机发电机输出功率与气体成分的关系见图6.从的输出功率在5 kW~25 kW之间变化时.产气比图6可以看出,发电机的输出功率即抽吸气能力的改在1. 65 Nm/kg~2. 28 Nm*/kg燃料之间变化，血变对气化炉产出的气体成分几乎没有影响.即它们的碳的转化率为32.34 %~43.36 %;气化效率为体积成分为:H2,13 %~14 %;CO,19 %~24 %;41.1 %~78. 85 %,系统总效率在11.5 %~22.8 % .CH, 1%~3%;Co..1%~16%:N..49%~间变化. 其中碳的转化率、气化效率和系统总效率的50 %.气体的高位热值为: 4 326 kJ/Nm'~6 005定义如下:碳的转化率=kJ/Nm'.单位时间所反应的碳的摩尔数50对应时间所加人的燃料中碳的总摩尔数气化效率=40-单位时间产生的可燃气发热量x100%30对应时间的加入燃料的化学热系统效率=单位时间输出的电能对应时间所加人生物质燃料的热能x100 %0ζ22.4燃气中焦油含量测定0utput powe/kW按实验部分中焦油测定方法对燃气中的焦油进图6功率输出对产气成分的影响Fig. 6 Fffect of output power on gas composition行了测定.其中在正常操作条件下,燃气中焦油的总含量为1.9g/Nm*.其中焦油中所含的具体组分分82煤炭转化2003年析见图9.主要各组分的含量见表2.从图9和表2中可以看出:焦油中所含的成分1200 .复杂,且多为有机物质,其中含量最高为甲苯，占1 1001 00050.3 %,由于采用的是下吸式气化炉,燃气经过喉900部区域时，温度较高,在1 000 C左右,导致燃气中800焦油通过高温氧化区时,大部分裂解,因此燃气中焦700600油含量比较低,只有1.9 g/Nm'.与其他气化炉产生50的燃气中焦油含量相比要低得多.400 .302001000C3结论10068101214.161820224262830L/ nm(1)下吸式气化炉操作方便,运行稳定,所产生图9燃气中焦油成分分析的燃气能满足内燃机发电的要求.Fig.9 Tar composition analysis in fuel gas(2)经下吸式气化炉可产生燃气的体积成分分表2焦油中各主要组分含量Table 2 Main composition content in tarNaphth- l-methyI2-methylAenaph- Acenaph- Fluor- Phenan- Aathra-TolueneEthylben-p-Xylene0 Xylene Plendalene naphthalalene naphthalaene thalene theneene threne cene4. g2.. 2.62.60.350.3.15.79.1 B.3别为: H2, 13 %~14 %; CO, 19 %~24 %; CH,Nm2/kg~2.28 Nm*/kg燃料之间变化，而碳的转化1 %~3 %;CO,11 %~16 %;N2,49 %~50 %.气率为:32.34 %~43. 36 %;气化效率为:41.1 %~体的高位热值为;4326 kJ/Nm'~6 005 kJ/Nm'.78. 85 %,系统总效率在11.5 %~22.8 %间变化.(3)在操作过程中.改变发电机的输出功率,在(4)下吸式气化炉所产生的燃气中焦油含量较5 kW~25 kW之间变化时,可导致产气比在1.65低,可达1.9 g/Nm2.参考文献[1] Beenackers A C M. 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The results indicated that thepower generation system was stably and converniently operated,the tar content in fuel gas wasvery low and reached 1.9 g/Nm'. The gases content in fuel gas were as follows:H2;13 %-14 %;CO,19 %-24 %;CH,1 %-3 %;CO2,11 %-16 %;N2,49 %-50 %. During the testing ,gas yield1. 65 Nm*/kg-2. 28 Nm*/kg Fuel ,conversion efficiency of carbon 32. 34 %-43. 36 % ; gasificationefficiency 41.1 %-78. 85 % and system efficiency 41.1 %-78. 85 % could be obtained.KEY WORDS downdraft gasifier ,power generation from biomass gasification , performanceand testing