Imbert式氣化器生物質(zhì)氣化綜合試驗研究

第26卷第5期可再生能源Vol.26 No.52008年10月Renewable Energy ResourcesOet. 2008Imbert式氣化器生物質(zhì)氣化綜合試驗研究劉建坤'，孟凡彬,李曉偉2，王貴路子，張大雷2(1.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院清潔能源與環(huán)境工程研究所,遼寧沈陽(yáng)110136; 2.遼寧省能源研究所，遼寧營(yíng)口15000)摘要:以木塊為原料,利用Imbert式氣化器進(jìn)行氣化試驗.研究了在氣化器底部加設木炭層以及不同的還原區溫度對產(chǎn)出氣成分的影響規律。結果表明:加設木炭層使產(chǎn)出氣中CO2含量略有減少,Co含量略有增加,氣體品質(zhì)沒(méi)有明顯的改善,但是可以降低氣化器出氣口氣體的溫度;還原區溫度為800-900C時(shí).可以獲得較好的產(chǎn)出氣品質(zhì)。關(guān)鍵詞: Imbet式氣化器:氣化;木炭;溫度中圖分類(lèi)號: TK6; S216.4文獻標志碼: A文章編號: 1671-5292(2008)05 00204-03Comprehensive experimental study on biomass gasificationin imbert-gasifierLIU Jian -kun', MENG Fan- bin', L Xiao- wei?, WANG Gui-lu, ZHANG Da-lei?(1.Shenyang Institute of Aeronautical Engineering ,The Institute of Clean Energy and Environmental Engineering,Shenyang 110136, China; 2.Liaoning Insitute of Energy Resources, Yingkou 15000, China)Abstract: Experiment on wood gasification in an Imbert-gasifier was carried out. The influence ofthe charcoal layer at the botom of the gasifier and the different reduction zone temperature on thecomposition of the producer gas was studied. The results showed that when the charcoal layer wasput at the bottom of the gasifier, which is directly under the reduction zone, the volume percentageof CO2 of producer gas was slightly decreased, the volume percentage of Co of producer gas wasslightly increased, although the quality of product did not obvious improvement, but the tempera-ture of the producer gas at the gasifer outlet was decreased; and for obtaining qualified producergas, the proper temperature range of reduction zone were 800 -900 C.Key words: Imbert-gasifer; gasification; charcoal; temperature?引言影響。生物質(zhì)是唯一的可再生碳資源,其儲量巨大，1試驗內容采用物理、化學(xué)和生物方法可將生物質(zhì)轉化成固1.1 試驗原料態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質(zhì)氣化就是利用熱化學(xué)本試驗選用北方常見(jiàn)的黃松木為原料,其尺轉換技術(shù)將利用效率較低的松散生物質(zhì)轉化為利寸約為30mmx30mmx30mm,堆積密度約為230用效率較高的可燃氣體,這些氣體可被用做供熱、kg/m', 通過(guò)自然風(fēng)干使其含水率小于5%。原料工發(fā)電、炊事的燃料和合成醇醚的原料H4。業(yè)分析及元素分析結果見(jiàn)表1。常用的生物質(zhì)氣化器分為固定床氣化器和流表1原料元素分析和工業(yè)分析化床氣化器。固定床氣化器具有結構簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)Table 1 Element & approximate analysis of biomass material便，熱效率高的特點(diǎn)。本試驗以空氣作為氣化介元素分析/%工業(yè)分析/%發(fā)熱量質(zhì),重點(diǎn)研究了在Imbert式氣化器底部加設木炭A目CHONSMV.AFCMIAE層以及還原區處于不同溫度時(shí)對氣化過(guò)程產(chǎn)生的木塊47.905.85 40.49 0.1 0 5.22 79.67 0.44 14.67 19.39收稿日期: 2008-09-12。.作者簡(jiǎn)介:劉建坤(1979-),男.碩士研究生.研究方向為生物質(zhì)氣化技術(shù)。nmgjk@163.com通訊作者:張大雷(1963-).男,博士,研究員,博士生導師，主要從事生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究。.24.劉建坤,等Imbert 式氣化器生物質(zhì)氣化綜合試驗研究原料的堆積密度較大，在氣化過(guò)程中不易形表2未加木炭層的氣體樣品分析數據成空腔和搭橋,可以建立穩定、持續的反應層。Table 2 Gas composition of the producer gas without1.2試驗裝置charcoal layer試驗的核心裝置為改進(jìn)的Imbert式氣化器。COy% CH/% H/% 0/% N/% CHJ% C0/% LHVAJ.m'311.73 0.17 18.06 0.86 46.00 1.62 21.55 5 361.77在氣化器的不同部位布置熱電偶，用來(lái)監測各反10.98 0.15 18.28 0.80 46.38 1.39 22.01 5 347.41應層和出氣口氣體的溫度。該設備的主要特點(diǎn)是11.35 0.15 16.44 1.55 50.21 1.46 18.84 4776.23在喉部均勻布置了噴嘴，通過(guò)循環(huán)噴嘴的均布配11.20 0.15 18.11 0.74 46.87 1.47 21.46 s 288.848風(fēng),在噴嘴下方形成高溫氧化區,使氣化反應進(jìn)行11.73 0.19 18.54 0.72 46.22 1.47 21.13 5 319.22_得更加充分,進(jìn)一步提高了氣化效率;在喉口下部表3加設木炭層的氣體樣品的分析數據增設了還原炭層,使產(chǎn)出氣被進(jìn)-步還原,增加了Table 3 Gas composition of the producer gas with charcoal layer氣體中的可燃成分,同時(shí)降低了產(chǎn)出氣溫度。C0O/% CHJ% H)% 0/% Ny% CH/% C0/% UHVNJ.m10.89 0.13 17.21 0.82 49.00 1.43 2051 5 044.94整個(gè)系統在負壓環(huán)境下運行，其動(dòng)力由羅茨9.24 0.12 15.78 0.77 48.73 1.27 24.09 5274.21風(fēng)機提供，氣體流量大小通過(guò)調節回流閥的開(kāi)關(guān)10.73 0.15 17.19 0.71 46.87 1.48 22.86 5 368.11程度來(lái)進(jìn)行控制。系統工藝流程見(jiàn)圖1。9.30 0.00 14.40 1.04 50.66 1.19 23.41 4 934.389.48 0.11 16.29 1.15 49.32 1.28 22.37 5 110.23由表2,3的數據可以看出，產(chǎn)出氣中CH，O2,N2,CH4等組分的含量未見(jiàn)變化，但在加設木.炭層氣化器的產(chǎn)出氣體中,C0含量略有增加,CO2含量略有減少,H2含量也有一定程度的降低。圖1系統工藝流程團在氣化器還原區內發(fā)生的主要反應:C+CO2=Fig1 Process Aow chart of system2C0-162.41kJ，由吉布斯自由能計算結果得知，1-Imbert 氣化器;2-旋風(fēng)除塵器;3-噴淋器;4氣水分離器;當還原區溫度達到714以上時(shí)，該反應才能向5-過(guò)濾器;6-羅茨風(fēng)機正反應方向進(jìn)行。本試驗中還原區溫度為840C,1.3試驗過(guò)程及方法加設的木炭層的溫度明顯低于還原區溫度,因此試驗時(shí),將氣化器一次性加滿(mǎn)料,封閉加料口反應C+CO2=2CO并不能進(jìn)行,但在還原層和木炭蓋。打開(kāi)進(jìn)氣口和出氣口的閥門(mén),開(kāi)啟羅茨風(fēng)機，層之間的過(guò)度區的溫度能夠滿(mǎn)足生成CO的溫度將回流閥完全關(guān)閉，使氣體流量達到最大,檢查是要求,使少量碳與CO2發(fā)生反應,導致氣化氣中否有漏氣點(diǎn)。確定系統密封完好后,打開(kāi)點(diǎn)火門(mén),CO含量略有增加，反應前后木炭質(zhì)量和品質(zhì)沒(méi)調整合適的空氣流量，用點(diǎn)火棒點(diǎn)火,啟動(dòng)氣化反有明顯變化也說(shuō)明了這一一點(diǎn)。產(chǎn)出氣中H2含量略應,關(guān)閉點(diǎn)火門(mén)。當產(chǎn)出氣能夠點(diǎn)燃且能持續穩定微降低還缺乏合理的解釋,H2含量略微降低抵消燃燒時(shí),說(shuō)明氣化反應已達到穩定狀態(tài)。通過(guò)取樣了CO含量略微增加對氣體熱值的貢獻。泵在羅茨風(fēng)機后的取樣管用取氣袋取樣，多余氣從布置在氣體出口處的熱電偶的溫度變化可體直接燃燒掉。采用美國生產(chǎn)的HP Varian 3800以看出,在氣化器底部加設木炭層,可以降低產(chǎn)出.氣相色譜儀分析產(chǎn)出氣成分。氣體的溫度。未加設木炭層時(shí),產(chǎn)出氣體的最高溫2試驗結果及討論度可達300 C左右,加設木炭層后,產(chǎn)出氣的最高2.1木炭層的影響溫度為180 C左右。這是因為產(chǎn)出氣在經(jīng)過(guò)木炭在生物質(zhì)氣化過(guò)程中，產(chǎn)出氣體中的大部分層時(shí)的阻力增大,延長(cháng)了氣體的滯留時(shí)間,所攜帶可燃成分來(lái)自于還原反應，因此還原反應進(jìn)行的.的熱量被木炭層吸收用于加強還原區的反應。產(chǎn)程度決定了產(chǎn)出氣體的品質(zhì)。為強化還原反應過(guò)出氣體溫度的降低減少了熱量損失，提高了氣化程,在氣化器底部加設術(shù)炭層。在相同工況下,在器的熱效率。氣化器底部未加設和加設木炭層的產(chǎn)出氣成分分2.2還原區溫度的影響.析結果見(jiàn)表2,3。氣化溫度是影響氣化反應過(guò)程的重要因素之.25.可再生能源2008 ,26(5)一，對產(chǎn)出氣體的組成、分布、氣體熱值有相當大區溫度高于900C,H2的含量隨溫度升高而逐漸的影響。還原反應是吸熱反應,在還原區發(fā)生的主降低。還原區溫度接近900 C時(shí),產(chǎn)出氣中H2含要反應有量最高。C+C02=2C0-162.41 kJ(1)還原區溫度對氣體產(chǎn)串和氣化效率的影響見(jiàn)C+H20=C0+H2-118.82 kJ圖3。從圖3中可以看出,隨著(zhù)還原區溫度的升C+2H20=CO2+2H2-75.24 kJ高，氣體產(chǎn)率和氣化效率逐漸增大，當溫度為H20+CO=CO2+H2- -43.58 kJ(4)500-900 C時(shí),氣體產(chǎn)率為1.70~2.14 m/kg,氣化要使還原反應順利地進(jìn)行，提高產(chǎn)出氣體的效率為40.3%-76.5%。質(zhì)量,必須對還原區提供足夠的熱量。試驗初期,士氣北數事產(chǎn)生的氣體無(wú)法點(diǎn)燃，這是因為在氣化器內建立的氧化層，尚不能提供足夠的熱量來(lái)建立穩定的-50還原層。當還原層的溫度達到400C時(shí)，氣體能夠點(diǎn)燃,但是燃燒不穩定。圖2給出了還原區溫度對5氣體組分含量的影響情況。50060070溫度/心圈3溫度對氣體產(chǎn)率及氣化效率的影響Fig.3 Inluence of reduction zone temperature on gas中15-production rate and gasification efciency3結論400 500 600700800900通過(guò)試驗研究和分析，可以得出以下一些結溫度心圈2溫度對產(chǎn)出氣組分的影響論。Fig.2 Infuence of reduction zone temperature on producer①在Imbet式氣化器底部加設木炭層,雖然gas composition不能明顯地改善氣體的品質(zhì)，但是可以顯著(zhù)降低當還原區溫度低于400C時(shí)，生物質(zhì)中的揮產(chǎn)出氣體的溫度,減少熱量損失,有效提高氣化器發(fā)分已大量析出,在氧化區反應生成大量的CO2，的熱效率。雖然此時(shí)供氧量不足,揮發(fā)分不能完全燃燒,也會(huì )②溫度是生物質(zhì)氣化的重要影響因素，還原產(chǎn)生一定量的CO,但由于還原區的溫度不夠高，區溫度的升高,可以得到品質(zhì)較好的產(chǎn)出氣,氣體導致反應(1)進(jìn)行緩慢,因此,此時(shí)產(chǎn)出氣中CO2產(chǎn) 率和氣化效率均有提高。試驗結果表明,當占有很大的比例。隨著(zhù)還原區溫度的升高，反應Imbert式氣化器還原區溫度控制在800~900C(1)的速率呈略微下降趨勢。當溫度升高到700 C時(shí),生物質(zhì)氣化效果最佳。以后,此時(shí)的熱量使反應(1)的速率加快,CO2的參考文獻:含量迅速下降;同時(shí)反應(2)的速率也開(kāi)始加快,1] 應浩,蔣劍春.生物質(zhì)氣化技術(shù)及開(kāi)發(fā)應用研究進(jìn)展CO的含量隨溫度升高而迅速增加。當還原區溫[]林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2005, 25(S);151-155.度達到900C以后，焦油和固定碳的含量隨反應2] YAO BIN YANG, CHANGKOOK RYU, ADELA KHOR,的進(jìn)行逐漸降低,CO2的含量會(huì )有所增加,CO的et al. Effect of fuel properties on biomass combustion.含量反而會(huì )減少。還原區溫度為850 C時(shí),產(chǎn)出氣Part I1. Modelling apprach- idenifcation of the con-中CO含量最高。tolling fcors[].Fuel,200 ,84:2116 -2130.當還原區溫度達到500 C以后,產(chǎn)出氣中H2[3] ORMEROD B. The disposal of carbon dioxide fromfossil fuel fired power stations [C]Eds Elsevier. Ams-的含量開(kāi)始逐漸增加。隨著(zhù)還原區溫度的升高,物terdam,1998.料產(chǎn)生的揮發(fā)分發(fā)生熱解產(chǎn)生H2，當溫度達到4]蔣劍春.生物質(zhì)熱化學(xué)轉化行為特性和工程化研究800C時(shí)，部分熱解殘留的固定碳也開(kāi)始與水蒸[D].南京:中國林業(yè)科學(xué)研究院,2003.氣發(fā)生反應,反應(2)的速率明顯加快,H2的含量5] 馬隆龍,吳創(chuàng )之,環(huán)立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應用[M].迅速增加。隨后H2與02發(fā)生燃燒反應,使得還原北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.●26.