木屑旋風(fēng)空氣分級氣化試驗研究

第30卷第8期太陽(yáng)能學(xué)報Vol.30, No.82009年8月ACTA ENERGLAE SOLARIS SINICAAug.,2009文章編號: 02540096(2009)08-1106-05木屑旋風(fēng)空氣分級氣化試驗研究趙義軍，孫紹增，田洪明，凌峰，肖難(哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所，哈爾濱10001)摘要:基于生物質(zhì)空氣氣化機理,結合氣流床氣化工藝的優(yōu)點(diǎn),參考旋風(fēng)分離器的設計原理,提出了生物質(zhì)旋風(fēng)空氣分級氣化工藝。對不同的位置加人二次風(fēng)和改變二次風(fēng)率進(jìn)行了試驗研究。研究結果表明，分級氣化能夠改善燃氣品質(zhì)。在還原區加入二次風(fēng)有利于提高燃氣熱值和氣化效率,在氧化區加入二次風(fēng)有利于減少燃氣中焦油的含量。燃氣熱值、氣體產(chǎn)率氣化效率和碳轉化率隨著(zhù)二次風(fēng)率的增加而增加。關(guān)鍵詞:旋風(fēng);分級;氣化;生物質(zhì)中圖分類(lèi)號: TQ038.1文獻標識碼: A通過(guò)一一個(gè)錐體連接,如圖1所示。進(jìn)料口布置在氣0引言化器的上部,生物質(zhì)燃料顆粒由氣流攜帶通過(guò)進(jìn)料生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)利用的一種很有前途的方口切向進(jìn) 人氣化器,經(jīng)過(guò)干燥和熱解，生物質(zhì)內部結式。氣化器是生物質(zhì)氣化工藝中最核心的設備,目構在吸熱的不可逆 條件下發(fā)生熱分解反應,析出揮前國內生物質(zhì)氣化器的形式以固定床和流化床為發(fā)份。熱解過(guò)程在氧化性氣氛中完成,熱解反應的主。生物質(zhì)旋風(fēng)氣化器是氣流床氣化方式的一種。同時(shí)伴隨著(zhù)揮發(fā)份的燃燒反應，這樣在固體顆粒周英國卡迪夫大學(xué)、瑞典呂勒奧大學(xué)、美國俄克拉何馬圍形 成揮發(fā)份燃燒火焰的包圍狀態(tài),部分氧氣滲透州立大學(xué)等在生物質(zhì)旋風(fēng)氣化方面做了大量科學(xué)研到固體顆粒表面與固定碳反應。氧化反應放出熱究。研究表明生物質(zhì)旋風(fēng)氣化,能通過(guò)組織氣固兩量,為物料的熱解、干燥和還原區的吸熱反應提供必相旋流空氣動(dòng)力場(chǎng)完成生物質(zhì)氣化過(guò)程,同時(shí)能有要的熱量。同時(shí)在高溫環(huán)境下，熱解氣中的焦油會(huì )效降低燃氣中堿金屬含量,防止氣化器內結渣1-4)。發(fā)生二次裂解。進(jìn)入還原區后,生成的CO2與固定分級送風(fēng)氣化方式是改善氣化效果,提高燃氣品質(zhì)的重要手段。中科院廣州能源研究所和山東大煙氣出口學(xué)分別對流化床氣化器和固定床氣化器采用了分級送風(fēng)方式,試驗結果表明可燃氣中焦油含量明顯降接觸器低,燃氣熱值顯著(zhù)提高[s.6?！物L(fēng)(1)本文基于生物質(zhì)空氣氣化機理,結合氣流床氣一二次風(fēng)(2)化工藝的優(yōu)點(diǎn)，參考旋風(fēng)分離器的設計原理,提出了生物質(zhì)旋風(fēng)空氣分級氣化工藝，得到了該新型氣化器分級送風(fēng)氣化的規律,為今后進(jìn)- -步的研究提供i灰了重要的理論依據。溫控儀溫度巡檢儀1旋風(fēng)空氣氣化原理 ，圖1旋風(fēng)空氣分級氣化器實(shí)驗 系統圖旋風(fēng)氣化器的主體部分包括外旋風(fēng)簡(jiǎn)和內旋風(fēng)Fig.1 The schemaic diagram of the cyclone air staged gasifer筒(也稱(chēng)為中心管、上升管)。外旋風(fēng)簡(jiǎn)和灰斗之間收稿日期: 208-01-24基金項目:黑龍江省自然科學(xué)基金(1307396)通訊作者:孫紹增(1963- -),男,博士生導師,主要從事煤粉燃燒和生物質(zhì)能利用方面的研究。umsxhi.edu.o8期趙義軍等:木屑旋風(fēng)空氣分級氣化試驗研究1107碳接觸發(fā)生反應生成Co,同時(shí)伴隨著(zhù)水蒸氣與Co、斗則。CO2反應生成CH,焦油發(fā)生進(jìn)-一步裂解、重整等反2試驗應,形成含有大量CO、CH、H、C, H.等可燃成分和CO2、N2等不可燃成分組成的混合燃氣。2.1原料在完成氣化反應的同時(shí)，,氣化燃氣與飛灰自動(dòng)試驗原料為鋸木屑,取自哈爾濱興隆鎮林場(chǎng),表分離，氣體經(jīng)過(guò)內旋風(fēng)簡(jiǎn)排出,飛灰顆粒落入灰1給出了鋸木屑的元素分析和工業(yè)分析數據。表1鋸木屬的工業(yè)分析和元素分析Table I Utimate and proximate analysis of wood powder工業(yè)分析/%元素分析/%低位熱值/MJ+kg"'FCMAa[C] [H][o]a[N]。[S]。15.09 !75.46 .13.809.20.1.5443.016.4239.64 .0.170.022.2系統點(diǎn)和第5測溫點(diǎn)之間以及第7測溫點(diǎn)和第8測溫點(diǎn)試驗系統(如圖1)主要由主體氣化器、供風(fēng)系之間加入二次風(fēng),具體位置如圖1所示。通過(guò)二次統、給料系統預熱及溫控系統和取樣系統5部分組風(fēng)送人位置以及二次風(fēng)率的變化研究二次風(fēng)對氣化成。主體氣化器采用耐高溫的不銹鋼材料加工而器溫度場(chǎng)和燃氣品質(zhì)的影響。成,外旋風(fēng)簡(jiǎn)內徑200mm,高1300mm。試驗所需的3.1分級送風(fēng)位 對氣化效果的影響空氣由空氣壓縮機提供,為保證空氣氣流的穩定性，試驗工況選取給料速率為l5kg/h, 總給風(fēng)量為壓縮空氣在進(jìn)入氣化器之前先經(jīng)儲氣罐穩壓。物料13m'/h,空氣當量比為0.24,送人的二次風(fēng)率為23%。顆粒由調速螺旋給料機送入物料混合器,與空氣混分別比較- -次送風(fēng)氣化在第4.5測溫點(diǎn)之間加入二合進(jìn)入氣化器,給料量由調速電機控制。在尾部煙次風(fēng)氣化在第7.8測溫點(diǎn)之間加入二次風(fēng)氣化這3道布置引風(fēng)機,通過(guò)調整引風(fēng)機人口的閥門(mén)開(kāi)度調個(gè)工況下氣化器溫度分布和氣化燃氣的品質(zhì)。為方節氣化器內的壓力。氣化器沿軸向布置8個(gè)測溫便說(shuō)明,依次稱(chēng)為工況一、工況二和工況三。點(diǎn),分別編號1~8,第-一個(gè)測溫點(diǎn)與進(jìn)料口在同一3.1.1分級送 風(fēng)位置對溫度場(chǎng)的影響水平高度,每?jì)蓚€(gè)測溫點(diǎn)間距150mm。采用鎳鉻~鎳圖2表示不同位置送風(fēng)對氣化器溫度分布的影硅熱電偶對氣化器內各個(gè)反應區的溫度進(jìn)行測量，響。從3條曲線(xiàn)溫度變化趨勢來(lái)看,3個(gè)工況都先熱電偶信號采用16路溫度巡檢儀顯示記錄。試驗經(jīng)歷了溫度升高的過(guò)程,這個(gè)溫升過(guò)程包括物料的預熱采用兩片5kW的高溫陶瓷履帶加熱器。溫控熱解區和氧化區,然后進(jìn)入還原區溫度降低。其中儀監測第5點(diǎn)溫度,通過(guò)接觸器與電加熱器相連。第4、5測溫點(diǎn)處于氧化區,第7、8測溫點(diǎn)處于還原當第5點(diǎn)溫度達到設定溫度時(shí)，電加熱器自動(dòng)停止區。因送風(fēng)方式的不同,氣化器最高溫度點(diǎn)的位置工作。和溫度有所變化。氣化器出口安裝取樣系統”。本試驗采用煤氣900成分分析儀對燃氣中CO、CO2 .CH、H2和02的濃度800進(jìn)行在線(xiàn)測量。煤氣成分分析儀采用非分光紅外線(xiàn)吸收原理(NDIR)測量CO、CO2、CH氣體的濃度，同600一工況一500時(shí)采用電化學(xué)原理的02測量模塊和熱導原理的H士工院三400測量模塊,測量02和H的濃度。樣氣流量為0.7300123456789~ 1.2L/min.測邂點(diǎn)3結果分析圖2不同位t送風(fēng)對氣化器溫度分布的影響為了研究分級送風(fēng)對旋風(fēng)氣化器氣化效果的影Fig.2 Efecte of the injection locaion響,在保證總空氣量不變的情況下,分別在第4測溫of secondary air on teamperature profle1108太陽(yáng)能學(xué)報30卷由圖2可知隨著(zhù)二次風(fēng)位置的下移,氣化器入口有3. 22% ;由于總風(fēng)量和給料量不變,3種不同送風(fēng)溫度逐漸升高(工況一人口溫度TI為392C,工況二方 式出口燃氣中02的含量變化不大,均為0.15%~T為407C,工況三T,為418C)。3個(gè)工況的升溫0.37%。階段升溫速率略有增加。工況一和工況二的溫度最綜合比較氣體產(chǎn)率、燃氣熱值和冷氣化效率等高點(diǎn)出現在第5測溫點(diǎn),分別為942 879C;工況三的指標,在還原區加入二次風(fēng)效果最好,熱值能達到最高測溫點(diǎn)出現在第4測溫點(diǎn),為859C。這是因為5.67MJ/Nm' ,比一次送風(fēng)氣化提高了22 .5% ,同時(shí)氣隨著(zhù)- -次風(fēng)率的減少,主體氣流的流速降低，氧化反化效率也有了較大的提高。該二次風(fēng)率下在氧化區應區域相對上移,并且反應強度堿弱。最高溫度點(diǎn)的加入二次風(fēng)對提高燃氣熱值和氣化效率效果不明降低有利于減少堿金屬揮發(fā),使得堿金屬存留在固體顯顆粒中隨顆粒分離出來(lái)2。在還原區工況一溫度降本文對3種工況下氣化燃氣中焦油含量進(jìn)行了低趨勢最明顯，工況二溫度降低的幅度相對平緩。這比較。 一次送風(fēng)時(shí)氣化燃氣中焦油含量為-現象主要是由于在氧化區加入二次風(fēng)后,二次氧化13.96g/Nm。在氧化區分級送風(fēng)時(shí)氣化燃氣中焦油反應放出的能量彌補了還原區的吸熱反應所需要的含量為3.8g/Nm2,在還原區分級送風(fēng)時(shí)氣化燃氣中熱量。工況三由于在T。上部加入冷空氣(二次風(fēng))，焦油 含量為5.6g/Nm。由此可見(jiàn)，在氧化區加入二此時(shí)氣化器下部溫度最低,為639C。次風(fēng)對減少燃氣中焦油含量效果更佳。其原因有兩3.1.2分級送風(fēng)位置對燃氣品質(zhì)的影響方面:一方面分級送風(fēng)使得局部氧量增多,-部分焦在3種不同的送風(fēng)方式下的燃氣品質(zhì)和氣化指油被燃燒;另一方面在氧化區下游區域溫度提高,有標如表2所示。從表2中可以看出,工況三氣化燃利于焦 油發(fā)生二次裂解，從而使氣化氣中的焦油含氣中CO2的百分含量與工況一基本相同,約為量大大降低。18.0% ,略高于工況二;在旋風(fēng)氣化器下部還原區，3.2二次風(fēng)率對氣化效果的影響生物質(zhì)熱解氣化產(chǎn)生的焦炭顆粒貼外簡(jiǎn)壁旋轉,二由于在氧化區分級送風(fēng)對減少焦油含量效果更次風(fēng)切向加入，碳~氧還原反應明顯(見(jiàn)表2中工況好,本文在給料量和總給風(fēng)量不變的情況下,在氧化三的Co和碳轉化率變化)。工況-一和工況二中Co區改變二次風(fēng)率以研究其對燃氣品質(zhì)的影響，試驗含量相同，為17.8%，比工況三少4.2%,工況三的采用的3種二次風(fēng)率分別為19%、23%和31%。碳轉化率比其它兩個(gè)工況高;工況三得到的H2最3.2.1二次風(fēng)率對溫度 場(chǎng)的影響多,為7.1%,工況一次之,工況二最少;在氧化區加圖3是在氧化區加入二次風(fēng)時(shí),氣化器溫度隨入二次風(fēng)有利于CH4的生成,CH的含量能達到二次風(fēng)率的變化規律。隨著(zhù)二次風(fēng)率的增加,物料6.34% ,在還原區加入二次風(fēng)不利于CH4的生成,只人口處溫度T有小幅升高,從404C升高至420C。表2不同氣化方式下燃氣組分和氣化指標氣化區溫度最高點(diǎn)T則由892C降低至861C。此后二次風(fēng)率為19%時(shí)還原區溫度降低幅度最大,氣Table2 The gas compositions andparametersof diferent gasifcation化器最低點(diǎn)溫度r,為758C;二次風(fēng)率為31%時(shí)還工況一工況二工況三800CO218.3016.7318.01燃氣成分1C17.8017.8022.00。700。19%%,VolH25.304.727.10600t 23%CH44.526.343.22-31%50000.27 0.370.15氣體產(chǎn)率/Nm' °kg-'1.391.381.51400燃氣熱/MJ.Nm~4.63 4.63 5.67012345678冷氣化效率/%42.5042.50 56.87測溫點(diǎn)碳轉化率/%65.50 62.10 81.20焦油含量/g: Nm-313.963.805.60圖3二次風(fēng)率對氣化器溫度的影響Fig.3 Effects of secondary air ratio on temperature profile8期趙義軍等:木屑旋風(fēng)空氣分級氣化試驗研究1109原區溫度降低幅度最小，氣化器最低點(diǎn)溫度T。為二次風(fēng)率為23%時(shí),在氧化區加入二次風(fēng)對提780C。這是由于二次風(fēng)的加人，燃氣發(fā)生二次氧化高燃氣熱值和氣化效率效果不明顯,但能夠有效降反應,二次風(fēng)率越大,放出的熱量越多,還原區降溫低燃氣中焦油的含量。燃氣中焦油含量?jì)H為- -次送幅度越小。風(fēng)氣化的1/4。燃氣熱值、氣體產(chǎn)率、氣化效率和碳3.2.2二次風(fēng)率對燃 氣品質(zhì)的影響轉化率隨著(zhù)二次風(fēng)率的增加而增加。二次風(fēng)率對鋸木屑氣化的燃氣品質(zhì)和氣化指標[參考文獻]的影響如表3所示。由表3可以看出,二次風(fēng)率為19%和23%時(shí),燃氣各成分沒(méi)有發(fā)生明顯變化，燃氣[1] Syred C, Fick w, Cifths A J, et al. Cyclone gaifer and熱值增加比較平緩，但在二次風(fēng)率為31%時(shí),除C02cyclone combustor for the use of biomass derived gas in theoperation of a small gas turbine in cogeneration plants[J].和02外,其它可燃氣體成分都有所增加,特別是CoFuel, 2004,0 83: 2381- -2392.增加幅度較大。這是因為二次風(fēng)量增加有助于二次2] Gabra Mohamed, Pttreona Esbjom, Backmanb Rainer, et氣化反應和碳氧之間的反應”。此時(shí)氣體產(chǎn)率也有al. Evaluation of cyclone gasifer perfomance for gasification所增加,由此可推斷二次風(fēng)的加入使得部分低溫易裂of suger cane reaidue. Part 1: Cesification of bagase[J]. .解的焦油發(fā)生裂解生成更多的可燃氣體。Bionas and Bicenengy, 2001, 21: 351- -369.表3不同二次風(fēng)率下燃氣組分和氣化指標3] Gabra Mohamed, Pttersona Fasbjorm, Backmanb Rainer, etTable 3 The gas compsitinsi and perametersal. Evaluation of cyclone gaifer performance for grifctionof dferent secondary air ratioof sugar cane reidue. Part 2: Gesification of cane trash[J].二次風(fēng)率/%9233Biomass and Bioenergy, 2001, 21: 371- -380.4] Pail Krushna N, Bower Timothy J, Bllmer Danielle D, et0216.31 16.73 16.68al. Design, development, lesting and evaluation of a labora-C017.10 17.80 20.10燃氣成分1H24.474.725.11tory scale cyclone gasifcation system[A]. 2004 ASAE/CSAE%,volH6.166.34 6.73Annual International Meeing Sponsored by ASAE/CSAE[C],0.380.37 0. 10Canada, 2004, 1-8.氣體產(chǎn)率/Nm' "kg'1.351.381.51[5] 謝軍,吳創(chuàng )之，陰秀麗，等.流化床中二次風(fēng)對生物燃氣熱值/MJ. Nm，4.434.635.09質(zhì)氣化的影響[A].2005 年中國生物質(zhì)能技術(shù)與可持冷氣化效率/%39.50 42.50 49.20續發(fā)展研討會(huì )[C],淄博, 2005,5 107- -113.碳轉化率/%58.20 62.10 69.606] 賴(lài)艷華，呂明新，馬春元，等.兩段氣化對降低生物質(zhì)氣化過(guò)程焦油生成量的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，4結論2002, 8(5): 478- -481.本文以鋸木屑為原料，研究了分級送風(fēng)對旋風(fēng)7] Simell Pekka, Sahlberg Pekka, Kurkela Fsa, et al. Provi-sional protocol for the sampling and analysis of ter and partic-氣化方式的影響。與一次供風(fēng)氣化相比，在還原區ulates in the gas from lage-scale bioma88 gasifiers ( Version加入二次風(fēng)，碳~氧還原反應明顯,燃氣熱值達到1998)[J]. Biocenergy, 2000, (18): 19-38. .5.67MJNm',氣化效率為56.87%， 碳轉化率為[8] 陳平.生物質(zhì)流化床氣化機理與工業(yè)應用研究[D].81.20% ,分別比一次送風(fēng)氣化方式提高了22.50%，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2006.14.37%和15.70%。1110太陽(yáng)能學(xué)指30卷EXPERIMENTAL RESEARCH ON AIR STAGEDCYCLONE GASIFICATION OF WOOD POWDERZhao Yijun, Sun Shaozeng, Tian Hongming, Ling Feng, Xiao Nan(Rererch lntiue of Combution Enginering Harbin Insinue of Todnologyr , Harbin 1000, China)Abstract: Based on the mechanism of biomass air gasification and the advantage of entrained-flow bed, a novel air stagedgasification technology w88 developed according to the principle of cyclone design. Effects of the addition positions andthe ratio of secondary air on cyclone air gasification of wood powder were discussed. The results indicated that the air-staged technology could improve the quality of the producer gas, and increase of the heating value of the produced gas andthe cold gas eficiency of the gsifer when the secondary air was injected in the reduction zone. The tar content of theproduced gas decreased distinctly when the secondary air was injected in the oxidization zone. In addition, the heatingvalue of the producer gas, the cold gas efficiency and carbon conversion efficiency would increase with the increasing ofthe secondary air ratio.Keywords: cyelone; air staged; gasifcation; biomass