下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究

第26卷第1期熱能動(dòng)力程Vol. 26 ,No.12011年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERCY AND POWERJan. ,2011t新能源動(dòng)力技術(shù)}文章編號:1001 -20201)01 -0105 -05下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究金亮,周勁松,吳遠謀,駱仲泱(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,浙江杭州310027)摘要:生物質(zhì)固定床氣化技術(shù)具有運行穩定、可提供清潔1實(shí)驗裝置及測量能源等優(yōu)點(diǎn),但也存在氣化效率差,燃氣熱值低的問(wèn)題。以采用爐膛集中供風(fēng)技術(shù)和還原區熱量包裹技術(shù)的下吸式氣1.1實(shí)驗裝置化爐為研究對象,研究爐膛溫度、空氣當量比(ER)對燃氣成實(shí)驗以空氣為氣化劑，由鼓風(fēng)機鼓入,引風(fēng)機帶分、燃氣熱值、氣化效率等氣化性能的影響,并與以往研究結動(dòng)提供動(dòng)力。氣化爐結構及實(shí)驗系統如圖1和圖2果進(jìn)行對比分析。實(shí)驗表明,該氣化爐能保證在較低ER內所示。實(shí)驗系統包括氣化爐、燃氣凈化系統、溫度測(0.1~0.35),獲得較高的爐膛溫度和還原區溫度,產(chǎn)出的量系統及燃氣采樣檢測系統。燃氣熱值在6.5 MJ/m'以上，氣化效率達到65%,平均氣化效率在55%以上，氣化性能較為理想。原料入口燃氣出口關(guān)鍵詞:生物質(zhì)氣化;下吸式氣化爐;還原區溫度;空氣當量比中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A干燥引言區擋板集中供風(fēng)口在生物質(zhì)熱化學(xué)轉化技術(shù)中,生物質(zhì)氣化技術(shù)氣化劑入口具有能量轉換效率高、操作簡(jiǎn)便、氣化合成氣可進(jìn)一氧化區步液化等特點(diǎn),成為生物質(zhì)能利用的可行途徑。生物質(zhì)氣化技術(shù)按爐型分可分為固定床、氣流床及流還鱖區祖燃氣出口化床等幾種。下吸式氣化爐屬于固定床中的一種,該氣化爐具有結構簡(jiǎn)單、工作穩定性好、出口燃氣焦除灰區排污出口油濃度少等優(yōu)點(diǎn)" ,在農村集中供氣及小型生物質(zhì)除灰口發(fā)電技術(shù)中得到了廣泛的應用，但該爐型也存在氣化效率及燃氣熱值偏低等問(wèn)題。圖1下吸式氣化爐 結構本研究以具有爐膛集中供風(fēng)技術(shù)和還原區熱量包裹技術(shù)特點(diǎn)的下吸式氣化爐為研究對象,采用木氣化爐有效高度1000mm,喉部截面直徑250屑為原料,通過(guò)實(shí)驗分析反應溫度、空氣當量比nm。原料從氣化爐頂供入,空氣通過(guò)外接鼓風(fēng)機由(ER)對燃氣熱值燃氣成分和氣化效率的影響,從集中供風(fēng)口進(jìn)入氧化區與原料發(fā)生氧化反應,粗燃而得到該氣化爐的氣化性能。氣經(jīng)過(guò)擋板初級過(guò)濾,從氣化爐燃氣出口排出。高溫燃氣經(jīng)過(guò)擋板的阻隔,一方面利于熱量傳遞至千收稿日期:2010-02 -25;慘訂 日期:2010-04 -07基金項目:浙江省科技計劃基金資助項目(200801001-2)作者簡(jiǎn)介:金亮(1985 -).男.浙江嘉興人，浙江大學(xué)碩士研究生.●106.熱能動(dòng)力工程2011年燥區加強原料干燥,另-方面部分水 氣、灰分等雜質(zhì)排污 口以悶蓋封閉,停爐時(shí)打開(kāi),清除積聚的污水。經(jīng)阻隔從燃氣中分離,達到初級過(guò)濾作用。運行時(shí)P-溫度顯示器000中-”風(fēng)機切換閥中-8風(fēng)量計氣體流量計. 氣相色譜儀機L●追來(lái)水連中中自來(lái)水出圖2下吸式氣化爐 氣化系統流程氣化爐型設計有3個(gè)特點(diǎn):(1)從干燥區至氧的平均溫度 ,同一截面采集16個(gè)測點(diǎn),如圖3所示，化區采用口徑漸縮的錐形設計。由于傾角在7 ~各點(diǎn)處于各截面的中點(diǎn)，每15 min記錄1次熱電偶10°之間適合原料自動(dòng)下料[2),故此氣化爐傾角為溫度值。9*;(2)還原區為“兩頭小、中間大構型,利于將熱1.3 燃氣成分分析量“包裹"于還原區中部，防止出現“還原死角",以燃氣成分采用北分瑞利分析儀器有限公司產(chǎn)的提高氣化效率及焦油二次裂解效率;(3)氧化區采SP3420A型氣相色譜儀分析。根據已知可燃氣體的用集中供風(fēng)技術(shù)物料在氧化區能集中燃燒創(chuàng )造還熱值 及相應的濃度,得到燃氣熱值。為保證結果可原區高溫、缺氧環(huán)境,利于氣化?？啃?每20 min測量一次,一個(gè)工況下的燃氣熱值氣化爐產(chǎn)出的燃氣通常含有灰分、水分、焦油等為各采樣的平均值。雜質(zhì)，系統采用濕式噴淋和干式凈化兩級過(guò)濾裝置1.4氣化效率計算過(guò)濾燃氣,過(guò)濾后絕大部分雜質(zhì)被除去,凈化后的燃氣化效率η定義為生物質(zhì)燃氣輸出熱量Q和氣能滿(mǎn)足實(shí)驗要求。生物質(zhì)原料輸人熱量Q。之比,計算式為:1.2溫度測量tη=q。-x 100% =V.xOm x 100%0(1)G。xQx.m '式中:η-氣化效率,%;Qi- -燃氣的輸出能量,KJ;910Qo一原料輸人能量,k;Q.-燃氣低位發(fā)熱量,kJ/m' ;G,- _原料重量, kg;Qw.m- -原料低位發(fā)熱量,01| 0268.,03 |ik]/m';V-燃氣產(chǎn)量,是產(chǎn)氣時(shí)間i與燃氣流量q07-的乘積,m'。is,0605i22實(shí)驗方案i4由于爐內反應溫度與空氣當量比(ER)對氣化爐氣化性能有重要影響,所以實(shí)驗主要研究還原區圍3溫度測點(diǎn)截面示意圖溫度及ER變化對燃氣熱值、氣化效率的影響。實(shí)驗在1個(gè)標準大氣壓、20 C環(huán)境下進(jìn)行。爐內布有6根長(cháng)度可調熱電偶，測量爐膛不同2.1實(shí)驗 原料高度及同- -截面不同徑向的溫度。另取- -根熱電偶實(shí)驗以木材加工廠(chǎng)的廢料木屑為原料,木屑平從爐口插人,用以測量燃燒區及下部還原區同一截均長(cháng)度小于5 mm,工業(yè)分析和元素分析如表1面不同點(diǎn)溫度,經(jīng)面積平均后的測量結果作為截面所示。第1期金亮,等:下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究.107●囊1木屬工業(yè)分析與元素分析CH +2H20(g) =CO2 +4H2 -165 kJ(5)C+H,O(g)=CO +H2-131 kJ(6)工業(yè)分析/%元素分析/%C+CO2 =2C0-172 kJ(7)MuAnV_FCuCuHuNu Su O。1Ulg~式(2)和式(3)屬于放熱反應,式(4) ~式(7)11.95 0.85 67.84 14.36 43.69 6.42 0.0732.02 14987屬于吸熱反應。Le chatelier的升溫原理表明[”] ,當溫度升高時(shí),2.2反應溫度影響的實(shí)驗設計反應會(huì )朝著(zhù)吸熱增強的方向進(jìn)行。在生物質(zhì)氣化過(guò)反應溫度是影響氣化反應的重要因素之一-,氣程中,隨溫度上升,反應式(4) ~式(7)會(huì )加強,反應化隨反應溫度的升高呈現4個(gè)階段|-):(1) 150式(2)和式(3)會(huì )減弱,故氣化產(chǎn)氫會(huì )隨著(zhù)溫度上升C左右為生物質(zhì)原料中水分的揮發(fā)階段;(2) 170 ~而加強。Tum等人認為國],隨著(zhù)反應進(jìn)人高溫區，370C為來(lái)自于纖維素及半纖維素輕質(zhì)揮發(fā)分析出焦炭的熱力分解和水蒸氣的重整變得更為容易,更階段;(3) 400 ~700 C為重質(zhì)揮發(fā)分從生物質(zhì)表面多的C和H20以反應式(6)的形式進(jìn)行，H2濃度析出、木質(zhì)素開(kāi)始氣化階段;(4) 800 C以上為半焦升高。同時(shí),雖然溫度升高反應式(2)受到抑制,但發(fā)生分解反應階段。由于反應式(4)、式(6)和式(7)的增強以及多碳氣溫度變化由熱電偶監測,實(shí)驗中將ER維持在體的高溫分解,故CO濃度在650 C后依然有較明0.17左右。待燃氣產(chǎn)出后,通過(guò)測量不同還原區溫顯的上升。度的燃氣熱值及燃氣成分,得到燃氣特性的變化。較低溫度(< 600 C),燃氣中CH4和C.H.主一個(gè)工況需連續穩定運行6 h以上,并重復3次。要來(lái)自于揮發(fā)分的析出,高溫(> 650 C)下CH4和2.3 ER 影響的實(shí)驗設計C,H.會(huì )發(fā)生裂解反應生成小分子燃氣。CH4 的濃ER為生物質(zhì)氣化實(shí)際供給的空氣量與生物質(zhì)度在600 ~ 700 C之間達到最大,為4.68% ;700 C完全燃燒理論所需的空氣量之比']。通過(guò)元素分以后,氣化溫度達到較高水平CH分解,濃度逐步析可計算出木屑完全燃燒需要的空氣量。調節氣化下降。C,H_濃度在310 C達到最大濃度1.31%，爐運行待工況穩定后,還原區溫度基本不變,通過(guò)控隨著(zhù)溫度上升,C.H.發(fā)生熱分解,C.H_濃度逐步制一段時(shí)間內氣化劑流量及原料加人量，保證氣化降低。爐在一定ER下運行,在該時(shí)間段內每15 min測量一次燃氣熱值和燃氣成分、并記錄燃氣產(chǎn)量,測量時(shí)間- -般在1.5h以上,同一工況重復穩定運行3次，取平均數據作為測量結果。3實(shí)驗結果及討論3.1反應溫度對氣化特 性的影響圖4為燃氣體積濃度隨還原區溫度的變化曲00 4000500600700800900還原區溫度/C線(xiàn),在310 ~ 870 C范圍內,隨著(zhù)溫度的升高.N2和CO2在燃氣中的濃度降低,分別從59%和14.5%降團4燃氣體積濃度隨還原區溫度的變化為47%和8.1% ;C0和H2濃度升高,尤其在650 C以后上升明顯,分別從初始濃度的16.1%和8.4%由于實(shí)驗采用空氣作為氣化劑，所以燃氣屬于上升為21.7%和18. 9% ;CH,濃度先上升后降低，低熱值氣體|°。圖5為燃氣熱值隨還原區溫度的變C,H.(包括C,H.、C2H。、C,H、C,Hg)在較低濃度下化曲線(xiàn),隨著(zhù)溫度上升,燃氣熱值呈上升趨勢。由于濃度隨著(zhù)溫度的上升而降低。在650 C之前,CH,、C.H.比高溫( > 650 C)時(shí)多，生物質(zhì)氣化主要發(fā)生6步反應'°]:2C +02 =2C0 +246 kJ(2)雖然濃度不高.但由于熱值較高,所以總體熱值升C+O2 =CO2 +409 kJ(3)高;650 C后,由于高溫氣化條件使COo和H2的濃CH, + HO(g) =CO +3H2 -206 kJ(4)度升高,燃氣熱值繼續升高。熱能動(dòng)力工程2011年0.4范圍內(通常為0.25) ,能獲得較為理想的氣化6500效果1-1)。但本實(shí)驗中, ER在0.16左右時(shí),燃氣6000 t成分較理想(17.0% H2、4. 1% CH4、20. 1% C0、1.。550%C,H、12.6%CO2.45. 2% N2) ,這是由于實(shí)驗中氣化爐采用了利于氣化的特殊構造:-方面,采用了4500氧化區集中供風(fēng)技術(shù),可以保證進(jìn)人爐內的氧氣能4000在氧化區充分燃燒,對提高氧化區溫度有積極作用;500另一方面，還原區采用“包裹”型設計,能有效減少300 400 500600700800900從氧化區傳遞至還原區的熱損失,提高還原區氣化還原區溫度/心強度。因此，雖然處于較低的空氣當量比,但依然能保證較高的反應溫度及氣化強度,從而保證了氣化圖5熱值隨還原區溫度的變化反應的深度。ER對燃氣熱值的影響如圖7所示。由圖可知，3.2 ER對氣化特性的影響圖6中,在0.1 ~0.5范圍內,隨著(zhù)ER的提高,ER在0.1 ~0. 17范圍內時(shí),熱值變化不大約為6. 5可燃氣體的體積濃度呈下降趨勢,N,、CO2濃度明顯MJ/m' ;在ER大于0.17時(shí)，熱值隨ER的提高明顯提高,尤其是N2從46%.上升為59%,ER在0.1 ~下降;ER為0.5時(shí),熱值降低至4 MJ/m'。當ER較小的時(shí)候，爐內是缺氧環(huán)境,物料層(尤其是還原0.16的范圍內時(shí)，H2濃度明顯上升。區)甚至是無(wú)氧的，此時(shí)主要是揮發(fā)分的析出,析出的多碳類(lèi)物質(zhì)對熱值提升有重要貢獻。同時(shí),燃氣0中氮濃度較少,可燃氣成分較多，熱值較高。ER較大時(shí),爐中的物料多半發(fā)生燃燒反應, N2濃度升高的同時(shí),產(chǎn)生了過(guò)多的CO2,破壞了氣化氛圍,影響了燃氣品質(zhì)。100.0.20.3 0.4R5500圖6燃氣體積濃度隨ER的變化5000毅4000可燃氣體濃度隨ER增大而降低,有兩方面的3500原因:第一,ER增大，鼓人爐中的空氣增多,在維持3000燃氣流量不變的情況下,N2在燃氣中比重增加，同0.30.40.5時(shí),更多的02通過(guò)燃燒以CO2的形式存在于燃氣中,使可燃氣體的濃度進(jìn)一步降低;第二,ER 增加擴圖7燃氣熱值隨ER的變化大了爐中氧化燃燒區域,還原區域變小，單位時(shí)間內的氣化強度降低,可燃氣體產(chǎn)出變弱。在原料給入量- -定的情況下,氣化效率主要受ER在0.1 ~0.16范圍內,H2濃度出現了明顯燃氣產(chǎn)量和燃氣熱值的影響。一-般而言,燃氣產(chǎn)量的上升,原因在于較低ER(- -般認為小于0.4)10]隨著(zhù)ER的增加而增大。而熱值與ER基本呈負相下,不完全燃燒的氣化反應占據著(zhù)主導地位,此時(shí)關(guān)特性,因此，氣化效率隨ER的變化存在一個(gè)ER的提高有利于爐內氧化區溫度的上升,對氣化反峰值。應的深度進(jìn)行是有利的,尤其在溫度達到700C以氣化效率隨空氣當量比的變化曲線(xiàn)如圖8所上時(shí)，反應式(6)占主導地位,水蒸氣氣化促進(jìn)了H2示,氣化效率隨著(zhù)ER的提高先增大后降低,當ER在0.3時(shí),氣化效率達到最大,為65%。ER在0.1濃度的升高。已有研究認為空氣氣化中,控制ER在0.2~~0.3時(shí),燃氣量的增加及較高的燃氣熱值使氣化第1期金亮,等:下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究●109●效率升高;ER大于0.3時(shí)，雖然燃氣量很大,但爐內性能呈現最佳狀態(tài)。實(shí)驗中氣化爐采用集中供風(fēng)技氣化氛圍被破壞，燃氣中存在大量N2和CO2,所以術(shù)和還原區熱量包裹技術(shù)后,使氧化區獲得較高溫氣化效率開(kāi)始下降?？傮w而言,ER在0.1~0.35之度,還原區熱損失降低,從而能在較低空氣量供人的間時(shí),氣化效率均在55%以上,表明該氣化爐對不情況下提高氣化效率及燃氣熱值。ER在0.1 ~0.同工況具有良好的適應性,氣化特性處于較高水平。35范圍內,燃氣熱值在5.0 MJ/m'以上,最高達到6.5MJ/m',氣化效率在55%以上,均達到了較高水平。s0參考文獻:5[1]陳冠益,高文學(xué) ,顏蓓蓓,等.生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現狀與發(fā)展50[J].煤氣與熱力,2006, 26(7):20 -26.s5[2]段玉燕 戶(hù)用型生物質(zhì)氣化爐的開(kāi)發(fā)與試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué)2008.0.10.30.5[3] IOANIDOU 0,ZABANIOTOU A. lnveriging the potential forenergy, fuel, materials and chemicals production from com reai-dues (cobe and saiks) by non-atalytie and canalytic prolysis in圖8氣化效率隨 ER的變化two reactor configurations [J]. 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