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VoL23 No 62007年11月System Engineering文章編號:100506X(2007)060012-04生物質(zhì)氣化特性的實(shí)驗研究李延吉1李潤東1李?lèi)?ài)民2馮磊!姚偉L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響因素發(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 gasification characteristic is analyzedThe experimental results indicate when the flammable component in the material is high, the gas quality is good. Whenthe gasification temperature is increased, the flammable component in the gas is increased. The calorific power is lowerwhen using air as the gasification medium. When the flux 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)現資源化利用生物質(zhì)氣化技術(shù)作為一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煙道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1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11論與數據,可供實(shí)際工程應用參考-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)圖氣體分析儀器使用島津公司生產(chǎn)的GC14B氣相色譜儀。其工作條件為:熱導檢測器(TCD),載氣為熱導率較高的He氣,固定相為碳分子篩,流量為20mL/min,初溫為130℃終溫180℃,升溫速率5℃/min,橋流為60mA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℃,檢測器溫度為180℃中國煤化工化爐6料斗7紋龍收稿日期200704-17CNMHG1煙燒器13引風(fēng)機李延吉(1974-),男,碩士,講師沈陽(yáng),1100344煙道5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05L323)學(xué)院自選課題200614Y19蒸汽發(fā)生器20氧氣瓶第6朋李延吉等:生物質(zhì)氣化特性的實(shí)驗研究實(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)22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narL式中;Rm氣化反應活性, g/g min;形樣品最初質(zhì)廢紙4.l1224766.397.03鋸末52975012061764量,g;dwHd—最大質(zhì)量損失率,gmin干樹(shù)枝200663.1510096.70氣化溫度是一個(gè)重要的參數,因為溫度的高低一方面影樹(shù)枝13930果皮17202800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0510542533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208050.529411927輪胎099624917441908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,主要取決于還原稻殼紙屑樹(shù)葉蒿草內胎木屑橡膠煤層的化學(xué)反應速度。因為反應C+CO2→2CO-162mol物料A的成分129158175248290一個(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90058033物料C的成分63041.310.641.8原,有利于制得含CO更多的煤氣;同時(shí)溫度的升高,將促進(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率,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,導致將直接彩響產(chǎn)氣組分。對固定床來(lái)說(shuō),水分進(jìn)入爐膛內,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600℃70應溫度有關(guān)6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,氣化燃料中一氧化碳和氫氣的含量氣化溫度500℃、O2流量為01m7h(%)增加,也有利于甲烷的生成反應發(fā)生,使得產(chǎn)氣中可燃氣組物料分增加,燃料的熱值升高。從圖3中可以看出,隨著(zhù)溫度的l8524.31186升高,CO的含量由41.57%升高到43.52%,H2由21.19%升氣化溫度750℃、空氣流量為3mh(%)到23.26%焦碳燃燒過(guò)程中,由于擴散阻力增加,隨著(zhù)反CO其他應溫度的變化,活化能也跟著(zhù)變化嗎,當溫度高于700℃以22.5623031058535018234276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5876%用的結果是CO2有所下降,而CH4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,氣是從熱解得到的門(mén);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79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23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、CH、H2)比例來(lái)看,果皮(7213%)>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(4896%),果皮的效果好于樹(shù)枝?；?也會(huì )引起O2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中國煤化工卓了;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些,體還CNMHGCO2還原反應的機結果使得H2CO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CH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CCO2的含量是這兩方面綜合作用的結果岡電站系統工程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1m/h變化到6m3h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3058%變化到3694%,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,可到2759%,說(shuō)明隨著(zhù)氧氣的增加導致參加燃燒反應的氧以看出H2氣體含量變化明顯降低,從0.m3h時(shí)的1124%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04m3h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;CH氣體的變化趨勢基本上變化很小總的低;H2的含量基本保持不變,但這些變化并不能保證CH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、H2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性提高,而可燃氣組分和氣體熱值的變化不是十分明24不同氣化劑對氣化產(chǎn)氣特性的影響表5600℃時(shí)不同氧氣流量下樹(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,從而影氧氣流囊O/m,bT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·(gmn氣體組分的含量,同時(shí)在溫度高于850℃下通入水蒸氣參與反應的熱值/MNm311021056151085話(huà),可使產(chǎn)氣效果更顯著(zhù)900℃圖3氣化劑為氧氣+水蒸氣,氧氣流量為3m/h,水蒸氣流圖5800℃,氣化劑分別為空氣和氯氣量為53gmin時(shí)物料A在不同溫度下的氣化產(chǎn)氣組分變化流量為3m/h下物料A的產(chǎn)氣組分0.+H0CH圖6900℃,氣化劑分別為氧氣和氯氣+水蒸氣流量為3m/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氣體濃度增中國煤化二二增加了CO2的含量由于部分與過(guò)剩的O2發(fā)CNMHG了其濃度,最后影響Flow rate of oxygen(mm)產(chǎn)氣熱值圖4物料A在850℃氧氣流量分別為1、3、6mh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)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43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廠(chǎng)用電率潛力為05%~1.0%年盤(pán)山公司和緩中公司供電煤耗率分別能夠達到321和324gkWh,將為實(shí)現國華電力的節能規劃目標〔318g/Wh)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)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]200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堿弱,導氣化介質(zhì)時(shí)的產(chǎn)氣熱值,CO、CH4、H三種氣體的含量要致最后產(chǎn)氣的熱值增堿緩慢比氣化介質(zhì)為氧氣時(shí)對應成分高很多,特別是H2的含量從831%提高到23.26%,CH4從932%提高到1668%,CO也參考文獻從3461%提高到4352:產(chǎn)生這種現象的主要原因是發(fā)生了)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)的反應究門(mén)燃料化學(xué)學(xué)報,200,2(4)298~305.C+H2O→Co+H2(2)四李延吉,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 )研究生物質(zhì)熱解產(chǎn)氣特性[門(mén)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, ef a, Reacting engineering investigations of Cozreforming in a fluidized-bed reactor [] Chem Eng. Sci, 2000, 55(18)c2H2+2H2O→2C0+3H23955~3966這些反應作用的共同結果使得產(chǎn)氣中可燃氣成分如岡吳創(chuàng )之,殷秀麗,等生物質(zhì)富氧氣化特性的研究門(mén)太陽(yáng)能學(xué)報Co、CH、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] Ng K L, Chadwick D. Toseland B A, ef a! Kinetics 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 ethyl ether synthesis from synthesis gas p]. 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11999,54(15)3587~3592[6] RVPindoria. Comparison of the pyrolysis and gasification of biomass3結語(yǔ)effect of reacting gas atmosphere and pressure on eucalyptus woodFuel,1998,77:1247~1251(1)通常情況下含有可燃物成分高的物料所產(chǎn)生的燃 Tun S, Kinoshita C, Zhang Z, er a. An experimental investigation of氣熱值相應較高。hydrogen production from biomass gasification U]. Int. J. Hydrogen(2)空氣做氣化劑時(shí),產(chǎn)氣中可燃氣的含量普遍低,原ergy,9988:641~648因是N2的加入稀釋了可燃氣的濃度;與空氣相比使用氧氣[8]張濟字,等福建無(wú)煙粉煤催化氣化門(mén)燃料化學(xué)學(xué)報,19,27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[東北大學(xué)學(xué)報實(shí)驗系統中加入水蒸氣后,CO、CH、H2的含量明顯增加98,192):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[ o] M Kumar, R C Gupta Influence of carbonization conditions on 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 eucalyptus wood chars by carbon dioxide [(3)當氧氣流量增加時(shí),CO的含量增加,產(chǎn)氣熱值應FueL,1994.73:1922~1930[11] Wu Jianzhi. Performance analysis of a biomass circulation fluidized存在一最大值gasifier [Jl. Biomass and Bioenergy. 1992, 3(2): 105-1104)隨著(zhù)反應溫度的提高,CO、H2的含量有所增加中國煤化工 mospheric 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ing agent on 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CNMH9917:389~403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:閑彰