生物质气化特性的实验研究

第23卷第6期电站系统工程VoL23 No 62007年11月System Engineering文章编号:100506X(2007)060012-04生物质气化特性的实验研究李延吉1李润东1李爱民2冯磊!姚伟L沈阳航空工业学院清洁能源辽宁省重点实验室,2大连理工大学动力工程系)摘要:在小型固定气化炉和中型气化炉内对典型生物质进行气化实验,分别用空气、氧气及水蒸气作为气化介质,实验分析了物料、气化温度、气化剂及气化剂流量等影响因素发生变化时对气化产气特性的影响,研究表明,物料含可燃质高时,产气品位也好:随着气化温度的升高,产气中可燃气含量增加;空气作气化剂时产气的热值低于氧气作气化剂时的产气热值;气化剂的流量发生变化时气化产气成分也相应改变关键词:生物质;气化;产气特性中图分类号:TK16文献标识码:AExperimental Study on Characteristic of Biomass GasificationLI Yan-ji, LI Run-dong, LI Ai-min, et al.Abstract: Typical biomass gasification in pilot fixed and suffer type gasifier is studied using the air and oxygen andsteam as gasification medium respectively. When the factors, such as the material, gasification temperature, gasificationmedium and the flux of the gasification medium are changed, the infection to the gasification characteristic is analyzedThe experimental results indicate when the flammable component in the material is high, the gas quality is good. Whenthe gasification temperature is increased, the flammable component in the gas is increased. The calorific power is lowerwhen using air as the gasification medium. When the flux of the gasification medium is changed, the gas component ischanged correspondingly.Key words: biomass; gasification; performance of production气化是在气化介质的参与下,通过部分氧化或还原反应将有机原料转化成为载能气体的过程,它可以对废物进行分解破坏,实现快速、显著减容的同时可以实现资源化利用生物质气化技术作为一项可再生能源利用技术,引起了国内外学者的普遍重视。本文实验基于自行设计的小型固定气化炉和中型气化炉(移动床),实验用物料中混有生物质、纸张、废轮胎、橡胶等多种物料,为了研究与煤混合使用的效果,也加入部分煤,影响有机固体废弃物气化特性的因素众多,如炉型、气化温度、气化剂、物料以及气化剂/物料等图1生物质固定床气化实验系统图把每种因素做详细分析是不现实的。本实验目的就是以不同1物料2固定床3采样装置4烟道5电控装置6流量计7减压阀的混合物料在不同的气化剂、气化温度、气化剂流量条件下8氧气瓶9导线10热电偶1支架对气化产气组分的变化进行实验性研究,从而得到规律性结11论与数据,可供实际工程应用参考-1实验实验采用小型固定床批量实验(见图1)和中型规模移动床连续式气化实验(见图气体分析仪器使用岛津公司生产的GC14B气相色谱仪。其工作条件为:热导检测器(TCD),载气为热导率较高的He气,固定相为碳分子筛,流量为20mL/min,初温为130℃终温180℃,升温速率5℃/min,桥流为60mA生物质中型移动床连续气化实验系统装置图TCD温度为180℃,检测器温度为180℃中国煤化工化炉6料斗7纹龙收稿日期200704-17CNMHG1烟烧器13引风机李延吉(1974-),男,硕士,讲师沈阳,1100344烟道5烟道分析仪16二次焚烧室17电控箱18电子秤国家自然科学基金资助项目(50606028):辽宁省教育厅计划项目05L323)学院自选课题200614Y19蒸汽发生器20氧气瓶第6朋李延吉等:生物质气化特性的实验研究实验选用典型有机生物质组分,其具体成分分析结果见22气化温度对气化特性的影响表1,混合物料组成见表2。气化反应活性可以定义如下,见式(1)表1部分物料的工业分析和元素分析narL式中;Rm气化反应活性, g/g min;形样品最初质废纸4.l1224766.397.03锯末52975012061764量,g;dwHd—最大质量损失率,gmin干树枝200663.1510096.70气化温度是一个重要的参数,因为温度的高低一方面影树枝13930果皮17202800响物料的反应速率,同时对一些吸放热的可逆反应也能起到0510542533定的控制作用,从而可以改变最终产物的分布。在整个气208050.529411927轮胎099624917441908化反应中,气化层中的燃烧速度较快,同时干馏速度也比还原反应的速度要快,所以整个气化反应的速度瓶颈在还原层表2混合物料的物料质量配比中的反应速度,因此CO2还原成Co的量,主要取决于还原稻壳纸屑树叶蒿草内胎木屑橡胶煤层的化学反应速度。因为反应C+CO2→2CO-162mol物料A的成分129158175248290一个明显的吸热过程,所以升高反应温度有利于CO2的还物料B的成分90058033物料C的成分63041.310.641.8原,有利于制得含CO更多的煤气;同时温度的升高,将促进气化过程中产生的焦油在高温下发生裂解反应,生成小分2实验结果分析子气体。气化温度的升高,会导致物料表面产生更多能量大于气化反应所需活化能的碳分子,这些碳分子将和气相的其2.1不同物料的产气特性它生成物发生更激烈的碰撞,从而加大气化反应的速率,物料的反应活性、热稳定性、粒度等物理及化学特性也时温度的升高也会加快物料中心水分及挥发分的析出,导致将直接彩响产气组分。对固定床来说,水分进入炉膛内,物料破碎而增加了参加气化反应的物料的表面积,提高了产部分会发生气化反应,另一部分会干燥蒸发,蒸发的水分冷气率。从表4可以看出,温度增加,气化反应活性增加,有却后将会产生废液;干馏后的物料中的主要成分是固定碳,利于气化反应的进行其结构多样,可能是致密的,也可能是轻质多孔状的,其与表4反应活性随气化温度变化趋势H2O、H2和CO2的活性不一样,这与物料性质、压力以及反600℃70应温度有关6表3不同物料在不同工况下气化产气组分变化随气化温度的升高,气化燃料中一氧化碳和氢气的含量气化温度500℃、O2流量为01m7h(%)增加,也有利于甲烷的生成反应发生,使得产气中可燃气组物料分增加,燃料的热值升高。从图3中可以看出,随着温度的l8524.31186升高,CO的含量由41.57%升高到43.52%,H2由21.19%升气化温度750℃、空气流量为3mh(%)到23.26%焦碳燃烧过程中,由于扩散阻力增加,随着反CO其他应温度的变化,活化能也跟着变化吗,当温度高于700℃以22.5623031058535018234276上时,气相扩散率就控制着动力反应,因此CO2应该缓慢增加,但由于温度提高,使得反应速率增加更快,所以共同作从表3可以看出,果皮气化生成的Co高达5876%用的结果是CO2有所下降,而CH4气体有所下降是因为甲而树枝的仅为26.13%;CO2的变化也很大;甲烷气体也不烷化反应减弱,导致浓度有所下降,但对产气热值来说略有尽相同,由于加入反应的水非常少,可以认为甲烷生成主要增加;这都说明了气化温度的提高使得碳的转化率提高,气是从热解得到的门;热解过程中生成的H2含量都比较高化反应速度加快,气化过程得到强化79而两种物质气化反应生成的H2的含量都少于5%这可能是23气化剂流量对气化特性的影响由于生成的H2与O2反应生成水分而蒸发;从生成的可燃气气化剂流量不同将影响到参与反应的气化剂的浓度而(仅指CO、CH、H2)比例来看,果皮(7213%)>树枝影响到CO2的还原率,直接影响产气组分,氧气流量发生变(4896%),果皮的效果好于树枝。化后,也会引起O2物料比的变化。流量增加会增强气化层同时可以看出,3种混合物料产气成分差别不大,特别底部燃烧反应,气化炉温度水平提高:然而也应看到,由于是对cO气体,相对来说,CO2气体变化要大一些,混合物氧气供应量的增加,燃烧反应加剧,挥发份释放的Co和料C的CO2气体含量相对要高一些,可见在此状态下,混H2中国煤化工卓了;氧气流量的增合物料C的气化活性相对差一些;物料B的H2含量相对很加会使果一方面给CO2气高,说明在此温度下产物中发生的二次反应程度要深一些,体还CNMHGCO2还原反应的机结果使得H2CO的值提高,必然提高产气质量:而物料A、会,减少了CO2的量,但另一方面也可能导致没有来得及参B的CH含量都要比物料c的要高一些,也说明物料A、B加还原反应的CO2气体份额增加,所以最终生成的气体中的气化效果优于物料CCO2的含量是这两方面综合作用的结果冈电站系统工程2007年第23卷随着氧气流量的增加,CO的含量逐渐增加,但效果不从图4可以看出,当氧气的流量从1m/h变化到6m3h太显著这说明虽然氧气浓度增加了,生成的CO2必然增多,时,CO从3058%变化到3694%,而CO2也从20.91%增加但CO2还原反应的化学反应速度不是很大,效果不理想,可到2759%,说明随着氧气的增加导致参加燃烧反应的氧以看出H2气体含量变化明显降低,从0.m3h时的1124%及碳也将增加,必然产生更多的CO2,这使得参加还原反应变化到04m3h时的7.05%,这可能是由于过剩的氧气与的CO2浓度增加,提高了其还原率;CH气体的含量有所降H2发生了反应;CH气体的变化趋势基本上变化很小总的低;H2的含量基本保持不变,但这些变化并不能保证CH来说,随着流量增加,燃烧加剧,温度可能提高,根据气化和H2对氧气流量增加没有反应,如果氧气量增加太多,势原理可知,甲烷生成减弱,而重整反应会加强,所以趋势应必将增加过剩氧气与CO、CH4、H2的反应机会,随氧气流该是降低的。量的增加,产气的热值有一个最大值,说明增加氧气流量必从表5中可以发现,随着氧气流量的增加,气化反应活须综合考虑,力求寻找最优流量0性提高,而可燃气组分和气体热值的变化不是十分明24不同气化剂对气化产气特性的影响表5600℃时不同氧气流量下树枝的气化产气组分及热值由于空气中的N2参入必将影响各组分的含量,从而影氧气流囊O/m,bT响到产气的质量,使用O2做气化剂可提高产气中可燃成分反应活性/g·(gmn气体组分的含量,同时在温度高于850℃下通入水蒸气参与反应的热值/MNm311021056151085话,可使产气效果更显著900℃图3气化剂为氧气+水蒸气,氧气流量为3m/h,水蒸气流图5800℃,气化剂分别为空气和氯气量为53gmin时物料A在不同温度下的气化产气组分变化流量为3m/h下物料A的产气组分0.+H0CH图6900℃,气化剂分别为氧气和氯气+水蒸气流量为3m/h下物料A的产气组分从图5可见,氧气做气化介质时,产气热值要明显高过空气做气化介质的热值,CO的含量明显增多,这可能是由于参与燃烧的氧气量增加,从而使得参与还原反应CO2气体浓度增中国煤化二二增加了CO2的含量由于部分与过剩的O2发CNMHG了其浓度,最后影响Flow rate of oxygen(mm)产气热值图4物料A在850℃氧气流量分别为1、3、6mh时产气组分从图6中可以明显发现气化介质为氧气(下转第24页站系统工程2007年第23卷机叶轮车削、叶型改进等,使泵或风机在高效区运行6结论43大型电动机调速或变频技术应用的研究因设计选型容量偏大,加之变工况运行,造成能耗升高通过分析国华电力俄制机组经济性方面存在的问题,通变速运行是实现动力设备节能潜力的措施变速设备有双速过加强节能管理,技术经济指标管理体系分析,优化运行,电机、液力偶合器调速、变频调速等,其中变频调速容量可强化设备治理,提高检修质量,加强燃料管理,进行技术改满足电站所有容量的需要,优先选用经测算俄制机组降低造,俄制机组经济性一定能够得到进一步提高,预测到2010厂用电率潜力为05%~1.0%年盘山公司和缓中公司供电煤耗率分别能够达到321和324gkWh,将为实现国华电力的节能规划目标〔318g/Wh)5充分认识煤质对机组经济运行的影响做出贡献。充分认识煤质对机组经济性的影响例如入厂与入炉煤参考文献发热量差值、入厂与入炉煤水分差值、煤量的计量、煤的发热量和挥发分等。煤质影响锅炉效率、制粉系统的单耗、辅西安热工研究院有限责任公司,北京国华电力技术研究中心有限公司.国华电力发电技术经济指针评价研究报告R]200助设备单耗等。目前存在的问题是入厂与入炉煤水分差值过编辑:巨川大,入炉煤高于入厂煤,主要是输煤廊道除尘所致。上接第14页)+水蒸气时,气化产气热值明显高过氧气做气体;CH4气体有所降低,原因是甲烷化反应能力碱弱,导气化介质时的产气热值,CO、CH4、H三种气体的含量要致最后产气的热值增碱缓慢比气化介质为氧气时对应成分高很多,特别是H2的含量从831%提高到23.26%,CH4从932%提高到1668%,CO也参考文献从3461%提高到4352:产生这种现象的主要原因是发生了)苏学泳,王智微程从明等生物质在流化床中的热解和气化研生成水煤气(粗煤气)的反应究门燃料化学学报,200,2(4)298~305.C+H2O→Co+H2(2)四李延吉,李爱民李润东等基于灰色关联度和BP神经网络研究生物质热解产气特性[门太阳能学报,2003,246)776-780.同时一些碳氢化合物也会参与反应,如:[3]Wurzel T, Malcus S, ef a, Reacting engineering investigations of Cozreforming in a fluidized-bed reactor [] Chem Eng. Sci, 2000, 55(18)c2H2+2H2O→2C0+3H23955~3966这些反应作用的共同结果使得产气中可燃气成分如冈吴创之,殷秀丽,等生物质富氧气化特性的研究门太阳能学报Co、CH、H2等含量增多,特别是H2的含量增加的效果最1997,18(3)237~242.明显,说明水蒸气是很重要的气化介质,通常水蒸气包括了] Ng K L, Chadwick D. Toseland B A, ef a! Kinetics and modeling of物料中的水分以及外部加入系统的水蒸气,其作用结果是除dim ethyl ether synthesis from synthesis gas p]. Chem. Eng. Sci,了可以提高碳的转化率外,还可以有效地调节产气组分11999,54(15)3587~3592[6] RVPindoria. Comparison of the pyrolysis and gasification of biomass3结语effect of reacting gas atmosphere and pressure on eucalyptus woodFuel,1998,77:1247~1251(1)通常情况下含有可燃物成分高的物料所产生的燃 Tun S, Kinoshita C, Zhang Z, er a. An experimental investigation of气热值相应较高。hydrogen production from biomass gasification U]. Int. J. Hydrogen(2)空气做气化剂时,产气中可燃气的含量普遍低,原ergy,9988:641~648因是N2的加入稀释了可燃气的浓度;与空气相比使用氧气[8]张济字,等福建无烟粉煤催化气化门燃料化学学报,19,27做气化剂,可明显提高产气质量,但CO2的浓度也会增大;9杨松华,等加热速度对煤的气化反应性的影响[东北大学学报实验系统中加入水蒸气后,CO、CH、H2的含量明显增加98,192):128~130.热值也相应有很大的提高;而且与氧气做气化剂相比,H2[ o] M Kumar, R C Gupta Influence of carbonization conditions on the含量提高的更多,这是由于发生了粗煤气反应的结果gasification of acacia and eucalyptus wood chars by carbon dioxide [(3)当氧气流量增加时,CO的含量增加,产气热值应FueL,1994.73:1922~1930[11] Wu Jianzhi. Performance analysis of a biomass circulation fluidized存在一最大值gasifier [Jl. Biomass and Bioenergy. 1992, 3(2): 105-1104)随着反应温度的提高,CO、H2的含量有所增加中国煤化工 mospheric and bubbling而CO2的含量有所降低同时热解在气化中仍占有相当的比ing agent on the product例,温度的升高有利于热解中挥发分的释放,更会降低焦油CNMH9917:389~403的生成量,促进焦油的二次裂解反应,以生成更多的可燃性编辑:闲彰