生物質(zhì)氣化特性的實(shí)驗研究

第23卷第6期電站系統工程VolL.23 No.62007年11月Power System Engineering12文章編號: 1005-006X(2007)06-0012-04生物質(zhì)氣化特性的實(shí)驗研究*李延吉'李潤東'李?lèi)?ài)民’馮磊'姚偉'( 1.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院清潔能源遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗室，2.大連理工大學(xué)動(dòng)力工程系)摘要: 在小型固定氣化爐和中型氣化爐內對典型生物質(zhì)進(jìn)行氣化實(shí)驗，分別采用空氣、氧氣及水蒸氣作為氣化介質(zhì)。實(shí)驗分析了物料、氣化溫度、氣化劑及氣化劑流量等影喻因素發(fā)生變化時(shí)對氣化產(chǎn)氣特性的影響。研究表明，物料含可燃質(zhì)高時(shí)，產(chǎn)氣品位也好:隨著(zhù)氣化溫度的升高，產(chǎn)氣中可燃氣含量增加;空氣作氣化劑時(shí)產(chǎn)氣的熱值低于氧氣作氣化劑時(shí)的產(chǎn)氣熱值;氣化劑的流量發(fā)生變化時(shí)，氣化產(chǎn)氣成分也相應改變。關(guān)鍵詞:生物質(zhì):氣化;產(chǎn)氣特性中圖分類(lèi)號: TK16文獻標識碼: AExperimental Study on Characteristic of Biomass GasificationLI Yan-ji, LI Run-dong, LI Ai-min, et al.Abstract: Typical biomass gasification in pilot fixed and suffer type gasifier is studied using the air and oxygen andsteam as gasification medium respectively. When the factors, such as the material, gasification temperature, gasificationmedium and the flux of the gasification medium are changed, the infection to the gasifcation charaterstic is analyzed.The experimental results indicate when the flammable component in the material is high, the gas quality is good. Whenthe gasification temperature is increased, the fammable component in the gas is increased. The calorific power is lowerwhen using air as the gasification medium. When the fux of the gasification medium is changed, the gas component ischanged correspondingly.Key words: biomass; gasification; performance of production氣化是在氣化介質(zhì)的參與下，通過(guò)部分氧化或還原反應一3將有機原料轉化成為載能氣體的過(guò)程，它可以對廢物進(jìn)行分解破壞，實(shí)現快速、顯著(zhù)減容的同時(shí)可以實(shí)現資源化利用?？缮镔|(zhì)氣化技術(shù)作為-項可再生能源利用技術(shù),引起了國內外學(xué)者的普遍重視。本文實(shí)驗基于自行設計的小型固定氣化爐和中型氣化爐(移動(dòng)床),實(shí)驗用物料中混有生物質(zhì)、紙張、廢輪胎、橡膠等多種物料，為了研究與煤混合使用的效11果，也加入部分煤.影響有機固體廢棄物氣化特性的因素眾多，如爐型、氣化溫度、氣化劑、物料以及氣化劑/物料等，圖1生物質(zhì)固定床 氣化實(shí)驗系統圖把每種因素做詳細分析是不現實(shí)的。本實(shí)驗目的就是以不同1.物料2.固定床3.采樣裝置4煙邋5.電控裝置6.流量計7.減壓閥的混合物料在不同的氣化劑、氣化溫度、氣化劑流量條件下8.氧氣瓶9.導線(xiàn)10.熱電偶11.支架對氣化產(chǎn)氣組分的變化進(jìn)行實(shí)驗性研究，從而得到規律性結論與數據，可供實(shí)際工程應用參考1-5。1實(shí)驗實(shí)驗采用小型固定床批量實(shí)驗(見(jiàn)圖1)和中型規模移動(dòng)床連續式氣化實(shí)驗(見(jiàn)圖2).氣體分析儀器使用島津公司生產(chǎn)的GC-14B 氣相色譜1儀。其工作條件為:熱導檢測器(TCD)，載氣為熱導率較ie高的He氣，固定相為碳分子篩，流量為20 mU/min,初溫為130C,終溫180C,升溫速率5C/min,橋流為60mA,圖2生物質(zhì)中型移動(dòng)床連續氣化實(shí)驗 系統裝置圖TCD溫度為180 C,檢測器溫度為180 C.1.風(fēng)機2.閥門(mén)3.臧壓閥4.流量計5.氣化爐6.料斗7.絞龍收稿日期: 200704178.煙邋9.導線(xiàn)10熱電偶 11.集氣袋12.燃燒器13.引|風(fēng)機李延吉(1974-).男，碩土，講師。沈陽(yáng)，11003414.煙道15.煙道分析儀16.二次焚燒室17.電控箱18.電子秤*國家自然科學(xué)基金資助項目(50606028);遼寧省教育廳計劃項目19蒸汽發(fā)生器20.氧氣瓶(0SL323);學(xué)院自選課題(200614Y)第6期李延吉等:生物質(zhì)氣化特性的實(shí)驗研究13實(shí)驗選用典型有機生物質(zhì)組分，其具體成分分析結果見(jiàn)2.2氣化溫度對氣化特性的影響表1,混合物料組成見(jiàn)表2.氣化反應活性可以定義如下，見(jiàn)式(1);表1部分物料的工 業(yè)分析和元素分析Rma=Wxa(1)My'% V2w% Aw% FCW% Qx/MJ.kg稠殼17.18 38.98 17.38 26 4616.02式中: Rmx-氣化反應活性，g/gmin; Wo一樣 品最初質(zhì)廢紙4.11 22.47 66.39 7.035.29 75.01 2.06 17.6413.91量，g; dW/dt- - 最大質(zhì)量損失率，g/min.干樹(shù)枝20.06 63.15 10.09 6.7013.56氣化溫度是一個(gè)重要的參數,因為溫度的高低-方面影樹(shù)枝7.700 77.62 13.93 0.7508.47響物料的反應速率，同時(shí)對一些吸放熱的可逆反應也能起到果皮10.40 69.60 17.20 2.8007.29稻稈28.08 36.05 1054 25 3314.68- -定的控制作用，從而可以改變最終產(chǎn)物的分布。在整個(gè)氣20.80 50.52 9.41 19273.76輪胎0.99 62.49 17.44 19.0830.0化反應中，氣化層中的燃燒速度較快,同時(shí)干餾速度也比還剪料3898.000.3014244.15原反應的速度要快，所以整個(gè)氣化反應的速度瓶頸在還原層表2混合 物料的物料質(zhì)量配比(%)中的反應速度，因此CO2還原成Co的量，主要取決于還原和殼紙居樹(shù)葉萬(wàn)草內胎木屑橡膠煤層的化學(xué)反應速度。因為反應C+C02-2C0-162 kJ/mol 是物料A的成分12.915.817.524.829.0-一個(gè)明顯的吸熱過(guò)程，所以升高反應溫度有利于CO2的還物料B的成分9.0058.0 33.0原，有利于制得含CO更多的煤氣;同時(shí)溫度的升高，將促物料C的成分6.30413 10.6 41.8進(jìn)氣化過(guò)程中產(chǎn)生的焦油在高溫下發(fā)生裂解反應，生成小分2實(shí)驗結果分析子氣體。氣化溫度的升高，會(huì )導致物料表面產(chǎn)生更多能量大于氣化反應所需活化能的碳分子,這些碳分子將和氣相的其2.1不同物料的產(chǎn)氣特性它生成物發(fā)生更激烈的碰撞，從而加大氣化反應的速事，同.物料的反應活性、熱穩定性、粒度等物理及化學(xué)特性也時(shí)溫度的升高也會(huì )加快物料中心水分及揮發(fā)分的析出,導致將直接影響產(chǎn)氣組分。對固定床來(lái)說(shuō)，水分進(jìn)入爐膛內，一物料破碎而增加了參加氣化反應的物料的表面積，提高了產(chǎn)部分會(huì )發(fā)生氣化反應，另一部分會(huì )干燥蒸發(fā),蒸發(fā)的水分冷氣率。從表4可以看出,溫度增加，氣化反應活性增加,有卻后將會(huì )產(chǎn)生廢液:干餾后的物料中的主要成分是固定碳，利于氣化反應的進(jìn)行。其結構多樣，可能是致密的，也可能是輕質(zhì)多孔狀的，其與表4反應活性隨氣化溫度變化趨勢H2O、H2和CO2的活性不一樣，這與物料性質(zhì)、壓力以及反溫度S00C600C700C800C應溫度有關(guān)(4-6。反應活性g(gmin 0.042 0.062 0.085 0.093表3不同物料在不同工況下氣化產(chǎn)氣組分變化隨氣化溫度的升高，氣化燃料中- -氧化碳和氫氣的含量氣化溫度500 c. O,流量為0.1 m'h(%)增加，也有利于甲烷的生成反應發(fā)生，使得產(chǎn)氣中可燃氣組物料CoHCO2其他分增加，燃料的熱值升高。從圖3中可以看出，隨者溫度的8.769.114.2622.8 5.0726.1318.524.3132.44 18.61升高，CO的含量由41.57%升高到43.52%, H2 由21.19%升氣化溫度750C、空氣流蟹為3mh (%)到23.26%.焦碳燃燒過(guò)程中，由于擴散阻力增加，隨著(zhù)反COCHLH2_CO2其他_應溫度的變化，活化能也跟著(zhù)變化41.當溫度高于700 C以15016468623 0810. 5853501823上時(shí)，氣相擴散率就控制著(zhù)動(dòng)力反應，因此CO2應該緩慢增22.365.5101 18025.02 45.93加，但由于溫度提高，使得反應速率增加更快，所以共同作從表3可以看出，果皮氣化生成的CO高達58.76%，用的結果是CO2有所下降。而CH氣體有所下降是因為甲而樹(shù)枝的僅為26.13%; CO2的變化也很大;甲烷氣體也不烷化反應減弱，導致濃度有所下降，但對產(chǎn)氣熱值來(lái)說(shuō)略有盡相同，由于加入反應的水非常少,可以認為甲烷生成主要增加;這都說(shuō)明了氣化溫度的提高使得碳的轉化率提高，氣是從熱解得到的";熱解過(guò)程中生成的H2含量都比較高，化反應速度加快，氣化過(guò)程得到強化[7~9].而兩種物質(zhì)氣化反應生成的H2的含量都少于5%,這可能是2.3氣化劑流量對氣化特性的影響由于生成的H2與O2反應生成水分而蒸發(fā):從生成的可燃氣氣化劑流量不同將影響到參與反應的氣化劑的濃度而(僅指co、CH4、H2)比例來(lái)看，果皮(72.13%) >樹(shù)枝影響到CO2的還原率，直接影響產(chǎn)氣組分。氧氣流量發(fā)生變(48.96%)，果皮的效果好于樹(shù)枝?；?，也會(huì )引起0O/物料比的變化。流量增加會(huì )增強氣化層同時(shí)可以看出，3種混合物料產(chǎn)氣成分差別不大，特別底部燃燒反應，氣化爐溫度水平提高:然而也應看到，由于是對CO氣體,相對來(lái)說(shuō)，CO2 氣體變化要大一些，混合物氧氣供應量的增加，燃燒反應加劇，揮發(fā)份釋放的Co和料C的CO2氣體含量相對要高-一些，可見(jiàn)在此狀態(tài)下,混H2以及CH4可能與過(guò)剩的O2反應燃燒掉了:氧氣流量的增合物料C的氣化活性相對差-一些;物料B的H2含量相對很加會(huì )使碳燃燒轉化成CO2的量增加，結果一方面給CO2氣高，說(shuō)明在此溫度下產(chǎn)物中發(fā)生的二次反應程度要深一一些，體還原反應提高了反應物的濃度，增加了CO2還原反應的機結果使得H/CO的值提高，必然提高產(chǎn)氣質(zhì)量:而物料A、會(huì )，減少了CO2的量，但另一方面也可能導致沒(méi)有來(lái)得及參B的CH4含量都要比物料C的要高一些，也說(shuō)明物料A、B加還原反應的CO2氣體份額增加，所以最終生成的氣體中的氣化效果優(yōu)于物料C.CO2的含量是這兩方面綜合作用的結果問(wèn)。一14電站系統工程2007年第23卷隨著(zhù)氧氣流量的增加，Co的含量逐漸增加，但效果不從圖4可以看出，當氧氣的流量從1 m/h變化到6 m/h太顯著(zhù)，這說(shuō)明雖然氧氣濃度增加了,生成的CO2必然增多，時(shí)，Co從30.58%變化到36.94%,而CO2也從20.91%增加但CO2還原反應的化學(xué)反應速度不是很大,效果不理想?？傻?7.59%，說(shuō)明隨著(zhù)氧氣的增加導致參加燃燒反應的氧以以看出H2氣體含量變化明顯降低，從0.1 m'/h時(shí)的11.24%及碳也將增加，必然產(chǎn)生更多的CO2,這使得參加還原反應變化到0.4 m'/h時(shí)的7.05%， 這可能是由于過(guò)剩的氧氣與的CO2濃度增加，提高了其還原率; CH,氣體的含量有所降H2發(fā)生了反應: CH4氣體的變化趨勢基本上變化很小?？偟牡? H2的含量基本保持不變，但這些變化并不能保證CH4來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)流量增加，燃燒加劇，溫度可能提高，根據氣化和H2對氧氣流量增加沒(méi)有反應，如果氧氣量增加太多，勢原理可知，甲烷生成減弱，而重整反應會(huì )加強,所以趨勢應必將增加過(guò)剩氧氣與CO、CH4、H的反應機會(huì )。隨氧氣流該是降低的。量的增加，產(chǎn)氣的熱值有一一個(gè)最大值，說(shuō)明增加氧氣流量必從表5中可以發(fā)現，隨著(zhù)氧氣流量的增加，氣化反應活須綜合考慮，力求尋找最優(yōu)流量0.11。性提高，而可燃氣組分和氣體熱值的變化不是十分明顯。2.4不同氣化劑對氣化產(chǎn)氣特性的影響表S 600C時(shí)不同氧e氣流量下樹(shù)枝的氣化產(chǎn)氣組分及熱值由于空氣中的N2參入必將影響各組分的含量，從而影氧氣流量O/mh0.10.2 0.3 0.4響到產(chǎn)氣的質(zhì)量，使用O2做氣化劑可提高產(chǎn)氣中可燃成分反應活性g. (g min)"0.042 0.062 0.064 0.089的含量，同時(shí)在溫度高于8S0 C下通入水蒸氣參與反應的氣體組分1%69 7068熱值MJ. Nm11.010.561.1510.85話(huà)，可使產(chǎn)氣效果更顯著(zhù)。50卜10 HC8500900C1coCH4CO2omenCO02othricomponent圖3氣化劑為氧氣+水蒸氣,氧氣流量為3m'h,水蒸氣流圖5 800C, 氣化劑分別為空氣和氧氣，量為53 g/min時(shí)物料A在不同溫度下的氣化產(chǎn)氣組分變化流量為3 m/h下物料A的產(chǎn)氣組分10,H,0- CHt - othersflow tate (m'th)20CHeHIhen圖6900 C，氣化劑分別為氧氣和氧e +水蒸氣,流量為3 m'/h下物料A的產(chǎn)氣組分從圖5可見(jiàn)，氧氣做氣化介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)氣熱值要明顯高過(guò)空氣做氣化介質(zhì)的熱值，CO的含量明顯增多，這可能是由于參與燃燒的氧氣量增加，從而使得參與還原反應CO2氣體濃度增加，提高了CO的含量，同時(shí)也增加了CO2的含量:CH4氣體的含量有所下降，原因可能是由于部分與過(guò)剩的O2發(fā)生燃燒反應，同時(shí)N2的加入稀釋了其濃度，最后影響Flow rate of oxygon (m'M)產(chǎn)氣熱值.圖4物料A在850C氧氣流量分別為1. 3. 6 m'h時(shí)產(chǎn)氣組分從圖6中可以明顯發(fā)現氣化介質(zhì)為氧氣(下轉第24頁(yè))24電站系統工程2007年第23卷機葉輪車(chē)削、葉型改進(jìn)等，使泵或風(fēng)機在高效區運行。6結論4.3大型電動(dòng)機調速或變頻技術(shù)應用的研究因設計選型容量偏大,加之變工況運行,造成能耗升高，通過(guò)分析國華電力俄制機組經(jīng)濟性方面存在的問(wèn)題，通變速運行是實(shí)現動(dòng)力設備節能潛力的措施。變速設備有雙速過(guò)加強節能管理，技術(shù)經(jīng)濟指標管理體系分析，優(yōu)化運行，電機、液力偶合器調速、變頻調速等，其中變頻調速容量可強化設備治理，提高檢修質(zhì)量，加強燃料管理，進(jìn)行技術(shù)改滿(mǎn)足電站所有容量的需要，優(yōu)先選用.經(jīng)測算俄制機組降低造，俄制機組經(jīng)濟性一定能夠得到進(jìn)一步提高,預測到2010年盤(pán)山公司和綏中公司供電煤耗率分別能夠達到321和324廠(chǎng)用電率潛力為0.5%~1.0%.gkW.h,將為實(shí)現國華電力的節能規劃目標(318 g/kW.h)5充分認識煤質(zhì)對機組經(jīng)濟運行的影響做出貢獻。充分認識煤質(zhì)對機組經(jīng)濟性的影響.例如入廠(chǎng)與入爐煤參考文獻發(fā)熱量差值、入廠(chǎng)與入爐煤水分差值、煤量的計量、煤的發(fā)[1] 西安熱工研究院有限責任公司，北京國華電力技術(shù)研究中心有限熱量和揮發(fā)分等。煤質(zhì)影響鍋爐效率、制粉系統的單耗、輔公司.國華電力發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟指針評價(jià)研究報告[R].2006.助設備單耗等。目前存在的問(wèn)題是入廠(chǎng)與入爐煤水分差值過(guò)編輯:巨川大，入爐煤高于入廠(chǎng)煤，主要是輸煤廊道除塵所致。(上接第14頁(yè)) +水蒸氣時(shí)，氣化產(chǎn)氣熱值明顯高過(guò)氧氣做氣體; CH4氣體有所降低，原因是甲烷化反應能力減弱，導氣化介質(zhì)時(shí)的產(chǎn)氣熱值，CO、 CH4、 H2 三種氣體的含量要致最后產(chǎn)氣的熱值增減緩慢。C比氣化介質(zhì)為氧氣時(shí)對應成分高很多，特別是H2的含量從8.31%提高到23.26%，CH從9.32%提高到16.68%, CO也從34.61%提高到43.52;產(chǎn)生這種現象的主要原因是發(fā)生了([1]蘇學(xué)泳, 王智微，程從明，等.生物質(zhì)在流化床中的熱解和氣化研生成水煤氣(粗煤氣)的反應:究[J].燃料化學(xué)學(xué)報, 2000, 28(4): 298- -305.C+H20→CO+H2(2)2] 李延吉，李?lèi)?ài)民李潤東等基于灰色關(guān)聯(lián)度和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )研C+2H,0→CO, +2H2(3)究生物質(zhì)熱解產(chǎn)氣待性[J.太陽(yáng)能學(xué)報，2003, 246); 776- -780.同時(shí)一些碳氫化合物也會(huì )參與反應，如:3] Wurzel T, Malcus s, a1 al. Reacting egineeing invsigaions ofCO2refoming in a fuidizod-bed rector [n] Chem. Eng Sci, 2000, 55(18):C,H, + 2H2O→2CO+ 3H,4)3955~3966.這些反應作用的共同結果使得產(chǎn)氣中可燃氣成分如4] 吳創(chuàng )之，股秀麗，等生物質(zhì)富氧氣化特性的研究0.太陽(yáng)能學(xué)報CO、CH4、 H2 等含量增多，特別是H2的含量增加的效果最1997, 18(3); 237~242.明顯，說(shuō)明水蒸氣是很重要的氣化介質(zhì)，通常水蒸氣包括了I5] Ng K L Chadwick D. Toselad B A, a al. Kinetis and modeling of物料中的水分以及外部加入系統的水蒸氣,其作用結果是除dim etyl ether synhesis from synthesis gas 小Chem. Eng Sci,了可以提高碳的轉化率外，還可以有效地調節產(chǎn)氣組分21。1999, 54(5): 3587~3592.6] R VPindoria Comparison of the prolysis and gasifcaion ofiomass:3結語(yǔ)effet of reacting rs atmnosphere and pressure on eucalypus wood凹Fuel, 1998, 7:247~-1251.(1) 通常情況下，含有可燃物成分高的物料所產(chǎn)生的燃[7] Tum s, Kinoshia C, Zhang z, et al. An experinental ivestigtion of氣熱值相應較高。lydrogen production from biomass gasication仍Imt J. HydrogenEnery, 1998,8: 641~648.(2)空氣做氣化劑時(shí)， 產(chǎn)氣中可燃氣的含量普遍低，原[8] 張濟字,等福建無(wú)煙粉煤催化氣化[U燃料化學(xué)學(xué)報999,9 27因是N2的加入稀釋了可燃氣的濃度:與空氣相比使用氧氣(6): 238~244.做氣化劑，可明顯提高產(chǎn)氣質(zhì)量，但CO2的濃度也會(huì )增大;9] 楊松華，等加熱速度對煤的氣化反應性的影響刀東北大學(xué)學(xué)報,實(shí)驗系統中加入水蒸氣后，CO、CH4、H2的含量明顯增加,1998, 19(2):128~130.熱值也相應有很大的提高:而且與氧氣做氣化劑相比，H2[10] M Kumar, R C Gupa Inluence of carbonization conditions om the含量提高的更多，這是由于發(fā)生了粗煤氣反應的結果。gasification of acacia and cucalyptus wood chars by carbon dioxide貝Fuel, 1994. 73: 1922~1930.(3)當氧氣流量增加時(shí)， Co的含量增加，產(chǎn)氣熱值應11] Wu Jianzhi. Performance analysis of a biomass circulation fuidizad存在- -最大值.bed gaifir [小] Biomass and Biocnergy. 1992, 32);105~110.0.(4)隨著(zhù)反應溫度的提高， CO、H2的含量有所增加，.[12] Javier G, Jose C. Biomass gasification in atmospheric and bubbling而CO2的含量有所降低;同時(shí)熱解在氣化中仍占有相當的比f(wàn)luidizd bed: efet of the type of gasifying sgent 明n the product例，溫度的升高有利于熱解中揮發(fā)分的釋放，更會(huì )降低焦油distribution [I]. Biomass snd Bioenergy, 999, 17: 389~403.的生成量，促進(jìn)焦油的二次裂解反應，以生成更多的可燃性編輯:聞?wù)?/p>