下吸式氣化爐中稻草氣化特性研究

文章編號: 1016988(2001 )04 0007.040下吸式氣化爐中稻萆氣化特性研究楊亞平(東南大學(xué)熱能工程研究所。南京210018)擒要:以肉種管號時(shí)下吸式空飛發(fā)生爐中稻草的氣化試驗為基礎分析了其氣化特性和生產(chǎn)1.藝特性.關(guān)鍵詞:4草;下吸式氣化妒;燃科特性;灰渣特性:反應溫度中圖分類(lèi)號:TK43+.6" 11文獻標識碼:AStudy of Straw’s Casification Characteristicsin Downdraft Gas GeneratorYANG Ya ping(Southreust [niovrsily, Nanjing 210018, China)Abstract: By the test of gasification straw in 1Wo difrent downdraft gas generators, the gasifnca-:icn characteristics of straw and lechnology features have been analyzd.Key words: straw; downdraft gas generator; fuel characterisrics; slag characteristics; tempera-ture. n reaction region外生物質(zhì)氣化技術(shù)米說(shuō),國內的技術(shù)起點(diǎn)較低.采用1序言的技術(shù)簡(jiǎn)單。最具代表性的足在國內北方地區普遍采用的下吸式空氣發(fā)生爐氣化工藝,因其工藝流程生物質(zhì)是世界第四大能源，它對全世界一次能和系統設備簡(jiǎn)單，投資成本低，操作技術(shù)易掌握，在深的貢獻約占14%.在我國， 生物質(zhì)占一次能源總市場(chǎng)上:具有一定的競爭力.量的33%:是僅次于煤的第二大能源。同時(shí)，我國但是，近年該產(chǎn)品在向南方地區推1”中卻遇到是農在大國.作為農業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品,農作物秸桿是了相當的難度，究其原因主要足稻草的燃料特性和生物質(zhì)資源的重要組成部分，從可持續發(fā)展的角度灰漣特性比較特殊..來(lái)看，稻稈是可再生而且潔凈的能源資源，將在未來(lái)的能源結構中起到重要作用。2稻草的燃料特性和灰渣特性據聯(lián)合國環(huán)境規劉署(UNEP)報道,世界上種植的各種谷物每年可提供秸稈17億t。我國的各類(lèi)稻草及其半焦的燃料特性見(jiàn)表I(分析基):農作物秸稈資源十分豐富，總產(chǎn)量達7億多1，其中稻卓為2.3億占總量的33%之多。表1稻草及其半焦的燃燒特性在我國農村秸稈氣化主要是為了解決廣“大農戶(hù).水分灰分揮發(fā)分周定明HNST0Qea生活燃料的能源問(wèn)題，兼顧環(huán)境保護。因此相對國1%/%/% 1 /% /%1% j19%[/%↓1% (wm用畢.7914.3567.6114.254.337.070. 760.21|34 4193 260.1收姆7期:2001 0803率里: .874.7811.089.27 0.6113.45 0.7|970.9作者覽介:場(chǎng)亞平(1952-).男.削教授、從事熱能工程鐵域科研工但藝發(fā)表學(xué)術(shù)論文20多篇采用熱重法試驗得到的稻草在加熱過(guò)程中的熱試糧研兗:下吸式氣化護中鵬草氣化特性研究重曲線(xiàn)(即TG曲線(xiàn))和微熵熱重曲線(xiàn)(DTG曲線(xiàn))如圖1所示。樣品:草質(zhì)量:1.40g At:2i 12079210-19-98 過(guò)程:湘草C20C -950C) (20C/inX氮) CEn: ALIMTNA溫座/心不/不min)G/%1000 ct2-8且他k .07002.5-3600. 500-40. 400. 3001-10.-60t 20-70 tL-10050r -15.01250175022502750 -90」圖1帽草燃料熱分析測試圖由圖1可見(jiàn)稻草燃料中的揮發(fā)分預熱到200 C左右即開(kāi)始逸出;在330C左右達到最高逸出速率;3氣化特性試驗隨后逸出速率衰減,在400 C左右逸出速率穩定在-個(gè)較低的水平;在480心左右燃料中的揮發(fā)分已生物質(zhì)氣化過(guò)程是生物質(zhì)原料在缺氧狀態(tài)下加有80%左右逸出。在500 C左右逸出速率再次衰熱反應的能量轉換過(guò)程。其原理可概述如下:生物減至一個(gè)很微弱的水平，一直保持至800七左右,在質(zhì)燃料與媒等- -般礦物燃料的工業(yè)分析成分相似，這個(gè)階段的逸出量大約只有2%-3%，基本終止了包括揮發(fā)分、固定碳和灰分三個(gè)部分。但一般揮發(fā)逸出。分含量較多,固定碳相對較少。揮發(fā)分主要由水分、稻草的灰渣特性如表2所示。一氧化碳、二氧化碳、氫、甲烷和一部分焦油組成，其間比例會(huì )隨著(zhù)加熱溫度和加熱速率的不同而不同表2稻草的灰渣特性在氣化過(guò)程中隨著(zhù)燃料被加熱,揮發(fā)分將首先析出，灰中鮮灰中鈉灰中鋁灰變形灰軟化|灰溶化灰流動(dòng)剩余的半焦在空氣供應不足和高溫條件下進(jìn)行燃燒物種:元素元素元肅溫度|溢度詛度溫度氣化反應,生成二氧化碳和一氧化碳空氣煤氣,即由/% ! /%| 1% n/E 42/C t/t t/t揮發(fā)分和氣化反應生成的-氧化碳、氧化碳共同看草0.51 | 0.46 0.094 900 1040 1120 1170 |組成?？諝庵械牡獨馕磪⒓託饣磻?，仍然余留于煤氣之中。在下吸式氣化爐中由于揮發(fā)分將通過(guò)高-般而言，生長(cháng)快的生物質(zhì)燃料其賊土金屬含溫氣化反應層，其中部分焦油將被裂解,生成CH4、量高，尤其是鉀、鈉元素含量高,灰渣溶點(diǎn)低,容易產(chǎn)H2.CO等燃氣成分。生結渣。稻草灰中鉀、鈉雖不高,但是鋁含量也很下吸式氣化妒的結構如圖2所示，其工藝特點(diǎn)低?；抑兴釅A氧化物含量比是決定燒結溫度的一個(gè)是氣化 與固體順向流動(dòng),物料由上部?jì)α蟼}向下移主要因素，AL2Oz有抑制燒結產(chǎn)生的作用，由表中分動(dòng),在爐內傳來(lái)的熱量作用下邊移動(dòng)邊進(jìn)行干燥與析數據和以下試驗情況證明稻草的灰渣特性并不熱分解;空氣向噴嘴進(jìn)入,與下移的燃料首先發(fā)生燃好。燒反應;生成的氣體連同上層干燥熱分解產(chǎn)物與炭一起經(jīng)縮口向下流動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行裂解和還原反應。其裂解程度主要受反應層溫度和停留時(shí)間的控制。8<工業(yè)爐》第23卷第4期2001年11月態(tài)，為保證氣化爐連續產(chǎn)氣須以人工間歇性地捅火(破壞燒結層)。|娣料表4所示的是某1000型和SA-200型兩種下吸式氣化爐在連續生產(chǎn)條件下采集的燃氣組分分析數據干嫌層儲料企100~200C表4燃氣組分分析數據熱解層燃氣成分分析/%噴嘈低位發(fā)熱甲中出口焦湖氣體300氣化護型號”C0|H CH O2 :co./(kJ.m3)Q(mg'm月500心800 c空氣SA-20 二19.7812.210.680.6910.7 4073.5 2622氧化層900-12000 t某100014.310 2.091.91413668.06 2 101.4口一. 還承層灰戶(hù)福800- 900C由表4的數據可看出下吸式氣化爐在燃用稻草時(shí)存在著(zhù)下列兩個(gè)具有共性的問(wèn)題:圖2下吸式氣化妒結構簡(jiǎn)圖(1)氣化產(chǎn)生的燃氣熱值不高,均小于4 187該爐型的原設計意圖是焦油經(jīng)高溫區裂解,使kJ/m';(2)氣化爐出口燃氣焦油含量高,在2 100 mg/生成煤氣中焦油含量減少,同時(shí)原料中的水分參加m'以上。水煤氣反應,使氣體中H2含量增加。但是在使用稻草作為氣化燃料時(shí)，這一一設計意圖不易實(shí)現。 其4氣化工藝特性分析主要原因是稻草的灰渣特性比較差,在較低的爐內溫度水平之下就產(chǎn)生了結渣現象,影響氣化工藝有稻草在下吸式氣化爐中反映出來(lái)的主要特點(diǎn)是利條件的形成。表3所示是試驗中測得的某型下吸式氣化爐內反應溫度水平，上不去;爐內最高溫度不能超過(guò)1000C,- -般是在850-900 C之間。溫度升上去,爐內溫度分布情況。馬上出現燒結現象,破壞床層內部的透氣性、嚴重時(shí)即阻斷氣路產(chǎn)不出氣。這一特點(diǎn)導致該氣化工藝在表3氣化爐內溫度分布應用中出現了以下有別于燃用玉米稈、高粱稈等燃史層高度工況之-/心工況之-/C料時(shí)不同的特性。護物出口260~ 280.379-- 400距妒衢500 mml6549004.1爐內反應溫度水平低, 氣化效率下降距爐柵400mm7601 050氣化反應(或二氧化碳的還原反應)是煤氣發(fā)生距護量300mm81 130爐的主要化學(xué)反應，在低溫下(800 C以門(mén))它的反臣護圈250mm930-945年護冊200mm970~-1 0301120應速度幾乎等于零。碳的活化能大.而且僅當溫度距護冊150 mm88超過(guò)800 C以后反應速度才很顯著(zhù),要到溫度很高跑爐情100 mm8401092 。時(shí)，它的反應速度常數才超過(guò)碳的氧化反應的速度護柵層8101 070運行戲沉護內輕微結渣，輔以爐內嚴重結遣， 無(wú)法常數。因此提高爐內反應區的溫度是有利于改善氣化條件的i。目前爐內高溫中心區的溫度被限制在900心左表中工況之二所示的情況爐內約有250 ~ 300右的水平,將對燃料中的固定碳氧化,還原過(guò)程形成mm厚度的灰渣燒結層致使氣流通路被堵死，氣化不利.使得二氧化碳還原轉化成一氧化碳的份額減妒已不能產(chǎn)氣。工況之- .所示的情況爐內有輕微的少，燃氣熱值降低。燒結現象,約有50~70mm厚度的床料呈粘澀狀同時(shí)，在生物質(zhì)熱轉換中，焦油的數量主要決定9試驗研究:下吸式氣化護中盾草氣化特性研究于轉換溫度和氣相停留時(shí)間，與加熱速率也密切相燃氣的焦油含量偏高,據實(shí)驗中測定它們在2 100-關(guān):而氣化中焦油產(chǎn)物的能量一般占總能量的2 600 mg/m'。10%~15%。這部分能量在低溫時(shí)難以與可燃氣體這樣高的焦油含量,給生產(chǎn)T藝中的后續凈化-道被利用，必須將其裂解成可燃氣體狀態(tài)。高溫工作帶 來(lái)的困難極大:按照城市煤氣生產(chǎn)標準:一熱裂解是有效的手段之一,據試驗表明其裂解的溫般每m'煤氣中焦油等雜質(zhì)控制在20 mg以下:據度水平在1 000-1 200C。顯然現有工藝溫度水此計算,如此高的出爐焦油含量須-套效率在99%平不夠、焦油中叮燃質(zhì)成分無(wú)法獲得利用2]。以上的凈化處理系統才能保證供(質(zhì)量而 日前國以上兩項因素直接削弱了稻草在下吸式氣化爐內投運的生物質(zhì)氣化系統因其生產(chǎn)規模小。系統設生產(chǎn)過(guò)程中的氣化效率。據試驗這兩種氣化妒的氣計相對工業(yè) 上煤氣制備系統而言都較商電,凈化工化效率在55%~61%范圍。這使得燃料的叮利用藝多采用機械法氣體凈化與濕法氣體爭化以沒(méi)過(guò)濾率卜降,加之韜草燃料的發(fā)熱值比玉米稈、高粱稈等:法相結合的形式。常見(jiàn)的有離心式旋區分離器液秸稈都低.所以獲得的燃氣熱值一般僅在4 187 kJ/體層水流秸稈層過(guò)濾和離心式旋風(fēng)分離器水力噴m'以下，只能作為民用炊事燃料,應用層次較低。酒洗滌慣性分離等組合方式。組合系沈凈化效宅↓2床層薄,反應時(shí)間短,熱穩定性差在95%-97%范圍，欲進(jìn) 一步提高凈化系統效率.稻卓的真實(shí)密度417.6 kg/m'.堆積密度98系統將復雜化,易造成輔助設備與氣化主設備之間kg/m*.且外形尺寸細小，含灰量大。因此在氣化工造價(jià) 不相適的結果。因此可見(jiàn)降低燃氣焦油含量藝之中它所能構建的高溫中心反應區很小據測定須從氣化工藝本身著(zhù)手才是根本的出路而下吸式其對應的床層厚度只有40~60 rum左右，整個(gè)氧氣化爐燃用 稻草時(shí)反應溫度受到限制這對于解決焦北、還原區的床層高度也只有400多mm,這樣薄油問(wèn)題是--大I藝上的缺陷。的床層條件在本文所介紹的下吸式氣化爐試驗中床料在高溫中心反應層的停留時(shí)間僅有30-40 s,而5結論在妒內高于800心的床層中的停留時(shí)間也只有4~5min,反應時(shí)間顯得短暫。(1)下吸式氣化爐應用于稻草為燃料的氣化場(chǎng)據研究,生物質(zhì)的碳在800 T、2 MPa且有水蒸合時(shí)，爐內所能獲得的反應溫度低(900心左右),反汽存在條件下，經(jīng)7 min后,有80%的炭會(huì )被氣化，應區床層厚度薄, 致使燃料在爐內的反應時(shí)間短暫，剩余20%固體殘留物3)?？梢?jiàn)稻草的結構特性所且反應區的熱穩定性也較差。形成的床層條件使得燃料在爐內的反應時(shí)間編短，(2)下吸式氣化爐燃用稻草時(shí)，所獲得的燃氣熱也將影響到氣化率的提高,值<4 187 kJ/m',燃氣焦油含量>60 mg/m',氣化同時(shí)，床層薄使得反應層的料層結構經(jīng)不起生效率僅有55%-61%。比有關(guān)資料介紹的該工藝產(chǎn)操作中的擾動(dòng)(下吸式氣化爐生產(chǎn)中須時(shí)常撥火在北方地區的應用水平下降了很多.操作,以防止“冒火”現象發(fā)生),操作常使已建立起(3)引起下吸式氣化爐應用水平大幅下降的主來(lái)的高溫反應層熱穩定結構破壞。致使氣化反應過(guò)要 原因是稻草的灰渣特性，其燃料持性應在次位,程波動(dòng),生產(chǎn)穩定性下降。這也就是燃用稻草時(shí)，生參考文獻: .產(chǎn)操作難度大、氣化質(zhì)量可控性較差的原因。[1]許晉源， 徐逋模，等.燃燒學(xué)[M].北京:阮械1.業(yè)出版社、4.3 燃氣焦油含量高，凈化難度大[2、吳創(chuàng )之。 等.生物質(zhì)集油裂解的技術(shù)關(guān)鍵[]新能源，1998.20上述爐內反應溫度水平低、反應時(shí)間短兩項原3]卞有生. 生態(tài)農業(yè)中廢棄物的處理與再生利用[M].北京:化學(xué)(7).-1-5.9.因均使得稻草在熱解時(shí)逸出的揮發(fā)分之中的焦油物工業(yè)出飯社。質(zhì)無(wú)法在爐內過(guò)程里得到較好的熱裂解，致使出爐10