下吸式生物质气化炉气化性能研究

第26卷第1期热能动力程Vol. 26 ,No.12011年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERCY AND POWERJan. ,2011t新能源动力技术}文章编号:1001 -20201)01 -0105 -05下吸式生物质气化炉气化性能研究金亮,周劲松,吴远谋,骆仲泱(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:生物质固定床气化技术具有运行稳定、可提供清洁1实验装置及测量能源等优点,但也存在气化效率差,燃气热值低的问题。以采用炉膛集中供风技术和还原区热量包裹技术的下吸式气1.1实验装置化炉为研究对象,研究炉膛温度、空气当量比(ER)对燃气成实验以空气为气化剂，由鼓风机鼓入,引风机带分、燃气热值、气化效率等气化性能的影响,并与以往研究结动提供动力。气化炉结构及实验系统如图1和图2果进行对比分析。实验表明,该气化炉能保证在较低ER内所示。实验系统包括气化炉、燃气净化系统、温度测(0.1~0.35),获得较高的炉膛溫度和还原区温度,产出的量系统及燃气采样检测系统。燃气热值在6.5 MJ/m'以上，气化效率达到65%,平均气化效率在55%以上，气化性能较为理想。原料入口燃气出口关键词:生物质气化;下吸式气化炉;还原区温度;空气当量比中图分类号:TK6文献标识码:A干燥引言区挡板集中供风口在生物质热化学转化技术中,生物质气化技术气化剂入口具有能量转换效率高、操作简便、气化合成气可进一氧化区步液化等特点,成为生物质能利用的可行途径。生物质气化技术按炉型分可分为固定床、气流床及流还鳜区祖燃气出口化床等几种。下吸式气化炉属于固定床中的一种,该气化炉具有结构简单、工作稳定性好、出口燃气焦除灰区排污出口油浓度少等优点" ,在农村集中供气及小型生物质除灰口发电技术中得到了广泛的应用，但该炉型也存在气化效率及燃气热值偏低等问题。图1下吸式气化炉 结构本研究以具有炉膛集中供风技术和还原区热量包裹技术特点的下吸式气化炉为研究对象,采用木气化炉有效高度1000mm,喉部截面直径250屑为原料,通过实验分析反应温度、空气当量比nm。原料从气化炉顶供入,空气通过外接鼓风机由(ER)对燃气热值燃气成分和气化效率的影响,从集中供风口进入氧化区与原料发生氧化反应,粗燃而得到该气化炉的气化性能。气经过挡板初级过滤,从气化炉燃气出口排出。高温燃气经过挡板的阻隔,一方面利于热量传递至千收稿日期:2010-02 -25;惨订 日期:2010-04 -07基金项目:浙江省科技计划基金资助项目(200801001-2)作者简介:金亮(1985 -).男.浙江嘉兴人，浙江大学硕士研究生.●106.热能动力工程2011年燥区加强原料干燥,另-方面部分水 气、灰分等杂质排污 口以闷盖封闭,停炉时打开,清除积聚的污水。经阻隔从燃气中分离,达到初级过滤作用。运行时P-温度显示器000中-”风机切换阀中-8风量计气体流量计. 气相色谱仪机L●追来水连中中自来水出图2下吸式气化炉 气化系统流程气化炉型设计有3个特点:(1)从干燥区至氧的平均温度 ,同一截面采集16个测点,如图3所示，化区采用口径渐缩的锥形设计。由于倾角在7 ~各点处于各截面的中点，每15 min记录1次热电偶10°之间适合原料自动下料[2),故此气化炉倾角为温度值。9*;(2)还原区为“两头小、中间大构型,利于将热1.3 燃气成分分析量“包裹"于还原区中部，防止出现“还原死角",以燃气成分采用北分瑞利分析仪器有限公司产的提高气化效率及焦油二次裂解效率;(3)氧化区采SP3420A型气相色谱仪分析。根据已知可燃气体的用集中供风技术物料在氧化区能集中燃烧创造还热值 及相应的浓度,得到燃气热值。为保证结果可原区高温、缺氧环境,利于气化。靠性,每20 min测量一次,一个工况下的燃气热值气化炉产出的燃气通常含有灰分、水分、焦油等为各采样的平均值。杂质，系统采用湿式喷淋和干式净化两级过滤装置1.4气化效率计算过滤燃气,过滤后绝大部分杂质被除去,净化后的燃气化效率η定义为生物质燃气输出热量Q和气能满足实验要求。生物质原料输人热量Q。之比,计算式为:1.2温度测量tη=q。-x 100% =V.xOm x 100%0(1)G。xQx.m '式中:η-气化效率,%;Qi- -燃气的输出能量,KJ;910Qo一原料输人能量,k;Q.-燃气低位发热量,kJ/m' ;G,- _原料重量, kg;Qw.m- -原料低位发热量,01| 0268.,03 |ik]/m';V-燃气产量,是产气时间i与燃气流量q07-的乘积,m'。is,0605i22实验方案i4由于炉内反应温度与空气当量比(ER)对气化炉气化性能有重要影响,所以实验主要研究还原区围3溫度测点截面示意图温度及ER变化对燃气热值、气化效率的影响。实验在1个标准大气压、20 C环境下进行。炉内布有6根长度可调热电偶，测量炉膛不同2.1实验 原料高度及同- -截面不同径向的温度。另取- -根热电偶实验以木材加工厂的废料木屑为原料,木屑平从炉口插人,用以测量燃烧区及下部还原区同一截均长度小于5 mm,工业分析和元素分析如表1面不同点温度,经面积平均后的测量结果作为截面所示。第1期金亮,等:下吸式生物质气化炉气化性能研究.107●囊1木属工业分析与元素分析CH +2H20(g) =CO2 +4H2 -165 kJ(5)C+H,O(g)=CO +H2-131 kJ(6)工业分析/%元素分析/%C+CO2 =2C0-172 kJ(7)MuAnV_FCuCuHuNu Su O。1Ulg~式(2)和式(3)属于放热反应,式(4) ~式(7)11.95 0.85 67.84 14.36 43.69 6.42 0.0732.02 14987属于吸热反应。Le chatelier的升温原理表明[”] ,当温度升高时,2.2反应温度影响的实验设计反应会朝着吸热增强的方向进行。在生物质气化过反应温度是影响气化反应的重要因素之一-,气程中,随温度上升,反应式(4) ~式(7)会加强,反应化随反应温度的升高呈现4个阶段|-):(1) 150式(2)和式(3)会减弱,故气化产氢会随着温度上升C左右为生物质原料中水分的挥发阶段;(2) 170 ~而加强。Tum等人认为国],随着反应进人高温区，370C为来自于纤维素及半纤维素轻质挥发分析出焦炭的热力分解和水蒸气的重整变得更为容易,更阶段;(3) 400 ~700 C为重质挥发分从生物质表面多的C和H20以反应式(6)的形式进行，H2浓度析出、木质素开始气化阶段;(4) 800 C以上为半焦升高。同时,虽然温度升高反应式(2)受到抑制,但发生分解反应阶段。由于反应式(4)、式(6)和式(7)的增强以及多碳气温度变化由热电偶监测,实验中将ER维持在体的高温分解,故CO浓度在650 C后依然有较明0.17左右。待燃气产出后,通过测量不同还原区温显的上升。度的燃气热值及燃气成分,得到燃气特性的变化。较低温度(< 600 C),燃气中CH4和C.H.主一个工况需连续稳定运行6 h以上,并重复3次。要来自于挥发分的析出,高温(> 650 C)下CH4和2.3 ER 影响的实验设计C,H.会发生裂解反应生成小分子燃气。CH4 的浓ER为生物质气化实际供给的空气量与生物质度在600 ~ 700 C之间达到最大,为4.68% ;700 C完全燃烧理论所需的空气量之比']。通过元素分以后,气化温度达到较高水平CH分解,浓度逐步析可计算出木屑完全燃烧需要的空气量。调节气化下降。C,H_浓度在310 C达到最大浓度1.31%，炉运行待工况稳定后,还原区温度基本不变,通过控随着温度上升,C.H.发生热分解,C.H_浓度逐步制一段时间内气化剂流量及原料加人量，保证气化降低。炉在一定ER下运行,在该时间段内每15 min测量一次燃气热值和燃气成分、并记录燃气产量,测量时间- -般在1.5h以上,同一工况重复稳定运行3次，取平均数据作为测量结果。3实验结果及讨论3.1反应温度对气化特 性的影响图4为燃气体积浓度随还原区温度的变化曲00 4000500600700800900还原区温度/C线,在310 ~ 870 C范围内,随着温度的升高.N2和CO2在燃气中的浓度降低,分别从59%和14.5%降團4燃气体积浓度随还原区温度的变化为47%和8.1% ;C0和H2浓度升高,尤其在650 C以后上升明显,分别从初始浓度的16.1%和8.4%由于实验采用空气作为气化剂，所以燃气属于上升为21.7%和18. 9% ;CH,浓度先上升后降低，低热值气体|°。图5为燃气热值随还原区温度的变C,H.(包括C,H.、C2H。、C,H、C,Hg)在较低浓度下化曲线,随着温度上升,燃气热值呈上升趋势。由于浓度随着温度的上升而降低。在650 C之前,CH,、C.H.比高温( > 650 C)时多，生物质气化主要发生6步反应'°]:2C +02 =2C0 +246 kJ(2)虽然浓度不高.但由于热值较高,所以总体热值升C+O2 =CO2 +409 kJ(3)高;650 C后,由于高温气化条件使COo和H2的浓CH, + HO(g) =CO +3H2 -206 kJ(4)度升高,燃气热值继续升高。热能动力工程2011年0.4范围内(通常为0.25) ,能获得较为理想的气化6500效果1-1)。但本实验中, ER在0.16左右时,燃气6000 t成分较理想(17.0% H2、4. 1% CH4、20. 1% C0、1.。550%C,H、12.6%CO2.45. 2% N2) ,这是由于实验中气化炉采用了利于气化的特殊构造:-方面,采用了4500氧化区集中供风技术,可以保证进人炉内的氧气能4000在氧化区充分燃烧,对提高氧化区温度有积极作用;500另一方面，还原区采用“包裹”型设计,能有效减少300 400 500600700800900从氧化区传递至还原区的热损失,提高还原区气化还原区温度/心强度。因此，虽然处于较低的空气当量比,但依然能保证较高的反应温度及气化强度,从而保证了气化图5热值随还原区温度的变化反应的深度。ER对燃气热值的影响如图7所示。由图可知，3.2 ER对气化特性的影响图6中,在0.1 ~0.5范围内,随着ER的提高,ER在0.1 ~0. 17范围内时,热值变化不大约为6. 5可燃气体的体积浓度呈下降趋势,N,、CO2浓度明显MJ/m' ;在ER大于0.17时，热值随ER的提高明显提高,尤其是N2从46%.上升为59%,ER在0.1 ~下降;ER为0.5时,热值降低至4 MJ/m'。当ER较小的时候，炉内是缺氧环境,物料层(尤其是还原0.16的范围内时，H2浓度明显上升。区)甚至是无氧的，此时主要是挥发分的析出,析出的多碳类物质对热值提升有重要贡献。同时,燃气0中氮浓度较少,可燃气成分较多，热值较高。ER较大时,炉中的物料多半发生燃烧反应, N2浓度升高的同时,产生了过多的CO2,破坏了气化氛围,影响了燃气品质。100.0.20.3 0.4R5500图6燃气体积浓度随ER的变化5000毅4000可燃气体浓度随ER增大而降低,有两方面的3500原因:第一,ER增大，鼓人炉中的空气增多,在维持3000燃气流量不变的情况下,N2在燃气中比重增加，同0.30.40.5时,更多的02通过燃烧以CO2的形式存在于燃气中,使可燃气体的浓度进一步降低;第二,ER 增加扩图7燃气热值随ER的变化大了炉中氧化燃烧区域,还原区域变小，单位时间内的气化强度降低,可燃气体产出变弱。在原料给入量- -定的情况下,气化效率主要受ER在0.1 ~0.16范围内,H2浓度出现了明显燃气产量和燃气热值的影响。一-般而言,燃气产量的上升,原因在于较低ER(- -般认为小于0.4)10]随着ER的增加而增大。而热值与ER基本呈负相下,不完全燃烧的气化反应占据着主导地位,此时关特性,因此，气化效率随ER的变化存在一个ER的提高有利于炉内氧化区温度的上升,对气化反峰值。应的深度进行是有利的,尤其在温度达到700C以气化效率随空气当量比的变化曲线如图8所上时，反应式(6)占主导地位,水蒸气气化促进了H2示,气化效率随着ER的提高先增大后降低,当ER在0.3时,气化效率达到最大,为65%。ER在0.1浓度的升高。已有研究认为空气气化中,控制ER在0.2~~0.3时,燃气量的增加及较高的燃气热值使气化第1期金亮,等:下吸式生物质气化炉气化性能研究●109●效率升高;ER大于0.3时，虽然燃气量很大,但炉内性能呈现最佳状态。实验中气化炉采用集中供风技气化氛围被破坏，燃气中存在大量N2和CO2,所以术和还原区热量包裹技术后,使氧化区获得较高温气化效率开始下降。总体而言,ER在0.1~0.35之度,还原区热损失降低,从而能在较低空气量供人的间时,气化效率均在55%以上,表明该气化炉对不情况下提高气化效率及燃气热值。ER在0.1 ~0.同工况具有良好的适应性,气化特性处于较高水平。35范围内,燃气热值在5.0 MJ/m'以上,最高达到6.5MJ/m',气化效率在55%以上,均达到了较高水平。s0参考文献:5[1]陈冠益,高文学 ,颜蓓蓓,等.生物质气化技术研究现状与发展50[J].煤气与热力,2006, 26(7):20 -26.s5[2]段玉燕 户用型生物质气化炉的开发与试验研究[D].杭州:浙江大学2008.0.10.30.5[3] 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Intermational Joumal18%;由于高温裂解C,H.的浓度从1. 3%降低到of Hydrogen Energy, 1998, 23(8): 641 -648.0.9%;C0浓度随温度变化不大,稳定在20%左右。[9]袁振宏, 吴创之，马隆龙，等.生物质能利用原理与技术[M].(2)高温为炉内提供气化所需要的热量和温度北京:化学工业出版杜,2004.环境,产生的H2和CO成为热值贡献的最主要因[10] ERGUDENLER E, CHALY A E. Quality of ga produced from素,还原区温度在900 C以上时,热值在6.5 MJ/m'wheat strew in a dual disributor trpe fuidzed bed gaifir [J].Biomass Bioenery,1992 .3(2) :419 -430.以上。[11] JANG H, MOREY R V. Airgeification of corncobe旺fluid-(3) ER是影响气化特性的最重要的因素。随ization [J]. Biomass Bioenergy ,1992 ,3(2) :87 -92.着ER的提高,除了H2浓度在初始阶段有上升外，[12] KURKELA E,STAHLBERG P. Air gifcatio of peat, wood and其余可燃气体浓度均呈现下降趋势;ER超过0.16brown coald in presourised fluidized bod reactor [J]. Fuel Proceas后,燃气热值下降;由于受到燃气热值和燃气产量的Technology,1992, 31(1):1-21.[13] RENSFELT E, EKSTROM C. Fuel gas from municipel waste in助双重影响，气化效率先上升后降低,当ER为0.3integrted eirculating fluidized bed / gas cleaning proceses [J].时,气化效率达到最高，为65%。Energy Biomass Waste ,1989 ,12(4) :811 -906.(4)以往研究表明,ER在0.2 ~0.4之间,气化