鋸末成型棒的氣化試驗研究

第43卷第8期東北農業(yè)大學(xué)學(xué)報43(8):43-472012年8月Joumal of Northeast Agricultural UniversityAugust 2012鋸末成型棒的氣化試驗研究王麗巖'，蔣恩臣"，趙創(chuàng )”，王明峰'(1.東北農業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030; 2. 華南農業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510642 )摘要:采用下吸式生物質(zhì)氣化爐機組，以空氣為氣化劑進(jìn)行了鋸末成型棒的氣化試驗研究。以氣體熱值和氣化效率作為氣化指標，考察了當量比(ER)、還原區溫度和原料含水率的影響。結果表明，在ER為0.27時(shí)，氣體熱值達6.38 MJ-m*',氣化效率達73.62%， 氣化指標最好;還原區溫度越高氣化效果越好，在還原區溫度為880C時(shí)，氣體熱值達7.10 MJ.m",氣化效率達74.60%;當原料含水率為6.05%時(shí)，燃氣熱值和氣化效率達到最大，分別為6.62MJ.m’和74.94%。關(guān)鍵詞:鋸末成型棒;當量比;還原區溫度;含水率中圖分類(lèi)號: V231.2文獻標志碼: A文章編號: 1005-9369(2012)08-0043-05Research on gasification of sawdust forming rod/WANG Liyan', JIANG Enchen', ZHAOChuang', WANG Mingfeng'(1. School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China; 2. Engineering College, SouthChina Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: The gasification experimental of sawdust forming rod was carried on the reactor ofdowndraft biomass gasification unit. Gas heat value and gasification efficiency were evaluated asgasification indexes. The effect of ER, reduction zone temperature and moisture was considered. Thetest results showed that when ER reached 0.27, gas heat value and gasification eficiency were 6.38MJ. m3 and 73.62%, and the gas indexes were best. The higher the reduction zone temperature was,the better the results were. When reduction zone temperature reached 880 C, gas heat value andgasification eficiency were 6.71 MJ.m° and 74.60%. When the moisture reach 6%, the gas heat valueand gasification fficiency achieve the maximum, and they were 6.62 MJ.ms and 74.94% respectively.Key words: sawdust forming rod; ER; reduction zone temperature; moisture氣化技術(shù)是-種高效潔凈的生物質(zhì)能轉換技究了ER對稻殼旋風(fēng)氣化的影響，確定稻殼旋風(fēng)空術(shù)，氣化所產(chǎn)生的燃氣熱值約為5 MJ.m*,其利用氣氣化最佳ER為0.25~0.26*;李斌等在自制的上率是直接燃燒3~5倍"。生物質(zhì)作為氣化原料和煤吸式氣化爐中以木屑為原料，探索了氣化結渣相比，具有更好的反應性、其揮發(fā)成分含量高、形成的原因和機理，研究表明氧化區溫度大于H/C和0/C比高、灰分含量較低，這些性質(zhì)使生物1 129 C,氣化爐內極易結渣";陰秀麗等以玉米芯質(zhì)成為氣化的理想原料”。我國擁有豐富的生物質(zhì)為原料， 在兩段式固定床氣化爐上，以氧氣- -水能資源，在大中型沼氣工程、氣化與氣化發(fā)電、蒸氣為氣化劑， 研究了ER、氧氣濃度與水蒸氣比生物質(zhì)液體燃料等方面取得多項成果"。值對氣化指標的影響響，結果表明ER 0.27時(shí)H2體許多學(xué)者在生物質(zhì)氣化方面做了較深人的研積分數、CO體積分數和氣化效率達到最大值;究，孫紹增等以稻殼為原料，空氣為氣化劑，研Dean 等在下吸式氣化爐中的試驗研究表明，隨著(zhù)收稿日期: 2011-11-24 .基金項目:公益性行業(yè)(農業(yè))科研專(zhuān)項(201003063 -06)作者簡(jiǎn)介:王麗巖(1984-)， 男，碩士研究生，研究方向為生物質(zhì)氣化。E- mail: qidawangliyan@ 126. com*通訊作者:蔣恩臣，教授，博士生導師，研究方向為生物質(zhì)能利用。E -mail: ecjiang@scau. edu. cn44●東北農業(yè)大學(xué)學(xué)報第43卷氣化反應進(jìn)入高溫區，水蒸氣的重整和焦炭的熱分型棒 為原料進(jìn)行氣化的試驗研究還鮮有報道，本文解變得容易，更多的C和H2O發(fā)生反應生成CO和采用 下吸式生物質(zhì)氣化爐機組，以空氣為氣化劑進(jìn)H2，H2濃度升高";涂德浴等在流化床反應器上研行了鋸末成型棒的試驗研究，旨在分析ER、還原究了ER對豬糞空氣氣化效果的影響18-9,結果表明區溫度和原料含水率對燃氣熱值、氣化效率等指標ER升高，能提高反應器內的熱解溫度,有利于氣的影響，為鋸末成型棒氣化應用提供參考?；瘹饣?，但ER過(guò)大，氣體停留時(shí)間變短，二次還1材料與設備原反應的機會(huì )減少，不利于氣化反應。下吸式氣化爐工作穩定性好，氣化系統是微負.1材料壓運行，可隨時(shí)開(kāi)蓋添料，操作方便、運行安全可試驗所用原料為鋸末成型棒，直徑在35~靠，可以使原料經(jīng)過(guò)干燥后的干餾產(chǎn)物全部通過(guò)氧45 mm之間，根據GB/T211-1996、GB/T212- -2001化層，產(chǎn)生的大部分焦油可以在高溫下被分解，水和GB/T212- -2001 進(jìn)行了鋸末成型棒料的工業(yè)分析分也參加反應生成可燃氣體。目前國內外以鋸末成和元素分析，結果見(jiàn)表1。表1鋸末成型棒的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and elemental analysis of sawdust forming great工業(yè)分析元素分析Proximate analysisElemental analysis低位熱值(M].kg")Low heat value水分(%)固定碳(%)揮發(fā)物(%)灰分(%)C(%) H(%) 0(%) N(%) S(%)Water contentFixed carbonVolatile matterAsh content2014.0275.290.9551.28 5.81 42.27 0.20 0.4418.101.2儀器設備其工藝流程是生物質(zhì)物料由螺旋進(jìn)料器1送分析儀器: 101- 4型電熱鼓風(fēng)干燥箱;長(cháng)沙友人下吸式氣化爐2進(jìn)行氣化反應，產(chǎn)出氣經(jīng)過(guò)旋欣制造的馬弗爐(4kW);長(cháng)沙友欣氧彈熱量?jì)x;風(fēng)分離器3去除大顆?；覊m后進(jìn)入噴淋凈化器4進(jìn)運用美國Agilent6820氣相色譜儀對氣體成分及含行清洗去除焦油和細灰，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器3和噴量進(jìn)行分析;采用美國PE公司元素分析儀2400I淋凈化器4后，揮發(fā)份被冷卻，氣態(tài)焦油成分凝.進(jìn)行了鋸末的元素分析。結變成液態(tài)被清洗掉，實(shí)現了燃氣與焦油的分試驗所用的氣化設備為下吸式固定床，主要由離，分離的燃氣依次進(jìn)入分離器5和過(guò)濾器6,去螺旋進(jìn)料器、氣化爐、旋風(fēng)分離器、凈化系統、羅除氣體中攜帶的水滴。ER值通過(guò)羅茨風(fēng)機的回流茨風(fēng)機和氣柜等部分組成見(jiàn)圖1。閥進(jìn)行調節。儲氣柜2-◎6|。7。1-螺旋進(jìn)料器; 2- 氣化爐; 3-旋風(fēng)分離器; 4-噴琳凈化器; 5氣水分離器; 6 -過(guò)濾器; 7-羅茨風(fēng)機1- Screw feder; 2-Casification furmace; 3-Cyclone separator; 4- Spraying cleaner; 5-Gas water separator; 6-Fiter; 7-Roots blower圖1氣化系統Fig. 1 Scheme of gasification system第8期王麗巖等:鋸末成型棒的氣化試驗研究.45.13 氣化指標與氣化原料的總熱量之比。其計算公式:本文采用燃氣低位熱值和氣化效率為評價(jià)指n=-VmH也x 100%氣體燃料的低位熱值是指在標準狀態(tài)下，其式中，η-氣化效率(%); H-原料的低位熱值中可燃物熱值的總和。計算公式: :(標準狀態(tài)下)(kJ.kg"); V-原料的氣化產(chǎn)氣率H.=126.36p(CO)+ 107.98p(H2)+358.18p(CH4)+(m'.kg*)。629.09p(CH)式中，H._-燃氣的低位熱值(標準狀態(tài)下)2結果與分析(kJ.m"); φ(C0)-混合氣中CO的體積分數(%);2.1 ER 對氣體成分及氣化指標的影響φ(H2)-混合氣中H:的體積分數(%);中(CH)- -混合ER是指單位生物質(zhì)在氣化過(guò)程中消耗的空氣氣中CH的體積分數(%); φ(C:H)-混合氣中CH。(氧氣)量與完全燃燒所需要的理論空氣(氧氣)量之的體積分數(%)。比，是氣化的主要影響因素"。本文通過(guò)回流閥調氣化效率是指氣化生成的氣體燃料的總熱量節進(jìn)氣量的大小，從而改變ER,結果見(jiàn)表2。表2不同ER 下氣體成分和氣化指標Table2 Gas composition and gas index at the different ERER0.210.240.270.290.31H(%)10.4611.5311.7612.3013.67C0(%)27.6228.3531.0830.9628.94氣體成分(%)CH,(%)1.182.172.18Gas compositionCO2(%)16.116.6314.32.3316.15CHL(%)0.160.200.050.01氣體熱值(MJ.m) Heat value5.165.736.386.055.67氣化效率(%) Gasification fficiency68.573.6269.0366.25由表2可知，ER對燃氣熱值和氣體成分均有增大到0.27時(shí)，進(jìn)氣量加大使氧化反應進(jìn)行得更顯著(zhù)影響。ER在0.21至0.31的試驗范圍內，燃氣劇烈，溫度升高，還原區的兩個(gè)吸熱反應進(jìn)行的熱值先是隨著(zhù)ER的增加而增加，當ER為0.27更充分，C與CO2發(fā)生還原反應轉變成CO,同時(shí)，時(shí)，燃氣熱值達到最大值6.38 MJ.m"，之后，隨C與H20發(fā)生水煤氣反應生成CO和H2,使CO2含量著(zhù)ER的增加，燃氣熱值不斷下降。氣化效率是評降低，CO含量增加。當ER大于0.27時(shí)，隨著(zhù)進(jìn)氣價(jià)氣化的一項重要指標，隨ER的增大，氣化效率量的持續增大，爐內氧氣含量增多，雖然有利于先增大后減小，當ER為0.27時(shí)氣化效率達到最大氣化反應的進(jìn)行，但生物質(zhì)燃燒量增加，導致?tīng)t值73.62%。燃氣的成分主要由H2、CO、CH、內溫度升高，CO和過(guò)量的氧氣發(fā)生反應，使CO的CH.和CO2組成，在ER由0.21~0.31變化區間內,量減少，CO2含量增加，氣化質(zhì)量下降，氣體熱值H2含量隨著(zhù)ER的增大而增加，由10.46%增加至降低。ER過(guò)大會(huì )導致氣體流動(dòng)速度加快，大量未13.67%。 這是因為隨著(zhù)ER的增大，空氣氣化劑量經(jīng)反應的碳粉顆粒和爐灰帶出氣化爐外，不僅造增多，還原區溫度升高，焦油隨著(zhù)還原區溫度升成能源浪費，也使后續設備處理負擔加重。高裂解更充分，轉化為不冷凝氣體，使H2含量增2.2 還原區溫度對氣體成分及氣化指標的影響加; CH含量在上述ER的變化區間內變化幅度不溫度是氣化反應的重要參數,溫度的高低一大，因為裂解層產(chǎn)生的CH經(jīng)過(guò)氧化區時(shí)，部分被方面影響物料的反應速率，同時(shí)對一些吸、放熱燃燒，而在還原區焦油裂解又補充一部分，使得的可逆反應也能起到一定的控制作用，從而改變CH波動(dòng)不大;CH.氣體是--種不完全反應產(chǎn)物，最終產(chǎn)物的分布。在整個(gè)氣化反應中，還原區溫CH含量隨著(zhù)ER的增大而略有增加，但增加幅度度對氣化反應的影響尤為顯著(zhù)。氣體成分和氣化不大; CO與CO2含量處于競爭狀態(tài)，當ER從0.21指標隨還原區溫度變化的結果見(jiàn)表3所示。表3表.46.東北農業(yè)大學(xué)學(xué)報第43卷明，氣體熱值和氣化效率隨著(zhù)還原區溫度的升高均含量有較大的上升幅度; CH,和CH.主要來(lái)自于揮呈上升趨勢，當還原區溫度由600 C增加到880 C過(guò)發(fā)分的析出，CH含量在680~760 C之間較大，隨程中，熱值由5.34 MJ.m"增加到7.10 MJ.m°',氣化著(zhù)溫度的繼續升高，CH4不再是熱穩定狀態(tài)，CH4效率由58.2%增加到74.6%。CO和H2含量隨著(zhù)還分解成C和H2，此反應中碳以炭黑的形式析出;原區溫度的升高而增加，因為還原區的溫度升CH隨著(zhù)溫度的升高發(fā)生分解反應，生成小分子氣高，有利于物料的熱裂解反應，焦油在400~500C體， CHs 和C2Hs含量雖然不高，但屬于高熱值組時(shí)產(chǎn)量最大，當焦油經(jīng)過(guò)氧化區和還原區時(shí)，被分，對氣體的熱值影響較大。燃燒和裂解，還原區溫度越高，越有利于CO2還原2.3 原料含水率對氣體成分及氣化指標的影響為CO和焦油二次裂解，使CO和H2含量升高，當.原料含水率對氣體成分和氣化指標的影響如溫度高于720 C后，H2含量增幅較大，760 C后CO表4所示。表3不同還原區溫度下氣體成分和氣化指標Table3 Gas composition and gas index at the different reduction zone temperature氣體熱值(MJ.m)氣化效率(%)T(C)H2(%)CO(%)CH(%)Heat valueGasifcation efficiency600 .8.2926.592.5818.480.095.3458.28.5727.0618.010.125.6660.96809.2027.583.58 .0.145.8864.2209.6927.893.7116.230.216.0468.176028.413.7215.090.236.2770.480013.0429.913.4214.59 .0.196.5071.74015.1114.1872.388017.3534.19.5612.030.267.1074.6表4不同含水率 下氣體成分和氣化指標Table4 Gas composition and gas index at the different moisture含水率(%)熱值(MJ.m")CH<(%)CO2(%)CH,(%) .MoistureGas heat valueGasification eficiency3.9211.4831.0312.420.076.0970.445.102.0131.832.6812.756.3473.246.0512.6732.882.8313.150.136.67.2011.7431.122.9514.320.20.3873.628.5311.3729.613.0215.410.315.2572.9410.1510.927.823.1617.320.426.0866.64由表4可知，氣體熱值和氣化效率隨著(zhù)含水率因為熱解區和氧化區釋放的熱量用來(lái)蒸發(fā)原料中的增加先增大后減小，當原料含水率為6.05%時(shí),的水分，導致還原層溫度較低，CO,還原反應進(jìn)行燃氣熱值和氣化效率均達到最大值，分別為6.62的比較緩慢，焦油裂解不充分，產(chǎn)生的CO和H2含MJ.m'和74.94%。在含水率由3.92%增加至6.05%量較低，雖然水分增多但溫度較低，不利于水煤時(shí)，CO和H2含量逐漸增加，這是因為含水率過(guò)低氣反應。CH.含量隨著(zhù)原料含水率的增大而增多,時(shí)，在干燥階段大部分水分被蒸發(fā)，導致在氣化因為水分增多，一定程度上降低了反應區溫度，區水蒸氣與炭的接觸機會(huì )相對減少，發(fā)生水蒸氣在溫度較低時(shí)可以抑制CH4分解成C和H2的反應，與炭、水蒸氣與CO的還原反應減弱，產(chǎn)生的可燃故隨著(zhù)含水率的增加，CH含量呈上升趨勢。CO2氣含量減少，故含水率在-一定范圍內，隨著(zhù)含水含量隨著(zhù)含水率升高逐漸增多，因為氣化溫度降率的增加可以促進(jìn)氣化反應生成更多的CO和H2;低，使得CO,還原反應減弱，同時(shí)，水煤氣變換反當含水率大于7.20%時(shí)，CO和H2含量逐漸減少,應使得CO2含量進(jìn)一- 步升高。CH,含量變化不大，第8期王麗巖等:鋸末成型棒的氣化試驗研究總體呈現上升趨勢。條件允許的范圍內，溫度越高對氣化過(guò)程越有利，溫度為880 C時(shí)，氣體熱值達7.10 MJ.mr',氣3討論化效率達74.60%。影響氣化爐產(chǎn)氣量和燃氣成分的因素主要為c.原料含水率過(guò)高或過(guò)低，對燃氣熱值和氣化ER、溫度和原料含水率。當ER較小時(shí)，進(jìn)氣量效率均有較大影響，當含水率為6.05%時(shí)，燃氣熱少，使得燃燒不充分，氣化爐內溫度降低，氧化值和氣化效率達到最大，分別為6.62 MJ.m°和反應和還原反應減弱，產(chǎn)生的可燃氣含量減少;74.94%。當ER過(guò)大時(shí)，進(jìn)氣量增多，但容易造成過(guò)氧燃燒，使得可燃氣含量減少，熱值和氣化效率均有[參考文獻]較大幅度的降低。升溫原理表明:升高溫度反應會(huì )向著(zhù)吸熱增強的方向進(jìn)行，因此還原反應增[1]袁振宏, 吳創(chuàng )之，馬隆龍等.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北強，同時(shí)，溫度升高，焦油裂解充分，可以產(chǎn)生京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.更多的可燃氣，提高燃氣熱值和氣化效率。下吸[2]劉建禹, 翟國勛,陳榮耀.生物質(zhì)燃料直接燃燒過(guò)程特性的分式氣化爐對原料含水率有較高的要求，原料含水析刀.東北農業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2001, 32[3): 290-294.率過(guò)低，不利于水蒸氣與碳、水蒸氣與Co的還原[3]黃英趣, 李文哲,張波生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)現狀與展望[J].東北反應，氣體含量減少，燃氣熱值降低;當含水率農業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2003, 38(2); 270-274.過(guò)高時(shí)，氣化系統運行不穩定，產(chǎn)氣滯后，甚至[4]孫紹增,宿風(fēng)明,趙義軍.空氣ER對稻殼旋風(fēng)氣化的影響U].會(huì )出現不能正常運行的狀況，原料水分過(guò)高，CO2太陽(yáng)能學(xué)報, 2008, 291): 105- 108.含量明顯升高，燃氣熱值和氣化效率均不同程度[5] 李斌陳漢平，楊海平.上吸式氣化爐木屑氣化結渣特性J)農降低?？諝鈿饣囼炛蠬2含量較低，若要制取富業(yè)工程學(xué)報, 2011, 27(5): 270-275.氫燃氣，可以考慮以空氣-水蒸氣或者氧氣-水蒸[6]蘇德仁， 黃艷琴,周肇秋等.兩段式固定床富氧水蒸氣氣化實(shí)氣為氣化劑，進(jìn)行氣化試驗研究。驗研究[J]燃料化學(xué)學(xué)報, 2011, 39(8); 595-599.7] Dean S, Kinoshita C. An experimental investigation of hydro-gen4結論producion frorm biomass gasifiation[D]. Intenational Joumal ofa.空氣氣化過(guò)程中，ER對氣化氣的成分及氣Hydrogen Energy, 1998, 2318): 641-648.化指標均有較大影響，當er為0.27時(shí)，產(chǎn)氣穩[8] 涂德浴，董紅敏，丁為民ER對豬糞空氣氣化效果的影響[J].農定，氣體熱值和氣化效率都達到最大分別為6.38業(yè)工程學(xué)報, 2009, 25(5); 167-71.MJ. m和73.62%。19]涂德浴， 董紅敏,丁為民.粒徑和啟動(dòng)溫度對豬糞氣化過(guò)程的b.還原區溫度對氣體成分的影響比較大，溫影響[I.農業(yè)工程學(xué)報, 2010, 26(); 257-262.度越高，反應越充分，焦油分解成不冷凝氣體的10] 馬隆龍，肖艷京任永志，趙勇.生物質(zhì)氣化發(fā)電[]能源工程,量越多，CO,還原成CO產(chǎn)率越大。氣體熱值和氣2000, 2(8):4-6.化效率隨著(zhù)溫度的升高均呈現上升趨勢。在工藝