下吸式气化炉中稻草气化特性研究

文章编号: 1016988(2001 )04 0007.040下吸式气化炉中稻萆气化特性研究杨亚平(东南大学热能工程研究所。南京210018)擒要:以肉种管号时下吸式空飞发生炉中稻草的气化试验为基础分析了其气化特性和生产1.艺特性.关键词:4草;下吸式气化妒;燃科特性;灰渣特性:反应温度中图分类号:TK43+.6" 11文献标识码:AStudy of Straw’s Casification Characteristicsin Downdraft Gas GeneratorYANG Ya ping(Southreust [niovrsily, Nanjing 210018, China)Abstract: By the test of gasification straw in 1Wo difrent downdraft gas generators, the gasifnca-:icn characteristics of straw and lechnology features have been analyzd.Key words: straw; downdraft gas generator; fuel characterisrics; slag characteristics; tempera-ture. n reaction region外生物质气化技术米说,国内的技术起点较低.采用1序言的技术简单。最具代表性的足在国内北方地区普遍采用的下吸式空气发生炉气化工艺,因其工艺流程生物质是世界第四大能源，它对全世界一次能和系统设备简单，投资成本低，操作技术易掌握，在深的贡献约占14%.在我国， 生物质占一次能源总市场上:具有一定的竞争力.量的33%:是仅次于煤的第二大能源。同时，我国但是，近年该产品在向南方地区推1”中却遇到是农在大国.作为农业生产的副产品,农作物秸杆是了相当的难度，究其原因主要足稻草的燃料特性和生物质资源的重要组成部分，从可持续发展的角度灰涟特性比较特殊..来看，稻秆是可再生而且洁净的能源资源，将在未来的能源结构中起到重要作用。2稻草的燃料特性和灰渣特性据联合国环境规刘署(UNEP)报道,世界上种植的各种谷物每年可提供秸秆17亿t。我国的各类稻草及其半焦的燃料特性见表I(分析基):农作物秸秆资源十分丰富，总产量达7亿多1，其中稻卓为2.3亿占总量的33%之多。表1稻草及其半焦的燃烧特性在我国农村秸秆气化主要是为了解决广“大农户.水分灰分挥发分周定明HNST0Qea生活燃料的能源问题，兼顾环境保护。因此相对国1%/%/% 1 /% /%1% j19%[/%↓1% (wm用毕.7914.3567.6114.254.337.070. 760.21|34 4193 260.1收姆7期:2001 0803率里: .874.7811.089.27 0.6113.45 0.7|970.9作者览介:场亚平(1952-).男.削教授、从事热能工程铁域科研工但艺发表学术论文20多篇采用热重法试验得到的稻草在加热过程中的热试粮研兖:下吸式气化护中鹏草气化特性研究重曲线(即TG曲线)和微熵热重曲线(DTG曲线)如图1所示。样品:草质量:1.40g At:2i 12079210-19-98 过程:湘草C20C -950C) (20C/inX氮) CEn: ALIMTNA温座/心不/不min)G/%1000 ct2-8且他k .07002.5-3600. 500-40. 400. 3001-10.-60t 20-70 tL-10050r -15.01250175022502750 -90」图1帽草燃料热分析测试图由图1可见稻草燃料中的挥发分预热到200 C左右即开始逸出;在330C左右达到最高逸出速率;3气化特性试验随后逸出速率衰减,在400 C左右逸出速率稳定在-个较低的水平;在480心左右燃料中的挥发分已生物质气化过程是生物质原料在缺氧状态下加有80%左右逸出。在500 C左右逸出速率再次衰热反应的能量转换过程。其原理可概述如下:生物减至一个很微弱的水平，一直保持至800七左右,在质燃料与媒等- -般矿物燃料的工业分析成分相似，这个阶段的逸出量大约只有2%-3%，基本终止了包括挥发分、固定碳和灰分三个部分。但一般挥发逸出。分含量较多,固定碳相对较少。挥发分主要由水分、稻草的灰渣特性如表2所示。一氧化碳、二氧化碳、氢、甲烷和一部分焦油组成，其间比例会随着加热温度和加热速率的不同而不同表2稻草的灰渣特性在气化过程中随着燃料被加热,挥发分将首先析出，灰中鲜灰中钠灰中铝灰变形灰软化|灰溶化灰流动剩余的半焦在空气供应不足和高温条件下进行燃烧物种:元素元素元肃温度|溢度诅度温度气化反应,生成二氧化碳和一氧化碳空气煤气,即由/% ! /%| 1% n/E 42/C t/t t/t挥发分和气化反应生成的-氧化碳、氧化碳共同看草0.51 | 0.46 0.094 900 1040 1120 1170 |组成。空气中的氮气未参加气化反应，仍然余留于煤气之中。在下吸式气化炉中由于挥发分将通过高-般而言，生长快的生物质燃料其贼土金属含温气化反应层，其中部分焦油将被裂解,生成CH4、量高，尤其是钾、钠元素含量高,灰渣溶点低,容易产H2.CO等燃气成分。生结渣。稻草灰中钾、钠虽不高,但是铝含量也很下吸式气化妒的结构如图2所示，其工艺特点低。灰中酸碱氧化物含量比是决定烧结温度的一个是气化 与固体顺向流动,物料由上部储料仓向下移主要因素，AL2Oz有抑制烧结产生的作用，由表中分动,在炉内传来的热量作用下边移动边进行干燥与析数据和以下试验情况证明稻草的灰渣特性并不热分解;空气向喷嘴进入,与下移的燃料首先发生燃好。烧反应;生成的气体连同上层干燥热分解产物与炭一起经缩口向下流动，同时进行裂解和还原反应。其裂解程度主要受反应层温度和停留时间的控制。8<工业炉》第23卷第4期2001年11月态，为保证气化炉连续产气须以人工间歇性地捅火(破坏烧结层)。|娣料表4所示的是某1000型和SA-200型两种下吸式气化炉在连续生产条件下采集的燃气组分分析数据干嫌层储料企100~200C表4燃气组分分析数据热解层燃气成分分析/%喷嘈低位发热甲中出口焦湖气体300气化护型号”C0|H CH O2 :co./(kJ.m3)Q(mg'm月500心800 c空气SA-20 二19.7812.210.680.6910.7 4073.5 2622氧化层900-12000 t某100014.310 2.091.91413668.06 2 101.4口一. 还承层灰户福800- 900C由表4的数据可看出下吸式气化炉在燃用稻草时存在着下列两个具有共性的问题:图2下吸式气化妒结构简图(1)气化产生的燃气热值不高,均小于4 187该炉型的原设计意图是焦油经高温区裂解,使kJ/m';(2)气化炉出口燃气焦油含量高,在2 100 mg/生成煤气中焦油含量减少,同时原料中的水分参加m'以上。水煤气反应,使气体中H2含量增加。但是在使用稻草作为气化燃料时，这一一设计意图不易实现。 其4气化工艺特性分析主要原因是稻草的灰渣特性比较差,在较低的炉内温度水平之下就产生了结渣现象,影响气化工艺有稻草在下吸式气化炉中反映出来的主要特点是利条件的形成。表3所示是试验中测得的某型下吸式气化炉内反应温度水平，上不去;炉内最高温度不能超过1000C,- -般是在850-900 C之间。温度升上去,炉内温度分布情况。马上出现烧结现象,破坏床层内部的透气性、严重时即阻断气路产不出气。这一特点导致该气化工艺在表3气化炉内温度分布应用中出现了以下有别于燃用玉米秆、高粱秆等燃史层高度工况之-/心工况之-/C料时不同的特性。护物出口260~ 280.379-- 400距妒衢500 mml6549004.1炉内反应温度水平低, 气化效率下降距炉栅400mm7601 050气化反应(或二氧化碳的还原反应)是煤气发生距护量300mm81 130炉的主要化学反应，在低温下(800 C以门)它的反臣护圈250mm930-945年护册200mm970~-1 0301120应速度几乎等于零。碳的活化能大.而且仅当温度距护册150 mm88超过800 C以后反应速度才很显著,要到温度很高跑炉情100 mm8401092 。时，它的反应速度常数才超过碳的氧化反应的速度护栅层8101 070运行戏沉护内轻微结渣，辅以炉内严重结遣， 无法常数。因此提高炉内反应区的温度是有利于改善气化条件的i。目前炉内高温中心区的温度被限制在900心左表中工况之二所示的情况炉内约有250 ~ 300右的水平,将对燃料中的固定碳氧化,还原过程形成mm厚度的灰渣烧结层致使气流通路被堵死，气化不利.使得二氧化碳还原转化成一氧化碳的份额减妒已不能产气。工况之- .所示的情况炉内有轻微的少，燃气热值降低。烧结现象,约有50~70mm厚度的床料呈粘涩状同时，在生物质热转换中，焦油的数量主要决定9试验研究:下吸式气化护中盾草气化特性研究于转换温度和气相停留时间，与加热速率也密切相燃气的焦油含量偏高,据实验中测定它们在2 100-关:而气化中焦油产物的能量一般占总能量的2 600 mg/m'。10%~15%。这部分能量在低温时难以与可燃气体这样高的焦油含量,给生产T艺中的后续净化-道被利用，必须将其裂解成可燃气体状态。高温工作带 来的困难极大:按照城市煤气生产标准:一热裂解是有效的手段之一,据试验表明其裂解的温般每m'煤气中焦油等杂质控制在20 mg以下:据度水平在1 000-1 200C。显然现有工艺温度水此计算,如此高的出炉焦油含量须-套效率在99%平不够、焦油中叮燃质成分无法获得利用2]。以上的净化处理系统才能保证供(质量而 日前国以上两项因素直接削弱了稻草在下吸式气化炉内投运的生物质气化系统因其生产规模小。系统设生产过程中的气化效率。据试验这两种气化妒的气计相对工业 上煤气制备系统而言都较商电,净化工化效率在55%~61%范围。这使得燃料的叮利用艺多采用机械法气体净化与湿法气体争化以没过滤率卜降,加之韬草燃料的发热值比玉米秆、高粱秆等:法相结合的形式。常见的有离心式旋区分离器液秸秆都低.所以获得的燃气热值一般仅在4 187 kJ/体层水流秸秆层过滤和离心式旋风分离器水力喷m'以下，只能作为民用炊事燃料,应用层次较低。酒洗涤惯性分离等组合方式。组合系沈净化效宅↓2床层薄,反应时间短,热稳定性差在95%-97%范围，欲进 一步提高净化系统效率.稻卓的真实密度417.6 kg/m'.堆积密度98系统将复杂化,易造成辅助设备与气化主设备之间kg/m*.且外形尺寸细小，含灰量大。因此在气化工造价 不相适的结果。因此可见降低燃气焦油含量艺之中它所能构建的高温中心反应区很小据测定须从气化工艺本身着手才是根本的出路而下吸式其对应的床层厚度只有40~60 rum左右，整个氧气化炉燃用 稻草时反应温度受到限制这对于解决焦北、还原区的床层高度也只有400多mm,这样薄油问题是--大I艺上的缺陷。的床层条件在本文所介绍的下吸式气化炉试验中床料在高温中心反应层的停留时间仅有30-40 s,而5结论在妒内高于800心的床层中的停留时间也只有4~5min,反应时间显得短暂。(1)下吸式气化炉应用于稻草为燃料的气化场据研究,生物质的碳在800 T、2 MPa且有水蒸合时，炉内所能获得的反应温度低(900心左右),反汽存在条件下，经7 min后,有80%的炭会被气化，应区床层厚度薄, 致使燃料在炉内的反应时间短暂，剩余20%固体残留物3)。可见稻草的结构特性所且反应区的热稳定性也较差。形成的床层条件使得燃料在炉内的反应时间编短，(2)下吸式气化炉燃用稻草时，所获得的燃气热也将影响到气化率的提高,值<4 187 kJ/m',燃气焦油含量>60 mg/m',气化同时，床层薄使得反应层的料层结构经不起生效率仅有55%-61%。比有关资料介绍的该工艺产操作中的扰动(下吸式气化炉生产中须时常拨火在北方地区的应用水平下降了很多.操作,以防止“冒火”现象发生),操作常使已建立起(3)引起下吸式气化炉应用水平大幅下降的主来的高温反应层热稳定结构破坏。致使气化反应过要 原因是稻草的灰渣特性，其燃料持性应在次位,程波动,生产稳定性下降。这也就是燃用稻草时，生参考文献: .产操作难度大、气化质量可控性较差的原因。[1]许晋源， 徐逋模，等.燃烧学[M].北京:阮械1.业出版社、4.3 燃气焦油含量高，净化难度大[2、吴创之。 等.生物质集油裂解的技术关键[]新能源，1998.20上述炉内反应温度水平低、反应时间短两项原3]卞有生. 生态农业中废弃物的处理与再生利用[M].北京:化学(7).-1-5.9.因均使得稻草在热解时逸出的挥发分之中的焦油物工业出饭社。质无法在炉内过程里得到较好的热裂解，致使出炉10