秸杆生物质在上吸式固定床气化炉中的气化特性分析

第31卷第5期江西科Vol.3I No.52013年10月JIANGXI SCIENCEOct. 2013文章编号:1001 - 3679(2013)05 -0647 -04秸杆生物质在上吸式固定床气化炉中的气化特性分析陆长清',刘光华2(1.江西省科学院能源研究所,江西南昌 3096;2.东莞市百大新能源股份有限公司,广东东莞 523808)摘要:生物质是可再生的重要资源之一,具有取之不竭、用之不尽的特点,作为今后能源发展的重要方向具有战略意义。通过对固定床气化炉进行改进，研制了上吸式固定床气化炉,作为秸秆等生物质的气化设备,研究和开发高效率气化设备。针对水稻、油菜和棉花等3种生物质秸秆气化应用表明,气化效率分别为73.2%、75.5%和77.8% ,符合Q/BD1-2013产品标准的要求,气体主要以H2、N2、CH, .CO和CO2等为主,并含有少量的C2H2、CH和C2H。等,锅炉烟气中的so, .NOx、烟尘排放浓度和黑度均达到CB13271-2001排放标准限值的要求,不需对锅炉烟气中污染物进行治理就可直接排放。关键词:秸秆;气化炉;气化特性中图分类号:TK6文献标识码:AAnalysis on Gas Characteristics of StrawBiomass in Up Suck Gasification StoveLU Chang-qing' , Liu Cuang -hua2(1. Institute of Energy Conversion ,Jiangxi Academy of Sciences ,Jiangxi Nangchang 330096 PRC;2. Dongguan Baida New Energy Co. ,Ld. ,Cuangdong Dongguan 523808 PRC)Abstract: Biomass is an important renewable resource , which has inexhaustible, inexhaustible char-acteristics，as an important direction for future energy development is of strategic significance. Basedon the fixed-bed gasification furnace , Up Suck Casification Stove was made as straw gasification e-quipment, and studied and developed high eficiency gasification equipment. For rice . rapeseed andcotton three kinds of biomass straw gasification application results showed that gasification fficiencywere73. 2% ,75. 5% and 77. 8% ,respectively. The results indicated that it was consistent with theQ/BD1 -2013 standards. And the gas composition was mainly H2, N2 ,CH, ,Co and CO2 , with smallamounts of C2H2 ,C2H4 and C2 H and SO2 ,NOx ,smoke and blackness in boiler exhaust outlet meetto emission standards( CB13271-2001).Key words:Straw , Gasification stove ，Cas characteristics收稿日期:2013 -07 - 18;修订日期:2013-09 -09作者简介:陆长清( 1957-),男,高级工程师,研究方向:生物质新能源与玛中国煤化工基金项目:广东省科技计划项目(2010A080804003)。YHCNMHG.648●江西科学2013年第31卷.过-一定值时,水会自动排出,进入储水器,以备锅0引言炉使用。这样,在气化炉大部分高温区的炉体的石油、天然气、煤炭等一次性化石资源,其主外围形成了一个环形水套,有效控制了炉体外围要的化学成分是烃;而生物质能则是通过绿色植温度的进-步上升,也对气化炉内膛中的耐火砖、物的光合作用,把太阳能转化为化学能后固定和内炉体等都起到了一定的保护作用。贮藏在生物体内的能量,其主要化学成分是糖。目前,我国每年产生农作物秸秆6亿t左右,其中晚流器约有3亿t可作为能源使用,折合1.5亿t标准煤。有不少荒山、荒坡和盐碱地等边际性土地,可+观察犍种植甘蔗、甜高粱、木薯、甘薯等能源作物。另外，稻壳玉米芯、甘蔗渣等农产品加工业副产品数量中心风巨大,都可作为新能源来源!-31。目前,生物质气化应用大多为2种, -种是为农村居民集中居住地区供热及提供生活用气;另外一种是为解决缺电和电价高的问题，运用生物图1调风旋流气化炉可燃气燃烧器结构质气化发电4.5。研制的生物质气化装置,以工农业废弃的生物质物料为原材料,将产生的气化气经特制的燃烧器在工业锅炉燃烧,从而代替石油、天然气和煤炭为工业锅炉提供能源,达到降低成本减少燃烧污染物排放、保护环境的作用,具燃气出口←f-- ◆燃气出口有独特的经济效益、社会效益和环境效益‘°:91。同时也避开了净化和焦油的困境,随气化气- -同排出的少许焦油及杂质,在工业锅炉中充分燃烧了,因此，用生物质气化气替代石油、天然气和煤炭作为工业锅炉的燃料,再以锅炉为载体,实现能图2气化炉炉体外围水循环控温装置量的进-一步转化,将成为生物质气化的发展趋势原料凭自动加料装置,经加料斗从顶部进入之- _0.1]。 本文是在以改进型上吸式固定床气 气化炉,空气从炉体底部进入气化炉,经过顺流与化炉作为目标,研究水稻、油菜和棉花等生物质秸逆流的双向反应,剩余的少量灰烬从底部排出,可秆在该气化炉中的气化特性。燃气化气从中部排出,经过过滤后进人该气化炉气化气燃烧器燃烧,尾气从锅炉排出后进入废生1实验物质颗粒加热装置,如图3所示。1.1实验装 置与工艺流程.通过改变直流次风挡板的开度调节次风旋转5~强度,改变火力的强弱。采用旋流方式的燃烧器比传统的燃烧器使燃气燃烧更充分,火力更集中、更稳定、更均匀,而且清洁无黑烟,减少了NOx的排放,也减少SO2和烟尘燃烧污染物的排放,提高图3工艺流程图了气化炉的节能减排效应,调风旋流气化炉可燃1.2实验材料与过程气燃烧器结构如图1。将水稻、油菜和棉花等生物质秸秆等进行千将符合锅炉供水水质要求的水从气化炉的底燥、切割、粉碎和造粒等工艺,制成几何外形相对部人水口输人,逆流经设于气化炉中上部的出水规则、大小基本-致,密度为1.0~1.5 g/cm’ 的口排出再输人到锅炉中。在锅炉的人水口设计智颗粒,进入加料系统进行气化。.能阀,按锅炉的需要进行供水,同时在气化炉炉体1.3分析中国煤化工外围水循环控温装置中设计控温器,当水温度超1.3.1 气YHCNMH G;B/T12206标.第5期陆长清等:秸杆生物质在上吸式固定床气化炉中的气化特性分析●649●准‘21执行,测定装置原料的输人热量和和燃气的量较高,影响气化效率。输出热量,按照式(1)计算:2.2气体组份 与含量η=Qx/Q, .(1)水稻、油菜和棉花等生物质秸秆分别编号为式中,η为气化效率,Q。为燃气输出热量,Q,为原1.2和3在上吸式固定床气化炉中的气化气体组料输人热量,其中Q。和Q。分别表示为式(2)和.份如表2所示。(3)。表2不同生 物质的气化气体组成/%Qx=Van xQ%w3Q。=Bx Q%w(3)H29.841 49. 54389. 7098式中,Vs为燃气产量, Q%为燃气低位热值,B为0.18870. 399 80. 193 7原料加入量,Q%为原料低位热值。N246. 448 445. 855946.299 91.3.2气体特性分析 采用将 气化炉的气体出口与岛津GC-2010气相色谱仪联用技术,测试可CH42. 543 52.7182. 676 8燃气体的含量。C30. 20230.611 331.280 1锅炉排放口烟气中污染物的检测方法如下:CO,5.827 35. 8975.830 6烟色检测依据《空气和废气监测分析方法》(第四0.171 90.3100.290 6版)|B] ,按照测烟望远镜法,采用QT201林格曼C2H。0.162 80.17830.1753黑度仪测定范围为0~5级;SO2含量检测依据C2H20.297 80.421 70.3546《空气和废气监测分析方法》(第四版) ,按照甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度计法，采用722N型分光光度计测定范围在2.5 ~ 500生物质秸秆气化所产生的主要气体基本都为mg/m' ;NOx依据国家环境保护标准HJ/T43-表2所列的气体组份,表2列出了水稻、油菜和棉1999(141 ,按照盐酸奈乙二胺分光光度计法,采用花等生物质秸秆在该气化炉中产生的气体组份的722N型分光光度计测定范围在2.4 ~ 280 mg/m' ;含量。从表2可知,不同的秸秆所产生气体含量烟(粉)尘依据GB/T16157-1996标准['5] ,按照固有略微的变化,但是变化不是很大，主要还是以定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方H2、N2.CH。.CO和CO2等为主,其中可燃气体主法,采用JDS-100 PL5粉尘仪测定。要为H2、CH4、CO和少量的C2H2、C2H,和C2H6车。2结果与讨论在锅炉烟囱的烟气排放口,经环保监测部门2.1气化效率对锅炉烟气中的SO2、NOx、烟尘排放浓度和黑度测定，结果如表3所示。1.2和3在上吸式固定床气化炉中的气化效率如表3锅炉烟气排放口废气含量/mg. m~3表1所示。SO2NOx烟尘 黑度/级表1不同生 物质的气化效率/%气化介质气化效率27.033. 35.40<173.229.36.7275. 635. 76.9377.8参考标准≤100 ≤400≤50结果评价达标达标达标从表1可知,水稻、油菜和棉花3种秸秆不同注:表中标准的SO2、烟尘和NOx为CB13271-2001 标的生物质在该气化炉中的气化效率分别为73.2%、准[6)中燃气锅炉I时段最高允许排放浓度限值。75. 5%和77. 8%。不同的秸秆气化效率不同,主从表3可以看出.秸杆生物质物料使用该上要原因可能是秸秆的化学成份对气化的影响.相吸式固定床YH中国煤化工0, .NOx.烟对另外2种秸秆,水稻秸秆的碳酸钾等无机盐含尘排放浓度CNMHG且均低于..650.江西科学2013年第31卷GB13271-2001中燃气锅炉I时段最高允许排放术及其研究进展[J].江西科学.2006 ,24(6):529 -浓度限值,不需对锅炉烟气中污染物进行治理就533.6] 陈曦.韩志群,孔繁华,等生物质能源的开发与可直接排放。利用[J].化学进展,2007 ,19:1091 - 1097.3结论[7]吴创之.周肇秋,阴秀丽,等.我国生物质能源发展现状与思考[J].农业机械学报,2009 ,40(1):91 -水稻、油菜和棉花等生物质秸秆用作该改进99型.上吸式固定床汽化炉的作用对象时,其气化效[8] Wu Hongwei, Li Chunzhu. Volatilisation and catalytic率分别为73.2%、75.5%和77.8%,均大于70%,effects of alkali and alk aline earth maetllic species dur-符合Q/BDI -2013《生物质气化装置》标准'”1的要ing the pyrolysis and gasification of victorian brown求;秸秆气化的气体主要以H2、N2 .CH4.CO和coal. Part I . The importance of the interactions beCO2等为主,并含有少量的C2H2、C2H和C2H。tween volatiles and char at high temperature[J]. Fuel,等;秸杆生物质物料使用该上吸式固定床气化炉2002 ,81(8) :1033 - 1039.后,锅炉烟气中的SO2、NOx、烟尘排放浓度和黑度9] Fu Peng, Yi Weiming, Bai Xueyuan,et al. Efect oftemperature on gas composition and char structural fea-均低于国标CB13271-2001中燃气锅炉I时段最tures of pyrolyzed agricultural residues[J]. Bioresource高允许排放浓度限值,不需对锅炉烟气中污染物Technology ,2011 ,102( 17) :8211 -8219.进行治理就可直接排放,具有明显的节能减排效[10]官巧燕,廖福霖,罗栋粲.国内外生物质能发展综述应。[J].农机化研究,007.(11):20 -24.[1I]郭建雏,朱晓锐,崔英德流化床反应器中生物质的参考文献:催化裂解气化研究[J].燃料化学学报,2001,29[1]于娟,章明川,沈轶,等.生物质热解特性的热(4):319 -322.重分析[J]..上海交通大学学报,2002 ,36( 10):1475[12] CB/T12206-2006.城市燃气热值和相对密度测定方- 1478.法[S].[2]张卫明,史劲松,顾龚平.生物质能的利用和能源植[13] 国家环境保护总局编.空气和废气监测分析方法物的开发[J].南京师范大学报(自然科学版)，(第四版)[M].北京:中国环境科学出版社,2003.2007 ,30(3): 68 -74.[14] H/T43-1999. 固定污染源排气中氮氧化物的测定[3]覃伟中,李强,朱兵,等生物炼制与石油炼制[S].一体化一- 促进我国生 物质能源发展的有效对策[I5] CB/T16157-1996.固定污染源排气中颗粒物和气态之一[J].化工学报,2010,61(7);1653 - 1658.污染物采样方法[S].4] 周中仁,吴文良.生物质能研究现状及展望[J].农[16] CB13271-200. 中华人民共和国国家标准[S].业工程学报,2005 ,21(12):12-15.[17] Q/BD1-2013.生物质气化装置标准[S].东莞市百.[5] 高荫榆,雷占兰,郭 磊,等. 生物质能转化利用技大新能源股份有限公司企业标准,2013,1.中国煤化工MHCNMH G.