戶(hù)用型下吸式生物質(zhì)氣化爐性能研究

研究與探討戶(hù)用型下吸式生物質(zhì)氣化爐性能研究金亮,周勁松,葉志舟,駱仲泱(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,杭州310027)摘要:由于生物質(zhì)能具有儲量大、環(huán)境友好等特點(diǎn),生物質(zhì)氣化技術(shù)尤其是戶(hù)用型氣化技術(shù)在我國農村應用值得研究。論文在建立下吸式戶(hù)用型氣化系統上,研究了不同生物質(zhì)原料的氣化性能,如對溫度分布、氣化效率、燃氣熱值、燃氣產(chǎn)量等,并進(jìn)行了焦油脫除效率的研究。結果表明,該爐型的氣化效率可達70%,燃氣熱值達到6 MJ/m',燃氣中焦油含量降低至20 mg/m'o關(guān)鍵詞:生物質(zhì);下吸式;氣化;焦油Abstract: For the abundant reserves and environmentally friendly characters of biomass ener-gy, biomass gasification technology has a positive application in the rural area, especially biomassgasification for home- -use. Primary coverage of this thesis is to research different biomass gasifica-tion characters, under the down- draft biomass gasification equipments. The research including tem-perature distibution, gasification eficiency, gas heat value and production, tar removal eficiency.Analysis showed that the gasification efficiency can reach up to 70%, gas low heat value is about 6M]/m', tar content can low to 20 mg/m'.Key words: biomass; down- draft; gasification; tar中圖分類(lèi)號:TK6文獻標志碼:B文章編號: 1001-5523( 2010)01-12-05隨著(zhù)全球化石燃料的不斷消耗，能源短缺和環(huán)氣化裝置為基礎， 進(jìn)行不同生物質(zhì)原料的氣化性能境污染問(wèn)題8益凸顯，生物質(zhì)能因其豐富的儲量和研究,如溫度分布、氣化效率、燃氣熱值、燃氣產(chǎn)量對環(huán)境污染小的特點(diǎn)四,在全世界能源利用中越來(lái)等,以及進(jìn)行煤氣中焦油含量的測量和脫除試驗n啊，越受到關(guān)注和重視。在我國農村地區,僅秸稈等農林以得到不同原料在該氣化爐下的性能運行情況。生物質(zhì)廢棄物資源量就有7x108 Va,相當于3.1x10* t1實(shí) 驗介紹標準煤}。生物質(zhì)熱解氣化集中供氣技術(shù)具有能源利用率高、環(huán)境友好等特點(diǎn),在廣大農村的推廣應用戶(hù)用型氣化實(shí)驗裝置包括氣化爐(下吸式)、燃能中取得了良好的社會(huì )效益和環(huán)境效益。但集中供氣氣凈化系統、引風(fēng)系統 、燃燒系統、儲氣裝置及測量技術(shù)尚存在焦油的處理效果不理想,氣化站“欠戶(hù)”系統等,裝置系統見(jiàn)圖1?，F象嚴重,設備利用率降低,燃氣成本增加等問(wèn)題4,因此開(kāi)發(fā)和推廣新型戶(hù)用型生物質(zhì)氣化爐具有重要意義。接空」式化王用在固定床生物質(zhì)氣化爐型中，下吸式氣化爐具有燃氣品質(zhì)好、氣化效率高焦油含量少、可隨時(shí)進(jìn)中國煤化工料等諸多優(yōu)點(diǎn)150,這對保證穩定供氣、降低焦油污MHCNMH G收朔染等具有積極的作用。 本文以浙江大學(xué)自行研制的田土物貝P吸鞏比系統12.戶(hù)用型下吸式氣化爐為核心，以自行搭建的生物質(zhì)本實(shí)驗所用的生物質(zhì)下吸式氣化爐，如圖2所金亮等.戶(hù)用型下吸式生物質(zhì)氣化爐性能研究研究與探討示。此氣化爐的特點(diǎn):( 1)干燥熱解區至氧化區采用即可得到一爐生物質(zhì)原料的總產(chǎn)氣量。其中,燃氣正口徑漸縮錐形設計,以方便生物質(zhì)原料的自動(dòng)下料。常 產(chǎn)出的標志為燃氣在灶臺上可正常點(diǎn)火燃燒,產(chǎn)研究結果表明,傾角在70~10°之間適合于原料的下氣結束時(shí)間的標志為灶臺 自然熄火。料,故此氣化爐的傾角定為9%。(2)還原區采用“兩Q=qxt(1)頭小,中間大”的結構特點(diǎn),有利于將熱量“包裹”于式中:Q為氣化機組的產(chǎn)氣量,m';q為生物質(zhì)燃氣還原區中部，使原料進(jìn)行充分還原反應，防止出現流量,m/h;t為燃氣產(chǎn)生時(shí)間,h?！斑€原死角”，以提高原料的氣化效率及焦油的脫除1.2.2燃氣熱值效率。燃氣熱值測量采用《城鎮燃氣熱值和相對密度幾物料、空氣人口測定方法》0,儀器采用JKS水流式燃氣熱量計。1.2.3氣化效率氣品熱電偶根據氣化機組產(chǎn)氣量V、生物質(zhì)燃氣組分和原料加入量G,利用公式計算氣化機組的氣化效率:VxQew-x100%=ExQ_-G,x0n x100%(2)式中:η為氣化機組的氣化效率, %;Qo為生物質(zhì)燃氣的輸出能量,kJ;Qi為生物質(zhì)原料輸人能量,kJ;Gz市Z為生物質(zhì)底灰重量,kg;Qa為生物質(zhì)燃氣的低位發(fā)熱量,kJ/m?;Qa為生物質(zhì)原料的低位發(fā)熱量, kJ/m);圈2下吸式氣化爐結構Qae為生物質(zhì)底灰的低位發(fā)熱量, kJm'。實(shí)驗以空氣作為氣化劑,由引風(fēng)機帶動(dòng)工作。由1.2.4焦油含量于系統處于微負壓工作狀態(tài)，故氣化爐采用敞口設焦油測量依據《城市燃氣中焦油和灰塵含量的計,空氣由氣化爐頂部進(jìn)人爐內氧化區氧化燃燒,產(chǎn)測定方法)問(wèn)， 即使一-定體積的生 物質(zhì)燃氣通過(guò)已知生的燃氣依次經(jīng)過(guò)噴淋凈化裝置及干式凈化裝置,重量的濾膜，以濾膜的增重和取樣體積,計算出焦油以去除燃氣中的焦油灰塵等雜質(zhì)。和灰塵的含量。焦油取樣口如圖1所示。凈化效率的實(shí)驗的測量系統包括爐體溫度測量、燃氣流量值按以下公式計算:測量及焦油含量測量三大部分。爐體溫度測量從上ηz= 0-0-l至x100% .(3)到下依次在氣化爐上布置6個(gè)測點(diǎn),包括對干燥區、Q;熱解區、氧化區、還原區以及燃氣出口溫度的測量，η=Q-Q-Q立x100% .(4)Q2同時(shí)對氧化區的測點(diǎn)采用熱電偶沿徑向可伸縮裝ηg=Q-9-Qx10%置,以測量氧化區不同部位的溫度燃氣流量測量采用轉子流量計進(jìn)行,并可根據需要調節流量大小。在式中 :沏為凈化效率;Q1為1號測量口的焦油含量|(焦油含量的測量過(guò)程中，本實(shí)驗焦油測量方法采用mg/m';Qz為2號測量口的焦油含量mg/m';Q3為3國標(城市燃氣中焦油和灰塵含量的測定方法》(GB/號測量口的焦油重量mg/m';Q空為空抽大氣所得T12208- 1990)91。.增重mg/m'。|王1.2實(shí)驗測量方法2實(shí)吟仕里上公析.1.2.1產(chǎn)氣量中國煤化工產(chǎn)氣量的測量主要采用時(shí)間計時(shí)方法進(jìn)行測2.1TYHCNM H G性第量。從燃氣正常產(chǎn)出后開(kāi)始計時(shí),至產(chǎn)氣結束為止停實(shí)驗選擇農村最為常見(jiàn)的生物物料如糠、玉米期止計時(shí),通過(guò)轉子流量計中測得的每小時(shí)燃氣流量,芯粉料及紅櫸木加工廢料作為實(shí)驗原料，這些原料. 13.金亮等，戶(hù)用型下吸式生物質(zhì)氣化爐性能研究研究與探討-的工業(yè)分析如表1所示。實(shí)驗過(guò)程中,在點(diǎn)火燃燒氣低于4 M]/m,其余兩種物質(zhì)均在4.5 MJ/m'以上。所化后通過(guò)觀(guān)察6個(gè)熱電偶的溫度,適時(shí)地將燃氣由以說(shuō),該氣化爐對原料的適應性還是比較好的。除此排空切換至灶頭,監測燃氣是否能點(diǎn)燃,記錄產(chǎn)氣時(shí)之外,比較紅櫸木等“硬木"材料和糠皮等“軟木”材間及產(chǎn)氣量,在產(chǎn)氣過(guò)程中實(shí)時(shí)測量燃氣熱值。不同料發(fā)現,兩者的氣化效果也存在差異。分析原因,可生物質(zhì)原料氣化特性的試驗結果見(jiàn)表2。以歸結為以下幾點(diǎn):表1不同生物質(zhì)原料的工業(yè)分析%(1)玉米芯粉料的揮發(fā)分含量在三種原料中是生物質(zhì)碳含量水分灰分揮發(fā)分低位熱值低位熱值最高的,而水分及灰分含量是最低的。目前對生物質(zhì)種類(lèi)Fcad.kg-氣化機理-般認為首先在較低溫度下(500 C),揮發(fā)分析出,然后半焦在高溫下(800 C以上)發(fā)生進(jìn)紅櫸木16.283.905.6216 181一步氣化。揮發(fā)分析出產(chǎn)生較多Co、H2等可燃性氣糠皮14.7610.0511.415 807體,提高了燃氣中可燃氣體比例,因而提升了燃氣熱玉米芯16.339.011.4073.2616 922.粉料值。而半焦在以空氣為氣化劑時(shí),產(chǎn)生的可燃氣體主表2不同生物質(zhì)原料的氣化特性要以co為主,并且半焦氣化受到溫度、停留時(shí)間、原料焦炭粒徑等諸多因素影響，并不如揮發(fā)分熱解反應熱值灰渣熱值迅速和徹底。所以，含揮發(fā)分較多的玉米芯粉料,熱款kg/m'1%解氣化反應象紅櫸木和糠皮更為容易進(jìn)行，其氣化紅櫸木8.14 16181 3.90 21 1385.25 4.60 48.73效率和燃氣熱值均明顯較高?？菲?1.20 15807 3.75 25137 9.50 3.83 44.00(2)紅櫸木和糠皮雖然在工業(yè)分析中除灰分含五米芯15.46 16922 5.00 30599 12.50 6.02 69.21 .量差別較大外,其余成分含量差別并不明顯,但是通過(guò)比較兩者的物理性質(zhì),依然可以看到以下幾點(diǎn)不7 000同::6000. 5000①糠皮的堆積密度小。木質(zhì)原料和- -些枝條的s4000堆積密度約為煤的1/4~1/2. 而軟木等的堆積密度僅;3000相當與煤的1/10,由于容重小而使得反應器的熱容P2000毛1 000量小，難以形成穩定的反應區,而且堆積密度小的原玉米芯粉料料其料層空隙大,均勻性差,容易形成氣流通道,造成吹穿現象。團3不同原料之間的熱值比較②糠皮自然堆積角大,流動(dòng)性差,反應區易于搭8C橋、穿孔,不能形成穩定的床層。70③糠皮中木炭的機械強度很低，在大量揮發(fā)分能.50析出后,不能保持現狀,迅速形成細而散的炭粒,降40低了反應的活性和反應區的透氣性。30 t2.2燃氣流量對氣化特性的影響0對于固定床氣化爐而言，調節氣化特性最迅速周和最簡(jiǎn)單的手段之一就是調節它的進(jìn)風(fēng)量。由于本京圈4不同原料之間的氣化效率比較氣化I中國煤化工佳于測量,因此采用從表中可以看到該氣化爐對三種原料的氣化效氣MHCNMHG研究。同-種原料期|率均達到40%以上,其中玉米芯粉料的氣化效率達在氣化爐岡不同時(shí)燃 氣凱量將影響到燃氣的燃氣熱.14. 到了69%;燃氣熱值方面,除糠皮為3.83 MJ/m',略 值及氣化效率,實(shí)驗結果如圖5、圖6所示。金亮等、戶(hù)用型下吸式生物質(zhì)氣化爐性能研究研究與探討60005000.縣65004000300055002000產(chǎn)10004 50062.54.56.燃氣流量/m3.h-1燃氣流量/m3.h-!間)紅櫸木(b)玉米芯粉料圈5燃氣流量對燃氣熱值影響7040-50f 40200L6.55燃氣流量/m3. h-I燃氣流量/m3'h-1(間)紅櫸木圖6燃氣流量對氣化效率影響由上圖可見(jiàn),燃氣熱值隨著(zhù)燃氣流量的增大而燃氣熱值較低, 也造成氣化效率也隨之降低。因此，減小,氣化效率隨著(zhù)燃氣流量的增大先是有所增大存在一個(gè)較佳的燃氣流量范圍,使氣化爐可以在最然后逐漸減小。這是因為,當燃氣流量較小的時(shí)候，佳的運行狀態(tài)下工作,而且這個(gè)范圍會(huì )隨著(zhù)物料的由于進(jìn)風(fēng)流量較少,氣化爐內氧氣供應較少,氣化變化而有所差異。爐中更多的物料發(fā)生熱解反應,因而燃氣中氮的含2.3凈化裝置的性能試驗研究量較少,可燃氣的成分較多,熱值較高;但是由于燃本氣化爐為下吸式氣化爐,采用了濕式噴淋裝氣流量小,總體的氣化效率并不會(huì )很高。相反,當燃置及干式凈化裝置,其中干式凈化填充劑為棉花。氣流量過(guò)大的時(shí)候,氧供應較大,更多物料參與燃表3給出了各中不同原料焦油脫除效率的不同比燒反應,產(chǎn)生了較多的二氧化碳,影響了燃氣品質(zhì)，較。 .表3不同原料不同凈化裝的焦油脫除效率氣化原料紅櫸木.糠皮玉米芯粉料濕式凈化效率1%91.9886.4088.14干式凈化效率/%97.5992.5299.12總凈化效率1%99.8199.0999.88能凈化前燃氣焦油含量/mg'm310 34017 74016 060凈化后燃氣焦油含量/mg'm319.65160.5519.06從表中可見(jiàn),試驗中干式、濕式的凈化效率均與凈化前糠皮產(chǎn)出的焦油量有關(guān)外，也與濕式、干達到了90%以上，三種原料的總體凈化效率也均式過(guò)濾器對糠皮焦油的凈化效率最低有關(guān)。濕式凈在9%以上。凈化后的燃氣中,玉米芯粉料和紅櫸化主中國煤化工碰撞凝聚,通過(guò)重木焦油含量在20 mg/m2,處于-一個(gè)較低的水平,這力沉HCNMHG化的原理是當燃第在實(shí)際應用中是能滿(mǎn)足應用要求的，而糠皮的焦油氣通過(guò)棉花纖維時(shí),依靠纖維組織對焦油粒慣性碰真含量處于一個(gè)較高水平( 160 mg/m2)。原因是除了撞、吸附、攔截等物理的作用,將焦油從燃氣中脫● 15.金亮等，戶(hù)用型下吸式生物質(zhì)氣化爐性能研究研究與探討除。當焦油顆粒越大時(shí).濕式、千式的凈化效果越明參考文獻:顯;反之當焦油顆粒越小時(shí),脫除效果越差。比較糠[1] Yaman s. Pyrolysis of Biomass to Produce Fuels and皮與另兩種原料的焦油脫除效果后可以判斷,糠皮Chemical Feedstocks [J] Energy Converse Manage, 2004,在氣化過(guò)程中產(chǎn)生的多為較小粒徑的焦油,故在濕(45): 651-71.式噴淋、干式過(guò)濾中的凈化效果不如另兩種原料[2] Radmanesh R, Courbariaux Y, Chaouki J, Guy C. A UnifiedLumped Approach in Kinetic Moelling of Biomass Pyrolysis好。[] Fuel, 2006, (85): 1211-1220.另外，比較糠皮和紅櫸木燃氣凈化前的焦油含[3]董玉平,鄧波,景元琢等.中國生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和發(fā)量可以看到,糠皮的焦油含量17 740 mg/m',而紅櫸展現狀J山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2007,(37); 1-7.木的焦油含量為10 340 mg/m'。這與糠皮等“軟木”[4]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].材料和紅櫸木等“硬木”材料的組成成分和組織結構北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.有關(guān)。- -般認為,“軟木”材料中多纖維素,“硬木"材[5] 陳冠益,高文學(xué),顏蓓蓓.等生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現狀與料中多木質(zhì)素,Sadatal"和KsrinI2認為，焦油的發(fā)展[]煤氣與熱力,2006,(7): 20-26.含量和生物質(zhì)材料中的纖維素含量有關(guān)。文獻13-4[6]宋秋,任永志,孫波.生物質(zhì)氣化爐設計要點(diǎn)[J]可再生能報道,當以daf基計時(shí),熱解產(chǎn)生焦油質(zhì)量為稻桿>源,2002,(2):49 -51.木屑,“軟木材料”的焦油產(chǎn)量會(huì )大于“硬木”材料,這[7]魏敦崧,李芳芹,李連民.生物質(zhì)固定床氣化試驗研究[p.同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006.(2); 254 -259.和本實(shí)驗的結果是相印證的。[8]雷廷宙.沈勝強,崔俊貞,等.固定床生物質(zhì)氣化機組主要3結論技術(shù)性能試驗研究[].河南科學(xué), 2006, (1): 118-121.[9] GB/T12208-1990,城市燃氣中焦油和灰塵含量的測定方法(1)該戶(hù)用型生物質(zhì)氣化爐采用玉米芯為原料時(shí)氣化效率較高,最高可達70% ,燃氣熱值也接近6[10] CB/T 12206- 2006, 城鎮燃氣熱值和相對密度測定方法MJ/m'。主要得益于還原區的“包裹”型設計有利用熱[S量的集中,保證氣化的深度進(jìn)行;另-方面,原料較[11] Sadakata M, Takahashi K, Saito M, Sakai T. Production of低的含水率降低了氣化時(shí)的熱損失。Fuel Gas and Char from Wood, Lignin and Holcellulose byCarbonizaion[] Fuel,1987, (66): 1667-1671.(2)引風(fēng)量的變化能有效調節氣化效率及燃氣熱值的大小,一般而言,燃氣熱值會(huì )隨著(zhù)引風(fēng)量的增[12] Kostin H. Direct Formation of Prolysis Oil from Bioas,in Proceedings Specialists Workshop on Fast Pyrolysis of大而呈”下降趨勢,氣化效率為先提高后降低趨勢。因Bionass[S]. Copper Mountain, Colorado. 1980.(19);105-121.此,對每一種原料存在-一個(gè)最佳引風(fēng)量大小，在保證[13] Raveendran K, Anuradda Ganesh, Kartic C, Khilar. Pyrolysis較高燃氣熱值的前提下,有較大的燃氣產(chǎn)率。以玉米Characeristics of Biomass and Biomass Components U Fuel芯粉料為例,當燃氣流量維持在4.8 m2/h時(shí),氣化效1996, (8); 987- 98.能率可接近70% ,燃氣熱值可達到6 MJ/m'。[14] Morten C Gronli, Morten C. Mathematical Model for Wood(3)在氣化爐出口搭配濕式噴淋、干式凈化等凈Pyrolysis -Comparison of Experimental Measurements with研化過(guò)濾裝置,結構表明噴淋和干式的凈化效率均達Model Predicions[J.Energy and Fuls2000(1): 791-800.到了90%以上,總體凈化效果在9%左右,凈化后收稿日期:2009-11-231燃氣的焦油含量最低可達20 mg/m',可滿(mǎn)足實(shí)際使用_用要求。.基金項目:浙江省科技計劃項目(2008C01001-2)中國煤化工第|MHCNMHG.●16.