上吸式生物質(zhì)氣化爐的設計與試驗

第27卷第7期農業(yè)工程學(xué)報Vol 27 No. 72702011年7月Transactions of the CSAeJul. 2011上吸式生物質(zhì)氣化爐的設計與試驗李斌,陳漢平",楊海平,王賢華,張世紅(華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗室,武漢430074)摘要:為指導和改良小型生物質(zhì)氣化爐的設計及運行,介紹了上吸式氣化爐的設計步驟,并對其結構進(jìn)行了優(yōu)化設計,制作了一臺生物質(zhì)氣化爐,且以木屑為原料考察了入爐空氣量對爐內溫度、產(chǎn)氣成分和熱值等的影響。結果表明:入爐空氣量是上吸式氣化爐運行的關(guān)鍵參數,直接影響爐內溫度和反應工況。隨著(zhù)入爐空氣量的增加,氣化爐內溫度大幅上升,氣體產(chǎn)量急劇增加,可燃氣含量則是先增加后降低,入爐空氣量在19m3/h附近為最佳,此時(shí),產(chǎn)氣熱值達到最大值438MJm3,氧化區溫度為960℃,氣化強度為57.8kg(m2h),能很好滿(mǎn)足用戶(hù)需求關(guān)鍵詞:生物質(zhì),氣體燃料,設計,氣化爐,入爐空氣量,產(chǎn)氣成分,上吸式doi:10.3969/jisn.1002-6819201107.047中圖分類(lèi)號:TK6文獻標志碼:A文章編號:1002-6819(2011)-07-0270-04李斌,陳漢平,楊海平,等.上吸式生物質(zhì)氣化爐的設計與試驗[].農業(yè)工程學(xué)報,2011,27(7):270-273Li Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, et al. Design and experiment on updraft biomass gasifier[]. Transactions of the CSAE,2011, 27(7): 270-273. (in Chinese with English abstract)表1氣化原料的基本分析結果Table 1 Physical and chemical properties of the gasification小型上吸式生物質(zhì)氣化爐具有結構簡(jiǎn)單、使用靈活material(as received)生物質(zhì)資源生產(chǎn)高品位的可燃氣,特別適合于農村和集分發(fā)分數分圓。ⅡNs?！?機數鎮居民以及小型餐飲業(yè)的使用14。然而,月前市面上流58371.077.03160745376960.290.51340116,46110通的各種氣化爐產(chǎn)品還存在較多的問(wèn)題4,國內外針對小型上吸式氣化爐的研究報道也不多1,在氣化爐的設1)氣化爐輸出功率Qn(W)計、結構改進(jìn)等方面仍缺乏詳細地指導叫1。因此,本所設計出的上吸式氣化爐要求能滿(mǎn)足農村炊事用能文在氣化爐關(guān)鍵參數設計計算的基礎上,結合氣化爐結的需求,也即其輸出功率≥農村炊事單位時(shí)間耗能。以構方面的考慮,設計了一臺上吸式氣化爐,并采用木屑氣化爐產(chǎn)氣在15min內能燒開(kāi)一壺水(即5kg水由20為原料,考察了入爐空氣量對氣化爐運行特性的影響?！嫔?0℃,比熱容C為42kJ(kg℃)為標準衡量氣本文的研究結果可為固定床生物質(zhì)氣化爐的設計和調試化爐的性能,可計算出其輸出熱負荷Q為運行提供借鑒和指導Qn=Cm△Tt=4.2×5×(100-20)(15÷60)6720(kJ/h=186667(W(1)1上吸式生物質(zhì)氣化爐的設計式中,m為一壺水的質(zhì)量,kg;△T為水的終溫與初始溫度之差,℃;t為加熱時(shí)間,h1.1上吸式氣化爐關(guān)鍵參數2)氣化爐燃料消耗速率FCR(kgh)選取木材加工廠(chǎng)廢棄物一木屑為氣化原料,其基本氣化爐的輸出熱負荷就是氣化爐內生物質(zhì)原料氣化分析結果見(jiàn)表1后產(chǎn)氣在灶具上燃燒單位時(shí)間所提供的有效熱量。氣化原料的低位熱值( Low Heating value(LH1)為1646MJkg,取氣化爐的氣化效率≥≥65%,燃氣灶的熱效率η收稿H期:2010-1021修訂日期:2010-1208為40%,則由能量平衡可計算出氣化爐燃料消耗速率基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃項月(“973”計劃》2007CB210202)FCR為國家自然科學(xué)基金項日(50806027,509000華中科技大學(xué)博士論文創(chuàng )新FCR=Q/(LH×m)=6720-(16.46×1000×0.65×04基金項目。=1.57(kg/h)(2)作者簡(jiǎn)介:李斌(1985-),男,博上生,主要從事生物質(zhì)的熱化學(xué)轉化3)氣化爐直徑D(m)與利用研究。武漢華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗室,430074Email:libin198520@126.com在已知中國煤化工強度( Gasification※通信作者:陳漢平(1962-),男,教授、博士生導師,主要從事煤與生 Intensity(GCNMHG化爐的育徑D為物質(zhì)的高值化、多聯(lián)產(chǎn)資源化利用研究武漢華中科技大學(xué)煤燃燒國家重D=[4FCR(πXUn15/+(5.14xU)0.183m(3)點(diǎn)實(shí)驗室,430074. Email: bp.chen@163com第7期李斌等:上吸式生物質(zhì)氣化爐的設計與試驗2714)氣化爐有效高度H(m)和有效容積v(m3)控系統等。在本設計中,氣化爐外殼采用薄鋼板卷制而為了保證上吸式氣化爐的穩定運行,使爐內各反應成,內部敷設有耐火保溫材料,氣化爐本體內爐膽采用區有合適的高度,其高徑比一般應大于2,即雙錐形結構,上錐段收縮符合爐內原料氣化后體積縮小H>2D=0.37m(4)的特征,下錐段漸擴便于物料的下降,雙錐形結構有利考慮到戶(hù)用型氣化爐采用的是間歇給料方式,爐內用氣化原料在爐內形成“整體流”,有效減輕架橋結拱容積空間所裝的原料應至少能滿(mǎn)足農戶(hù)一日的炊事用能傾向。為了方便用戶(hù)使用,改善操作環(huán)境,該氣化爐還需求,高徑比可取的更大。假定氣化爐滿(mǎn)料運行時(shí)間T設計有自動(dòng)點(diǎn)火裝置和蝶形閥手動(dòng)除灰裝置,自動(dòng)點(diǎn)火至少為3h,則氣化爐的有效容積V為裝置位于下錐段的中心,由電加熱金屬絲與金屬套管相F≥ FCRXT=428×10°2m3(5)連組成,在套管周向均布有3層布風(fēng)孔,套管頂端采用5)入爐空氣量AFR(m3h)圓錐狀帽檐防止布風(fēng)孔堵塞。下錐段中部均布有切向風(fēng)入爐空氣量AFR的值可指導風(fēng)機的選型。設計原料道,與中心套管上的周向布風(fēng)孔配合可實(shí)現爐內的均勻完全燃燒的理論空氣量為476m3/kg,取空氣當量比E布風(fēng)。在運行過(guò)程中或運行結束后,可通過(guò)手動(dòng)旋轉蝶為028,在已知燃料消耗速率FCR時(shí),可得到入爐空氣形閥及時(shí)排出爐內的灰渣,防止其在爐內過(guò)度沉積堵塞量AFR為切向風(fēng)道和布風(fēng)孔。溫度監控系統由4根在爐內沿徑向AFR= Vox FCR×E=209(mh)(6)分布的熱電偶(分別標記為T(mén)1-T4)和1根產(chǎn)氣出口處熱1.2上吸式氣化爐關(guān)鍵部件設計電偶(標記為T(mén)5)組成,4根熱電偶在爐內的初始有效高設計氣化爐的結構示意圖如圖1所示。根據小型上度分別為140、40、80和350mm,還可通過(guò)上下移動(dòng)其吸式氣化爐的特點(diǎn),可將其劃分為以下幾個(gè)關(guān)鍵部分:位置來(lái)測量不同高度層的溫度,5根熱電偶一起實(shí)時(shí)監測氣化爐本體、點(diǎn)火系統、布風(fēng)系統、除灰系統和溫度監氣化爐內溫度和出口氣體溫度。K型熱電偶⑦①①爐著(zhù)④產(chǎn)氣出口采機袋過(guò)濾抽氣泵保溫層產(chǎn)氣出口管路雙錐形爐膽自動(dòng)點(diǎn)火裝置周向布風(fēng)孔切向風(fēng)道冷凝、過(guò)濾裝置自動(dòng)止回閥放灰閥風(fēng)機-⑤國儲灰室出灰門(mén)圖1上吸式氣化爐的結構示意圖Fig 1 Schematic diagram of updraft fixed bed gasifier綜合考慮上吸式氣化爐的結構和設計計算結果,設器套管直徑為55m,上部正圓錐金屬帽檐直徑為計出的氣化爐的基本參數為:氣化爐外形呈直桶形,總75mm。高度為1000mm,除去灰室后的上部有效高度為80mm,雙錐形內膽下錐段高度為80mm,上錐段高度2試驗方rYH中國煤化工為400mm,其喉部直徑為220mm(比計算結果D=試驗過(guò)CNMH并記錄氣化爐內183mm要大,下部直徑為250mm,上部直徑為380mm,的溫度。在產(chǎn)氣出口處,連接氣體采樣裝置,具體見(jiàn)圖1可使氣化爐容納更多的物料,延長(cháng)氣化時(shí)間。自動(dòng)點(diǎn)火所示,產(chǎn)氣經(jīng)過(guò)濾除去水分和焦油后,用氣袋進(jìn)行收集,272農業(yè)工程學(xué)報2011年氣體成分采樣便攜式氣相色譜儀(GC3000)進(jìn)行分析。H2-O. -AN -V-CH試驗步驟如下:試驗前,向氣化爐內加滿(mǎn)原料(~89kg),CO.-DC.一★-LHV記錄熱電偶的初始溫度。然后,啟動(dòng)自動(dòng)點(diǎn)火裝置,30~40s后開(kāi)風(fēng)機向氣化爐內送入空氣,空氣流量通過(guò)一個(gè)流量控制閥調節。試驗進(jìn)行的同時(shí),開(kāi)始實(shí)時(shí)記錄氣化爐的溫度變化。一般而言,點(diǎn)火約3min后,出口產(chǎn)氣可點(diǎn)3結果與討論叫x對于上吸式氣化爐,運行工況的調整主要通過(guò)調節入爐空氣量/(m3h)入爐空氣量來(lái)實(shí)現,入爐空氣量是氣化爐在實(shí)際運行過(guò)圖4產(chǎn)氣成分和低位熱值隨入爐空氣量的變化程中最重要的參數,它與氣化爐內溫度分布、產(chǎn)氣成分Fig 4 Gas composition and LHv under different air flow rates和熱值等密切相關(guān)。圖2所示為氧化區的溫度和氣化強度隨入爐空氣量的變化,其中氧化區溫度指圖1中熱電由圖2可知,當入爐空氣量由1.1升至3.5m3h時(shí),偶(T2)所測的溫度,每個(gè)溫度點(diǎn)都是在氣化爐穩定運行氧化區溫度由710℃大幅上升至1129℃,氣化反應的強時(shí)測得。氧化區的溫度可直接反映氣化過(guò)程的強弱。氣度大大增加,由315上升至11.7kg(m2h)?？紤]到試驗化產(chǎn)氣的主要成分為H2、N2、CH4、CO、CO2以及少量用生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)約為1100℃,入爐空氣量不應選的過(guò)的C2等。圖3所示為氣體產(chǎn)量與產(chǎn)氣率隨入爐空氣量的高,入爐空氣量在17~23m3/之間比較合適,此時(shí)氣變化。圖4所示則為穩態(tài)運行時(shí)產(chǎn)氣成分和低位熱值隨化強度在50~70kg(m2h)之間,這與設計參數比較吻合,入爐空氣量的變化。圖4所示該流量范圍內氣體低位熱值較高在383~438MJm3之間,也證實(shí)了這一點(diǎn)。由圖3可知,氣體產(chǎn)氧化區溫度量隨入爐空氣量的增加不斷增加,這可能與氣化反應加114氣化強度強和氣體流量增加有關(guān)。另外,更多的空氣進(jìn)入氣化爐,將有更多的生物質(zhì)參加反應,氣化爐的溫度水平提高導致?tīng)t內各反應區的大小沿軸向空間擴展,從而導致氣體呢900產(chǎn)量增加。然而,產(chǎn)氣率曲線(xiàn)在入爐空氣量為19m3/h時(shí)存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn),這在圖2(溫度增加速率)和圖4(可燃氣成分和低位熱值變化趨勢)中也同樣存在。這表明可能存在一個(gè)最佳的入爐空氣量,使得氣化爐內維081.2162024283.23持合適的溫度水平,各反應區的空間分布合理,且具有入爐空氣量(m3hr)良好的氣化反應效率和穩定性。在入爐空氣量較低時(shí),圖2氧化區溫度和氣化強度隨入爐空氣量的變化氧化區溫度很低,如1.1m3h時(shí)僅有710℃,在有限的接g 2 Temperature of oxidation area and gasification intensity觸時(shí)間內生物質(zhì)與空氣不能充分反應,導致產(chǎn)氣中的氧under different air flow rates含量很高(見(jiàn)圖4)。同時(shí)還原區和裂解區的溫度降低也使得相應反應區的反應強度減弱,導致生成可燃氣(H2、138產(chǎn)氣空氣流量比氣體產(chǎn)量CO和碳氫化合物等)減少。而當入爐空氣量增加時(shí),氣4.0化爐溫度上升,各反應區的氣化反應強度增大,產(chǎn)氣中可燃氣成分和產(chǎn)氣低位熱值增加。然而,當入爐空氣量超過(guò)19m3h時(shí),繼續增大入爐空氣量,則氣化爐內的溫想128度過(guò)高,氣化爐內生物質(zhì)與空氣的接觸時(shí)間太短,難以充分反應,導致產(chǎn)氣中的氧含量增加(見(jiàn)圖4),氣化燈122內各反應區空間擴展太快,迅速上移,氣化爐運行工況惡化,從而導致產(chǎn)氣中的可燃氣成分和產(chǎn)氣熱值迅速下降結論圖3氣體產(chǎn)量與產(chǎn)氣率隨入爐空氣量的變化針對當前1中國煤化工設計方面缺乏專(zhuān)Fig 3 Product gas/air ratio and gas production under different air門(mén)的手冊或規CNMHG式氣化爐的設計flow rates步驟,并對其結構進(jìn)行了優(yōu)化設計,據此制作出了一臺第7期李斌等:上吸式生物質(zhì)氣化爐的設計與試驗273生物質(zhì)氣化爐,且以木屑為原料考察了入爐空氣量對氣京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003化爐運行特性的影響。[6]喻霞,魏敦崧.生物質(zhì)崮定床氣化過(guò)程的研究門(mén)煤氣與試驗表明:入爐空氣量是上吸式氣化爐運行的關(guān)鍵熱力,2000,20(4):243-246.參數,直接影響爐內氣化溫度和反應強度。隨著(zhù)入爐空Yu Xia, Wei Dunsong. Study of gasification treatment of氣量的增加,氣化爐內溫度大幅上升,氣體產(chǎn)量急劇增加,biomass in fixed bed gasifier[J]. Gas and Heat, 2000, 20(4)可燃氣含量則是先增加后降低,入爐空氣量在19m3h附243--246. (in Chinese with English abstract)近為最佳,此時(shí),產(chǎn)氣熱值有最大值438MJNm3,氧化]雷廷宙,沈勝強,崔俊貞,等.固定床生物質(zhì)氣化機組主要區溫度適宜,為960℃,氣化強度為578kg/(m2h技術(shù)性能試驗研究[河南科學(xué),2006,24):118-12Lei Tingzhou, Shen Shengqiang, Cui Junzhen, et al. The參考文獻]experimental study on the main technical performance of the[]李斌,陳漢平,楊海平,等.戶(hù)用型上吸式生物質(zhì)氣化爐fixed bed biomass gasification equipment[J]. Henan Science,的發(fā)展與改進(jìn)[農業(yè)工程學(xué)報,2011,27增刊1):2052006, 24(1): 118-121.(in Chinese with English abstract)[8]孫仁山,王述洋,董志國.家用生物質(zhì)氣化設備技術(shù)的研209Li Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, et al. Development and究.林業(yè)機械與木工設備,2003,31(4):7-9aprovement of household updraft biomass gasifier.楊少鵬,薛勇,牛廣路.上吸式生物質(zhì)秸稈氣化爐的設計Transactions of the CSAE, 2011, 27(Supp 1 ) 205-209( in與試驗研究門(mén)節能,2009(9):6-9.Chinese with English abstract)[10] Khummongkol D, Arunlaksadamrong W. Performance of an[2]李鵬,王維新,吳杰,等.生物質(zhì)氣化及氣化爐的研究進(jìn)updraft mangrove-wood gasifier[J]. Energy, 1990, 15(9): 781展新疆農機化,2007(3):46-48[3]段玉燕,周勁松,趙輝,等.戶(hù)用型生物質(zhì)氣化爐氣化性l胡萬(wàn)里,李長(cháng)友.小型民用秸桿氣化爐的改進(jìn)設計門(mén)節能和焦油脫除的實(shí)驗研究[Cy第二屆全國研究生生物質(zhì)能,2005(8):37—38能研討會(huì ),2007,廣州[12]王華軍,李淑蘭,何曉峰,等.家用生物質(zhì)氣化機關(guān)鍵設Duan Yuyan, Zhou Jingsong, Zhao Hui, et al. Investigation of計技術(shù)的研究與分析[河南科學(xué),2001,19(4):398gasification characters and tar remove of biomass gasificationfurmace for home-uselCyrhe 4th Seminar on biomass energyWang Huajun, Li Shulan, He Xiaofeng, et al. Research andresearch of graduate students in China, 2007, Guangzhouanalysis of key technology for civil biomass gasifier]Chinese with English abstract)Henan Science,2001,19(4):398-401Saravanakumar A, Haridasan T M, Reed T B,etal.[l3]李鵬,吳杰,干維新.戶(hù)用型上吸式生物質(zhì)氣化爐的改進(jìn)Experimental investigation and modelling study of long stick設計農機化研究,2008(5):76-78wood gasification in a top lit updraft fixed bed gasifier]Li Peng, Wu Jie, Wang Weixin Improved design of domesticFuel,2007,86(17/18):2846-2856updraft biomass gasifier[J]. Joumal of Agricultural Mechanization[5]馬隆龍,吳創(chuàng )之,孫立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應用M]北Research, 2008(5): 76-78. (in Chinese with English abstract)Design and experiment on updraft biomass gasifierLi Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, Wang Xianhua, Zhang shihong(State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)Abstract: To guide and modify the design and operation of small biomass gasifier, the design procedure of an updraftfixed bed gasifier was introduced in detail, and its structure was optimized, then a biomass gasifier was produced. Usingsawdust as raw material, the influence of air flow rate on gasification temperature, product gas composition and lowheating value(LHv) was investigated. The results showed that: air flow rate was the key parameter during the actualoperation process of the gasifier, it directly affected the gasification temperature and operation condition. As air flow rateincreasing, the temperature inside the gasifier rose greatly, the gas production increased sharply, and the combustible gascontent first increased and then decreased. The optimum air flow rate was about 1.9m/, where the Lhv of the productgas got the maximum value of 4.38 MJ/m, the oxidation area had a suitable temperature of 960C, and the gasificationintensity was 57. 8 kg/(mh), it can well meet the requirements of user.中國煤化工Key words: biomass, gas fuels, design, gasifier, air flow rate, gas compositieHCNMHG