生物質(zhì)固定床氣化試驗研究

第34卷第2期同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2006年2月JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Feb.2006生物質(zhì)固定床氣化試驗研究魏敦崧1,李芳芹2,李連民3(1同濟大學(xué)機械工程學(xué)院,上海20002;2.上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院,上海200003.上海燃氣市北銷(xiāo)售有限公司,上海200434)摘要:根據生物質(zhì)的氣化原理,利用固定床上吸式氣化的試驗方法,對生物質(zhì)進(jìn)行氣化研究搭建一小型氣化試驗爐,分析采樣氣,得到氣化氣的熱值利用實(shí)測數據計算法計算各種氣化指標,同時(shí)研究了爐溫原料特性燃料層厚度等操作條件對生物質(zhì)氣化的影響建立了數學(xué)模型,對氣化過(guò)程進(jìn)行模擬進(jìn)一步研究氣化爐內部的反應狀況比較模擬計算得出的燃氣成分、熱值與試驗測得的相應數據驗證了上吸式固定床氣化方法的可行性關(guān)鍵詞:生物質(zhì);固定床;氣化;試驗研究中圖分類(lèi)號:TK6;TQ546.2文獻標識碼:A文章編號:0253-374X(2006)02-0254-0Test Study on Biomass Gasification in Fixed BedsWEI Dunsong', LI Fanggin2, LI Lianmin3(1. College of Mechanical Engincering, Tongji University, Shanghai 200092, China2. Energy and Environment Engineering Institute, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China3. North Shanghai Gas Business Co. Ltd., Shanghai 200434, ChinaAbstract: Based on the principle of biomass gasification, the method, updraft gasification in fixedbeds,is adopted to study the process of biomass gasification. After setting up a small-scale test gasifiand analyzing sampled gases, the heat value of gasified gas is available. Tested data method is used toalculate gasification criterions, and at the same time, the effects of temperature of gasifier, characteristics ofraw manaterials, thickness of fuel on the biomass gasification are discussed. A mathematicalodel is established to simulate the process of gasification and study the chemical reaction in the gasification furnace. Ingredients and heat value of simulated gases are compared with corresponding testeddata. The feasibility of updraft gasification in fixed beds is verifiedKey words: biomass; fixed bed; gasification; test study隨著(zhù)全球性工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,以煤、石油為主的_1.例如,大部分秸稈被無(wú)端燒掉、垃圾被填埋或常規能源的日益短缺和環(huán)境污染的不斷加劇,促使倒入河海中等,這不僅浪費資源,而且對環(huán)境還造成人們加緊研究各種可替代能源.可再生的生物質(zhì)能?chē)乐匚廴?有效利用這些生物質(zhì)的一個(gè)有效途徑就在能源結構中占有極其重要的地位我國生物質(zhì)資是把生物質(zhì)氣化成燃氣來(lái)加以利用本文利用固定源(木料、秸稈及垃圾等)蘊藏特別豐富,但據統計,床中國煤化工稈進(jìn)行氣化研究生物質(zhì)能的利用僅占可用生物質(zhì)資源的三分之YHCNMHG收稿日期:2004-09-22作者簡(jiǎn)介:魏敦崧(1944-),男,上海人,教授博土生導師 E-mail: dsweib@ mail, #cdu,cr第2期魏敦崧,等:生物質(zhì)固定床氣化試驗研究氣,通過(guò)羅茨鼓風(fēng)機后,分成兩路:一路旁通,直接排1生物質(zhì)氣化過(guò)程放到大氣中;另一路流經(jīng)并聯(lián)的轉子流量計和孔板流量計,計量后進(jìn)入氣化爐,作為氣化劑進(jìn)入氣化生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有爐的空氣量是通過(guò)調節閥門(mén)來(lái)控制的.空氣流量測機物和水分組成生物質(zhì)氣化過(guò)程是生物質(zhì)中有機量?jì)x采用兩種并聯(lián)的流量計:低流量時(shí),用轉子流量物轉化為可燃性氣體的過(guò)程.氣化爐內燃料層自上計;高流量時(shí),用節流孔板流量計而下可以分為三層:干燥層、熱解層和氣化層(包括煤氣出口氧化層和還原層)生成氣干燥的燃料在熱解過(guò)程中測溫孔取樣孔產(chǎn)生CO,CO2,H2,N2,H2S,焦油蒸氣及少量的入料口CH4,CmHn等氣體以及焦.隨后,固體焦發(fā)生如下的氧化、還原反應氧化層C+O2=CO2(放熱反應)2C+O2=2OO(放熱反應)還原層C+OO2=2CO(吸熱反應)C+H2O=CO+H2(吸熱反應)CO+H2O=CO2+H2(放熱反應爐門(mén)風(fēng)道C+2H2O=CO2+2H2(吸熱反應)【I可見(jiàn),生成氣的主要可燃成分為CO和H2圖1試驗用氣化爐示意圖(單位:mm)2試驗裝置及測試系統g 1 Sketch figure of used gasifier(unit: mm)2.3燃氣燃燒器本試驗的氣化試驗裝置2包括氣化試驗爐供本試驗中,設計了兩個(gè)直管式燃氣燃燒器.一個(gè)風(fēng)系統、燃氣燃燒器和測試系統等.試驗爐為上吸式是自然引風(fēng)擴散式燃燒器,供烘爐及點(diǎn)爐時(shí)使用;另固定床氣化爐,爐中的氣固兩相呈逆向流動(dòng).與下吸一個(gè)是用于燃燒生成燃氣的管式燃燒器,同時(shí)也可式固定床相比較,上吸式氣化爐的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單,監視生成燃氣的質(zhì)量氣化效率高,灰渣含碳率較低;其缺點(diǎn)是氣化燃氣中2.4測溫系統含焦油較多氣化爐內床層的最高溫度約1000℃左右,采2.1氣化試驗爐用鎳鉻-鎳硅熱電偶來(lái)測量爐內溫度,為了測量床氣化試驗爐3如圖1所示釆用耐火磚爐墻既層不同高度的溫度分布,在爐排以上750~1200能耐高溫,又可減少散熱損失試驗時(shí)爐門(mén)需關(guān)閉,mm之間布置了五個(gè)測溫孔.各熱電偶經(jīng)過(guò)轉換開(kāi)但由于實(shí)驗條件等原因,爐門(mén)密封不夠好,所以會(huì )有關(guān)接到數字式毫伏計,可以連續觀(guān)察不同床高的溫少量空氣漏入爐頂左側為加料口,為防止物料上方度變化有大量空氣漏入,于加料口處又砌有180mm高的2.5取樣裝置及氣體分析儀護磚,形成一個(gè)喉頸,加料時(shí)此處塞有物料,形成料取樣管采用銅管,斷面切成斜面銅管固定在煙封,可適當減少由此漏入的空氣量.右側為燃氣出道內,使斜口斷面向下,正好迎著(zhù)上升的燃氣流由口,與砌磚煙道相連接在砌磚煙道上方安裝有鐵皮于爐內呈微負壓,采用取樣泵將氣樣抽取到取樣袋煙囪砌磚煙道內預埋有測溫銅管及取樣管,用來(lái)測內取樣管還起到冷卻作用,500~600℃的出爐燃量燃氣出口溫度和取燃氣樣取樣管布置在煙囪斷氣,到達取樣泵入口時(shí)可降到大氣溫度采用奧氏氣面中心位置處,以保證所取燃氣樣具有代表性為了樣分析儀在常溫下對采樣氣進(jìn)行分析解整個(gè)爐內溫度分布情況,在爐墻的不同高度上布置了測溫孔I中國煤化工2.2供風(fēng)系統CNMHG析本試驗采用空氣作為氣化劑鼓風(fēng)機采用一臺每次試驗都要從冷爐啟動(dòng),所以在氣化前需要出口靜壓為88.26kPa羅茨鼓風(fēng)機經(jīng)過(guò)過(guò)濾的空段時(shí)間點(diǎn)爐升溫,使爐膛達到適宜氣化的高溫狀同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第34卷態(tài)在氣化過(guò)程中,灰渣的排除和投料量的調節是兩氣作為氣化劑故采用前兩種方法來(lái)調節爐內溫度個(gè)特別重要的環(huán)節灰渣的排除采用人工方法來(lái)實(shí)加入物料后,將熱電偶插人各測點(diǎn)測量爐膛溫度,每現,具體排渣量和排渣時(shí)間視試驗具體情況而定.灰5-10min作一次溫度記錄.在氣化穩定時(shí),溫度記渣層過(guò)厚,將增加上升的氣化劑所受的阻力;反之,錄的時(shí)間間隔可適當減少,測定記錄爐膛溫度并進(jìn)氣化爐的熱容量過(guò)低,爐膛內溫度達不到氣化要求.行燃氣采樣試驗中,一般控制在20-300mm左右氣化爐操3.1氣化結果作過(guò)程中,控制溫度的方法有改變投料量、調節空氣實(shí)驗測試的物料元素分析見(jiàn)表1產(chǎn)氣成分及及調節蒸氣量三種在本試驗過(guò)程中,由于只用空其氣化指標見(jiàn)表2表1元素分析(質(zhì)量分數)Tab 1 Analysis of elements(rate of mass)質(zhì)量分數/9物料共計木塊45.6619.9925.770.1649.381)A為灰分表2產(chǎn)氣成分Tab 2 Components of gas質(zhì)量分數/%值/氣化效產(chǎn)氣率/物料木塊11.900.601.9015.802.907.5059.404508.8729296垃圾14.3070,901780.322.360.642.6710.982.1062.793420.964.603.2氣化計算結果分別見(jiàn)表3圖2計算中帶出物損失忽略不計采用實(shí)際數據計算法進(jìn)行氣化過(guò)程的計算以由表3可以看出,以100kg燃料為基準,計算所得谷殼為例,其物料平衡熱量平衡以及氣化指標計算的輸入與輸出的物料相差789kg表3元素物料平衡表(100kg燃料)Tab 3 Material balance of elements (100 kg fuel質(zhì)量分數/%項目A共計谷殼1.88輸人空氣中水蒸氣0.503.9954.7037.606.3498.9182.080.0914.37339.40燃氣182.07輸出燃氣中水蒸氣3.9231.3435.2615.9914.37347.2733氣化過(guò)程的影響因素另外,空氣的分布亦對氣化質(zhì)量有影響,如果布331空氣流量及分布的影響風(fēng)不均勻,將使得同一截面不同位置的氣化速度不空氣流量對氣化質(zhì)量有很大的影響.實(shí)驗表明,致,進(jìn)而影響氣化質(zhì)量本實(shí)驗中采用分布板來(lái)調空氣量過(guò)大時(shí),氧化層增厚爐內溫度下降O2增節空氣氣流的分布在冷床試驗中通過(guò)測定爐內各加,CO減少,氣化質(zhì)量降低;反之,空氣量不足時(shí),測中國煤化工最佳布置位置以獲得氧化層變薄,反應不完全,氣化效率降低因此,為了較CNMHG質(zhì)量嚴格控制空氣流量,實(shí)驗采用轉子流量計和孔板流3.3.2物料層的影響量計計量、調節空氣旁通的方式由于加料口設在爐膛左側,物料在爐排上分布第2期魏敦崧,等:生物質(zhì)固定床氣化試驗研究257很容易不均勻,因而在加料過(guò)程中,用釬子撥平物徑小,其熱阻力也小,氣化爐內的溫度分布也就越均料,以減少料層分布不均勻的影響勻,氣化結果好水分的影響主要體現在兩個(gè)方面爐內氣化層包括氧化層和還原層,從氣化穩定方面蒸發(fā)需要消耗氣化過(guò)程中燃燒反應所放出的熱后測試的不同料層高度處的溫度分布曲線(xiàn)圖(見(jiàn)圖量;另一方面由于水是一種氣化劑能與C發(fā)生水煤3)上,可推斷出各料層的大致位置此試驗的點(diǎn)火時(shí)氣反應生成和CO2,進(jìn)而提高氣化氣的質(zhì)量間為下午2:30,點(diǎn)火23min后,750~900mm為氧0.849Q4)7.60%(Q)化區,氧化層厚度約為150mm,溫度約為850℃;05296)0.409%(Q900-1150mm為還原區,還原層厚度為250mm,溫度為500~900℃;1150mm以上是預熱區,物料加到1500mm處,預熱層厚大約為350mm.開(kāi)始14%6(Q)時(shí)灰渣層很薄,可以忽略隨著(zhù)氣化反應的進(jìn)行,灰5%(Q3)渣層加厚氧化層、還原層上移,氣化層相對厚度減小,點(diǎn)火后65min左右,在料層高約900mm處才輸入熱量輸出熱量進(jìn)入氧化區,此時(shí)溫度為850℃.Q-燃料熱值Q3干煤氣熱值3.3.3氣化物料性質(zhì)的影響燃料物理熱千氣物理熱干空氣物理熱Q一煤氣中水蒸氣物理熱物料粒度大小、總表面積及其含水量等對于燃料Q空氣中水蒸氣物理熱灰渣化學(xué)熱Q,一灰渣物理熱層中的氣化過(guò)程均具有很大的影響物料粒徑越小,Q10爐墻散熱等損失數烈,其總表面越大,熱交換和擴散過(guò)程就進(jìn)行得越激圖2熱量平衡圖使整個(gè)氣化過(guò)程進(jìn)行得越激烈和越完全并且物料粒Fig 2 Heat balance50點(diǎn)火后23min點(diǎn)火后65min點(diǎn)火后28min火后35m點(diǎn)火后55min點(diǎn)火后86min7008009001000110012000011001200高度/mm圖3不同時(shí)刻爐內溫度隨料層高度的分布曲線(xiàn)Fig 3 Distribution temp. curves along material height in various hours3.3.4出爐溫度的影響4.1.1假設出爐燃氣溫度是燃氣質(zhì)量的重要指標之一,又是在不造成失真的條件下,為便于建立模型特作爐內氣化情況特別是爐內各層次正常與否的重要標以下假設與簡(jiǎn)化:①爐內氣固兩相都呈活塞流,反志一般出爐溫度在500-600℃之間屬于正常狀況,應器徑向的非均一性可忽略按一維問(wèn)題處理;②并且在正常狀況下,爐內溫度分布越均勻,產(chǎn)出的燃反應器內壓力視為常數;③處于穩定氣化狀態(tài),爐氣質(zhì)量也越好這是因為均勻的溫度分布阻止了燒內各種參數不隨時(shí)間而變化;④由于徑向擴散遠遠穿、偏爐等情況的發(fā)生,從而使得氣化反應穩定大于軸向擴散,且爐內對流傳熱遠遠大于輻射傳熱,生物質(zhì)固定床氣化的數學(xué)模型故忽略軸向擴散以及輻射傳熱4.1.2基本方程及其邊界條件4.1模型的建立中國煤化工的不同,把整個(gè)氣為進(jìn)一步從理論上探討氣化爐內部的反應過(guò)化過(guò)CNMHG餾層氣化層灰程本文建立了一維非均相穩態(tài)數學(xué)模型對氣化過(guò)渣層因氣化層對于整個(gè)氣化過(guò)程十分重要,在此對程進(jìn)行模擬,并與實(shí)驗結果進(jìn)行比較其進(jìn)行較詳細的分析,而干燥干餾層和灰渣層內過(guò)同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第34卷程比較簡(jiǎn)單分別對這兩層作整體處理根據以上假m-3;Aw為單位床層體積器壁內側面積,m2定,建立反應器的數學(xué)模型,如圖4所示邊界條件:在氣化層底部z=L1處,Tg(L1)=物料煤氣T1g,Cg(L1)=C1g;在氣化層頂部z=L2處,TI:+dT, TR+dTg4.1.3灰渣層和千燥、干餾層的計算灰渣層中,認為空氣只與灰渣發(fā)生熱交換而不z+dz發(fā)生任何化學(xué)反應,通過(guò)灰渣層后,空氣量不發(fā)生變化把整個(gè)灰渣層作為研究對象,氣固相傳熱Q應等于固相熱容的減少QLyQg=KF△TQs=cpM(TIs- Tos圖4氣化爐控制體△T=0.5[(T1-T1g)+(Tos-Tog)](7)Fig 4 Control body of gasifier式(5)~(7)中:K為氣固相傳熱系數kJm-2在氣化層內取微元段dz,建立物料及熱量平衡s-1K-1;F為氣固相間傳熱面積,m2;△T為氣固微分方程式相平均溫差K;c為灰渣比熱kJkg-1.K-;M為(1)灰渣質(zhì)量流量kg·s1;Tg,Tg為氣相在灰渣層底d部和頂部的溫度,K;To,T13為固相在灰渣層底部dC=∑ARA(2)和頂部的溫度,K在干燥層和干餾層中,假設物料失去全部的水=-∑Rg·△H分和揮發(fā)分,即進(jìn)入氣化層的焦只含有灰分和固定碳,這樣就可由投料量計算氣化層頂部碳的摩爾流hS(T。-Tg)+UA(Tw-Tg)(3)量干餾燃氣的組分可以按照通常的熱解模型進(jìn)行dT計算(41.假設氣化層所產(chǎn)生的氣體在干餾干燥層不CAm.CpA+分Cm)d2=參與反應,則氣化總燃氣量即為干餾氣和氣化層所產(chǎn)生氣體量之和∑R4·△H+hS2(T。-Tg)(4)4.2模型結果與實(shí)測數據的分析式(1)~(4)中:Rk為反應的總床層表觀(guān)速率,mol用上述建立的數學(xué)模型,以谷殼作燃料為例進(jìn)s1m-3;Rk3為反應在固相中的表觀(guān)速率,mols-1行計算得到爐子出口處的燃氣成分與熱值(見(jiàn)表m-3;Rg為反應在氣相中的表觀(guān)速率,mol,s-1.4)燃氣中O2,OO2,H2和CO各組分隨氣化爐高度m-3;Cg為氣相組分的摩爾流量,mls-2m-3;Aa的分布見(jiàn)圖5.從圖5看出,氣化層內隨著(zhù)氧化反應為組分i在反應k中的計量系數,生成物取正,反應物取負;z為反應器的軸向距離,m;C為固相組分的摩爾流量,ms-1.m-2;A為組分j在反應中的計量系數,生成物取正,反應物取負;c為氣相組分i的恒壓摩爾熱容,數值參考手冊數據選取,kJmol-1.K-1;cm為固相組分j的恒壓摩爾熱容,數獻爾40值參考手冊數據選取,kJmo-1K-1;CAm為灰的質(zhì)量流量,kgm-3.s-1;cpA為灰的恒壓質(zhì)量熱容,數值參考手冊數據,取0.934kJmo-1.K-1;△Hk為化學(xué)反應的反應焓, kJ. mol-1;h為氣固相間傳熱中國煤化工離/m系數,kJm-2.s-1.K-1;U為器壁總傳熱系數,kJCNMH度的變化曲線(xiàn)K;T。為器壁外側溫度K;S。為床層比表面積m-2s-1.K-1;T為氣相溫度,K;Ts為固相溫度Fig 5 Variation curve of components ofwith hearths height第2期魏敦崧,等:生物質(zhì)固定床氣化試驗研究表4燃氣成分與熱值Tab 4 Gass ingredients and heat value項目體積分數/%共計熱值/(km3)試驗數據0.642.6710.986.212.1062.79100.03420.00模擬數據13.348.322.4361.76100.4030.56偏差/%100.0的進(jìn)行,OO2的含量增加很快,且有一較明顯的峰之有效的生物質(zhì)處理方法現總結如下值反應初期,由于部分的CO和H2反應,CO2生成(1)試驗利用一小型的氣化試驗爐實(shí)現對生物量逐漸增加隨著(zhù)溫度的提高,由于CO2的還原反質(zhì)(木塊、垃圾和谷殼)的氣化,其中以谷殼氣化為應,使得CO2達到峰值以后的含量有所減少例,試驗所得燃氣熱值約為3500km-3,燃氣中由表4可以看出除試驗氣體中含有氧氣外(這OO體積分數較高,約占12%左右是因為在試驗過(guò)程中,氣化爐頂部密封不夠好而滲(2)從氣化計算結果來(lái)看,物料平衡的總誤差入空氣所致),試驗數據與模擬數據基本吻合在5%左右由于本試驗所采用的氣化爐本身結構按照上述數學(xué)模型進(jìn)行了模擬計算,根據模擬所限,散熱損失較大,平均散熱損失占總熱損失的結果和試驗數據,作出沿軸向的氣相溫度Tg、固相10%.為提高氣化爐的熱效率,必須加強爐子的保溫溫度Ts和實(shí)測溫度的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6.從圖6可以措施看出氣相溫度Tg、固相溫度T和實(shí)測溫度的變化(3)物料層、氣化物料性質(zhì)和出爐溫度等對氣趨勢和大小基本吻合,證明了所建的數學(xué)模型基本化都有影響上能反映秸稈固定床氣化的實(shí)際狀況(4)本文建立的數學(xué)模型基本符合氣化爐內的反應過(guò)程,模擬計算得出的結果與實(shí)際試驗測試的1000實(shí)測溫度數據基本吻合參考文獻:[1]邱鐘明,陳礪.生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現狀及發(fā)展前景[]可再生能源,2002(4):1600800900100011001200QIU Zhongming, CHEN Li Progress and prospect of biomassz, mmgasification[J]. 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