下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究

第26卷第1期熱能動(dòng)力工程Vol 26. No. 12011年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERJan. 2011新能源動(dòng)力技術(shù)文章編號:1001-2060(2011)01-0105-05下圾式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究金亮,周勁松,吳遠謀,駱仲泱(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,浙江杭州310027)要:生物質(zhì)國定床氣化技術(shù)具有運行穩定、可提供清潔1實(shí)驗裝置及測量能源等優(yōu)點(diǎn),但也存在氣化效率差,燃氣熱值低的問(wèn)題。以采用爐膛集中供風(fēng)技術(shù)和還原區熱量包襄技術(shù)的下嗄式氣1.1實(shí)驗裝置化爐為研究對象,研究爐膛溫度、空氣當量比(ER)對燃氣成實(shí)驗以空氣為氣化劑,由鼓風(fēng)機鼓入,引風(fēng)機帶分燃氣熱值、氣化數率等氣化性能的形響并與以往研究施動(dòng)提供動(dòng)力。氣化爐結構及實(shí)驗系統如圖1和圖2果進(jìn)行對比分析。實(shí)驗表明,該氣化爐能保證在較低E肉所示。實(shí)驗系統包括氣化爐燃氣凈化系統、溫度測(0.1-0.3),獲得較高的爐膛溫度和還原區溫度,產(chǎn)出的量系統及燃氣采樣檢測系統。燃氣熱值在6.5M/m3以上,氣化效率達到65%,平均氣化效率在55%以上,氣化性能較為理想燃氣出口關(guān)鍵詞:生物質(zhì)氣化;下吸式氣化爐;還原區溫度;空氣當量比中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A在生物質(zhì)熱化學(xué)轉化技術(shù)中,生物質(zhì)氣化技術(shù)集中供風(fēng)口氣化劑人口具有能量轉換效率高、操作簡(jiǎn)便、氣化合成氣可進(jìn)一步液化等特點(diǎn),成為生物質(zhì)能利用的可行途徑。生氧化區物質(zhì)氣化技術(shù)按爐型分可分為固定床、氣流床及流還原區一粗燃氣出口化床等幾種。下吸式氣化爐屬于固定床中的一種,該氣化爐具有結構簡(jiǎn)單、工作穩定性好、出口燃氣焦油濃度少等優(yōu)點(diǎn),在農村集中供氣及小型生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)中得到了廣泛的應用,但該爐型也存在氣化效率及燃氣熱值偏低等問(wèn)題。圖1下吸式氣化爐結構本研究以具有爐膛集中供風(fēng)技術(shù)和還原區熱量包裹技術(shù)特點(diǎn)的下吸式氣化爐為研究對象,采用木氣化爐有效高度1000mm,喉部截面直徑250屑為原料,通過(guò)實(shí)驗分析反應溫度、空氣當量比mm。原料從氣化爐頂供入,空氣通過(guò)外接鼓風(fēng)機由ER〕對燃氣熱值、燃氣成分和氣化效率的影響,從集中供風(fēng)口進(jìn)人氧化區與原料發(fā)生氧化反應粗燃而得到該氣化爐的氣化性能。氣經(jīng)中國煤化工氣出口排出。高溫燃于熱量傳遞至干CNMHG收稿日期:2010-02-25;修訂日期:2010-04-07基金項目:浙江省科技計劃基金資助項目(2008010012)作者簡(jiǎn)介:金亮(1985-)男浙江嘉興人浙江大學(xué)碩士研究生106能動(dòng)力工程2011年燥區加強原料干燥,另一方面部分水氣、灰分等雜質(zhì)排污口以悶蓋封閉,停爐時(shí)打開(kāi),清除積聚的污水。經(jīng)阻隔從燃氣中分離,達到初級過(guò)濾作用。運行時(shí)溫度顯示切換閥自來(lái)水出圖2下吸式氣化爐氣化系統流程氣化爐型設計有3個(gè)特點(diǎn):(1)從干燥區至氧的平均溫度,同一截面采集16個(gè)測點(diǎn),如圖3所示,化區采用口徑漸縮的錐形設計。由于傾角在7~各點(diǎn)處于各截面的中點(diǎn),每15min記錄1次熱電偶10°之間適合原料自動(dòng)下料(,故此氣化爐傾角為溫度值9°;(2)還原區為兩頭小、中間大”構型,利于將熱1.3燃氣成分分析量“包裹”于還原區中部,防止出現“還原死角”,以燃氣成分采用北分瑞利分析儀器有限公司產(chǎn)的提高氣化效率及焦油二次裂解效率;(3)氧化區采SP3420A型氣相色譜儀分析。根據已知可燃氣體的用集中供風(fēng)技術(shù),物料在氧化區能集中燃燒,創(chuàng )造還熱值及相應的濃度,得到燃氣熱值。為保證結果可原區高溫、缺氧環(huán)境,利于氣化?？啃?每20min測量一次,一個(gè)工況下的燃氣熱值氣化爐產(chǎn)出的燃氣通常含有灰分、水分、焦油等為各采樣的平均值。雜質(zhì),系統采用濕式噴淋和干式凈化兩級過(guò)濾裝置1.4氣化效率計算過(guò)濾燃氣,過(guò)濾后絕大部分雜質(zhì)被除去,凈化后的燃氣化效率η定義為生物質(zhì)燃氣輸出熱量Q1和氣能滿(mǎn)足實(shí)驗要求。生物質(zhì)原料輸入熱量Q之比,計算式為1.2溫度測量7=×100%=V×Qx100%C×Qm(1)式中:m氣化效率%;Q一燃氣的輸出能量,kJ;10Q—原料輸入能量,kJ;Q-燃氣低位發(fā)熱量,kJ/m3;C原料重量,kg;Q一原料低位發(fā)熱量kJ/m3;V1-燃氣產(chǎn)量,是產(chǎn)氣時(shí)間t與燃氣流量q的乘積122實(shí)驗方案由于爐內反應溫度與空氣當量比(ER)對氣化爐氣化性能有重要影響,所以實(shí)驗主要研究還原區圖3溫度測點(diǎn)截面示意圖溫度及ER變化對燃氣熱值氣化效率的影響。實(shí)驗在中國煤化工進(jìn)行爐內布有6根長(cháng)度可調熱電偶測量爐膛不同2.1CNMHG高度及同一截面不同徑向的溫度。另取一根熱電偶實(shí)驗以木材加工廠(chǎng)的廢料木屑為原料,木屑平從爐口插人用以測量燃燒區及下部還原區同一截均長(cháng)度小于5mm,工業(yè)分析和元素分析如表1面不同點(diǎn)溫度,經(jīng)面積平均后的測量結果作為截面所示。第1期金亮,等:下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究107衰1木屑工業(yè)分析與元素分析CH4+2H2O(g)=CO2+4H2-165k(5)工業(yè)分析/%元素分析/%C+H20(g)=CO+H2-131 kJ(6)0小kC+CO2=2C0-172k(7)式(2)和式(3)屬于放熱反應,式(4)~式(7)1950.85678414.3643.664200732.0214987屬于吸熱反應。Le chatelier的升溫原理表明,當溫度升高時(shí)22反應溫度影響的實(shí)驗設計反應會(huì )朝著(zhù)吸熱增強的方向進(jìn)行。在生物質(zhì)氣化過(guò)反應溫度是影響氣化反應的重要因素之一,氣程中隨溫度上升,反應式(4)-式(7)會(huì )加強,反應化隨反應溫度的升高呈現4個(gè)階段34):(1)150式(2)和式(3)會(huì )減弱故氣化產(chǎn)氫會(huì )隨著(zhù)溫度上升℃左右為生物質(zhì)原料中水分的揮發(fā)階段;(2)170~而加強。Tum等人認為,隨著(zhù)反應進(jìn)入高溫區,370℃為來(lái)自于纖維素及半纖維素輕質(zhì)揮發(fā)分析出焦炭的熱力分解和水蒸氣的重整變得更為容易,更階段;(3)400-700℃為重質(zhì)揮發(fā)分從生物質(zhì)表面多的C和H2O以反應式(6)的形式進(jìn)行,H2濃度析出、木質(zhì)素開(kāi)始氣化階段;(4)800℃以上為半焦升高。同時(shí),雖然溫度升高反應式(2)受到抑制但發(fā)生分解反應階段由于反應式(4)、式(6)和式(7)的增強以及多碳氣溫度變化由熱電偶監測實(shí)驗中將ER維持在體的高溫分解,故CO濃度在650℃后依然有較明017左右。待燃氣產(chǎn)出后,通過(guò)測量不同還原區溫顯的上升。度的燃氣熱值及燃氣成分,得到燃氣特性的變化。較低溫度(<600℃),燃氣中CH4和CH主個(gè)工況需連續穩定運行6h以上,并重復3次。要來(lái)自于揮發(fā)分的析出,高溫(>650℃)下CH4和23ER影響的實(shí)驗設計CH會(huì )發(fā)生裂解反應生成小分子燃氣。CH4的濃ER為生物質(zhì)氣化實(shí)際供給的空氣量與生物質(zhì)度在60700℃之間達到最大,為4.68%:700℃c完全燃燒理論所需的空氣量之比。通過(guò)元素分以后氣化溫度達到較高水平,CH4分解,濃度逐步析可計算出木屑完全燃燒需要的空氣量。調節氣化下降。CH濃度在310℃達到最大濃度1.31%爐運行待工況穩定后還原區溫度基本不變通過(guò)控隨著(zhù)溫度上升,CHn發(fā)生熱分解,濃度逐步制一段時(shí)間內氣化劑流量及原料加入量,保證氣化爐在一定ER下運行在該時(shí)間段內每15mi測量低。次燃氣熱值和燃氣成分、并記錄燃氣產(chǎn)量,測量時(shí)間一般在1.5h以上,同一工況重復穩定運行3次,取平均數據作為測量結果。3實(shí)驗結果及討論3.1反應溫度對氣化特性的影響圖4為燃氣體積濃度隨還原區溫度的變化曲300400500600700800900線(xiàn)在310~870℃范圍內隨著(zhù)溫度的升高,N2和還原區溫度/℃CO2在燃氣中的濃度降低,分別從59%和14.5%降為47%和8.1%;CO和H2濃度升高尤其在650℃圖4燃氣體積濃度隨還原區溫度的變化以后上升明顯,分別從初始濃度的16.1%和84%上升為21.7%和18.9%;CH4濃度先上升后降低由于實(shí)驗采用空氣作為氣化劑,所以燃氣屬于CHn(包括C2H、CH3、CH、CH)在較低濃度下低熱值氣體。圖5為燃氣熱值隨還原區溫度的變濃度隨著(zhù)溫度的上升而降低化曲線(xiàn)隨著(zhù)溫度上升,燃氣熱值呈上升趨勢。由于生物質(zhì)氣化主要發(fā)生6步反應6:在6凵中國煤化工(>650℃)時(shí)多2C+O2=2C0+246k(2)雖然CNMHG所以總體熱值升C+0,=c0,+409 kJ(3)高;65元已間氣化爾背使CO和H2的濃CH +H2o(g)=CO+3H2-206 kJ(4)度升高,燃氣熱值繼續升高。108·熱能動(dòng)力工程2011年04范圍內(通常為0.25),能獲得較為理想的氣化效果時(shí)。但本實(shí)驗中,ER在0.16左右時(shí)燃氣成分較理想(17.0%H2、4.1%CH4、20.1%CO、10%CnH。、12.6%CO245.2%N2),這是由于實(shí)驗中氣化爐采用了利于氣化的特殊構造:一方面,采用了氧化區集中供風(fēng)技術(shù),可以保證進(jìn)入爐內的氧氣能在氧化區充分燃燒,對提高氧化區溫度有積極作用另一方面,還原區采用“包裹”型設計,能有效減少還原區溫度/℃從氧化區傳遞至還原區的熱損失,提高還原區氣化強度。因此,雖然處于較低的空氣當量比,但依然能圖5熱值隨還原區溫度的變化保證較高的反應溫度及氣化強度,從而保證了氣化反應的深度3.2ER對氣化特性的影響ER對燃氣熱值的影響如圖7所示。由圖可知,圖6中在0.1~0.5范圍內隨著(zhù)ER的提高,E在01-0.17范圍內時(shí)熱值變化不大約為65可燃氣體的體積濃度呈下降趨勢,N2、CO2濃度明顯M/m3;在ER大于0.17時(shí),熱值隨ER的提高明顯提高尤其是N2從46%上升為59%,ER在0.1~下降;ER為0.5時(shí),熱值降低至4M/m3。當ER較0.16的范圍內時(shí)H2濃度明顯上升。小的時(shí)候,爐內是缺氧環(huán)境,物料層(尤其是還原區)甚至是無(wú)氧的,此時(shí)主要是揮發(fā)分的析出,析出的多碳類(lèi)物質(zhì)對熱值提升有重要貢獻。同時(shí),燃氣中氮濃度較少,可燃氣成分較多,熱值較高。ER較大時(shí),爐中的物料多半發(fā)生燃燒反應,N2濃度升高的同時(shí),產(chǎn)生了過(guò)多的CO2,破壞了氣化氛圍,影響了燃氣品質(zhì)。6500圖6燃氣體積濃度隨ER的變化5000可燃氣體濃度隨ER增大而降低,有兩方面的原因:第一,ER增大,鼓入爐中的空氣增多,在維持3000燃氣流量不變的情況下,N2在燃氣中比重增加,同0.1020.3時(shí),更多的O2通過(guò)燃燒以CO2的形式存在于燃氣中,使可燃氣體的濃度進(jìn)一步降低;第二,ER增加擴圖7燃氣熱值隨ER的變化大了爐中氧化燃燒區域還原區域變小,單位時(shí)間內的氣化強度降低,可燃氣體產(chǎn)出變弱。在原料給入量一定的情況下,氣化效率主要受ER在0.1~0.16范圍內,H2濃度出現了明顯燃氣產(chǎn)量和燃氣熱值的影響。一般而言燃氣產(chǎn)量的上升,原因在于較低ER(一般認為小于04)1隨著(zhù)E的增加而增大。而熱值與ER基本呈負相ER的提高有利于爐內氧化區溫度的上升對氣化反性,因此氣化效率隨ER的變化存在一個(gè)下不完全燃燒的氣化反應占據著(zhù)主導地位,此時(shí)關(guān)應的深度進(jìn)行是有利的,尤其在溫度達到700℃以中國煤化工化曲線(xiàn)如圖8所上時(shí),反應式(6)占主導地位,水蒸氣氣化促進(jìn)了H2示CNMHG曾大后降低,當ER濃度的升高。在0.3時(shí),氣化效率達到最大,為65%。ER在0.1已有研究認為空氣氣化中,控制ER在0.20.3時(shí)燃氣量的增加及較高的燃氣熱值,使氣化第1期金亮,等:下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究效率升高;ER大于0.3時(shí),雖然燃氣量很大,但爐內性能呈現最佳狀態(tài)。實(shí)驗中氣化爐采用集中供風(fēng)技氣化氛圍被破壞,燃氣中存在大量N2和CO2,所以術(shù)和還原區熱量包裹技術(shù)后,使氧化區獲得較高溫氣化效率開(kāi)始下降?？傮w而言ER在0.1~0.35之度,還原區熱損失降低,從而能在較低空氣量供入的間時(shí),氣化效率均在55%以上,表明該氣化爐對不情況下提高氣化效率及燃氣熱值。ER在0.1~0同工況具有良好的適應性,氣化特性處于較高水平。35范圍內燃氣熱值在50MJ/m3以上,最高達到65MJm3,氣化效率在55%以上,均達到了較高水平。參考文獻:[1]陳冠益高文學(xué)顏蓓蓓等.生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現狀與發(fā)展[].煤氣與熱力,2006,26(7):20-26[2]段玉燕.戶(hù)用型生物質(zhì)氣化爐的開(kāi)發(fā)與試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué),2008.[3] 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