第26卷第1期熱能動力工程Vol 26. No. 12011年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERJan. 2011新能源動力技術(shù)文章編號:1001-2060(2011)01-0105-05下圾式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究金亮,周勁松,吳遠(yuǎn)謀,駱仲泱(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室,浙江杭州310027)要:生物質(zhì)國定床氣化技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、可提供清潔1實驗裝置及測量能源等優(yōu)點,但也存在氣化效率差,燃?xì)鉄嶂档偷膯栴}。以采用爐膛集中供風(fēng)技術(shù)和還原區(qū)熱量包襄技術(shù)的下嗄式氣1.1實驗裝置化爐為研究對象,研究爐膛溫度、空氣當(dāng)量比(ER)對燃?xì)獬蓪嶒炓钥諝鉃闅饣瘎?由鼓風(fēng)機(jī)鼓入,引風(fēng)機(jī)帶分燃?xì)鉄嶂?、氣化?shù)率等氣化性能的形響并與以往研究施動提供動力。氣化爐結(jié)構(gòu)及實驗系統(tǒng)如圖1和圖2果進(jìn)行對比分析。實驗表明,該氣化爐能保證在較低E肉所示。實驗系統(tǒng)包括氣化爐燃?xì)鈨艋到y(tǒng)、溫度測(0.1-0.3),獲得較高的爐膛溫度和還原區(qū)溫度,產(chǎn)出的量系統(tǒng)及燃?xì)獠蓸訖z測系統(tǒng)。燃?xì)鉄嶂翟?.5M/m3以上,氣化效率達(dá)到65%,平均氣化效率在55%以上,氣化性能較為理想燃?xì)獬隹陉P(guān)鍵詞:生物質(zhì)氣化;下吸式氣化爐;還原區(qū)溫度;空氣當(dāng)量比中圖分類號:TK6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A在生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中,生物質(zhì)氣化技術(shù)集中供風(fēng)口氣化劑人口具有能量轉(zhuǎn)換效率高、操作簡便、氣化合成氣可進(jìn)一步液化等特點,成為生物質(zhì)能利用的可行途徑。生氧化區(qū)物質(zhì)氣化技術(shù)按爐型分可分為固定床、氣流床及流還原區(qū)一粗燃?xì)獬隹诨驳葞追N。下吸式氣化爐屬于固定床中的一種,該氣化爐具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定性好、出口燃?xì)饨褂蜐舛壬俚葍?yōu)點,在農(nóng)村集中供氣及小型生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用,但該爐型也存在氣化效率及燃?xì)鉄嶂灯偷葐栴}。圖1下吸式氣化爐結(jié)構(gòu)本研究以具有爐膛集中供風(fēng)技術(shù)和還原區(qū)熱量包裹技術(shù)特點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,通過實驗分析反應(yīng)溫度、空氣當(dāng)量比mm。原料從氣化爐頂供入,空氣通過外接鼓風(fēng)機(jī)由ER〕對燃?xì)鉄嶂?、燃?xì)獬煞趾蜌饣实挠绊?從集中供風(fēng)口進(jìn)人氧化區(qū)與原料發(fā)生氧化反應(yīng)粗燃而得到該氣化爐的氣化性能。氣經(jīng)中國煤化工氣出口排出。高溫燃于熱量傳遞至干CNMHG收稿日期:2010-02-25;修訂日期:2010-04-07基金項目:浙江省科技計劃基金資助項目(2008010012)作者簡介:金亮(1985-)男浙江嘉興人浙江大學(xué)碩士研究生106能動力工程2011年燥區(qū)加強(qiáng)原料干燥,另一方面部分水氣、灰分等雜質(zhì)排污口以悶蓋封閉,停爐時打開,清除積聚的污水。經(jīng)阻隔從燃?xì)庵蟹蛛x,達(dá)到初級過濾作用。運(yùn)行時溫度顯示切換閥自來水出圖2下吸式氣化爐氣化系統(tǒng)流程氣化爐型設(shè)計有3個特點:(1)從干燥區(qū)至氧的平均溫度,同一截面采集16個測點,如圖3所示,化區(qū)采用口徑漸縮的錐形設(shè)計。由于傾角在7~各點處于各截面的中點,每15min記錄1次熱電偶10°之間適合原料自動下料(,故此氣化爐傾角為溫度值9°;(2)還原區(qū)為兩頭小、中間大”構(gòu)型,利于將熱1.3燃?xì)獬煞址治隽俊鞍庇谶€原區(qū)中部,防止出現(xiàn)“還原死角”,以燃?xì)獬煞植捎帽狈秩鹄治鰞x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(qū)采SP3420A型氣相色譜儀分析。根據(jù)已知可燃?xì)怏w的用集中供風(fēng)技術(shù),物料在氧化區(qū)能集中燃燒,創(chuàng)造還熱值及相應(yīng)的濃度,得到燃?xì)鉄嶂?。為保證結(jié)果可原區(qū)高溫、缺氧環(huán)境,利于氣化?？啃?每20min測量一次,一個工況下的燃?xì)鉄嶂禋饣癄t產(chǎn)出的燃?xì)馔ǔ：谢曳?、水分、焦油等為各采樣的平均值。雜質(zhì),系統(tǒng)采用濕式噴淋和干式凈化兩級過濾裝置1.4氣化效率計算過濾燃?xì)?過濾后絕大部分雜質(zhì)被除去,凈化后的燃?xì)饣师嵌x為生物質(zhì)燃?xì)廨敵鰺崃縌1和氣能滿足實驗要求。生物質(zhì)原料輸入熱量Q之比,計算式為1.2溫度測量7=×100%=V×Qx100%C×Qm(1)式中:m氣化效率%;Q一燃?xì)獾妮敵瞿芰?kJ;10Q—原料輸入能量,kJ;Q-燃?xì)獾臀话l(fā)熱量,kJ/m3;C原料重量,kg;Q一原料低位發(fā)熱量kJ/m3;V1-燃?xì)猱a(chǎn)量,是產(chǎn)氣時間t與燃?xì)饬髁縬的乘積122實驗方案由于爐內(nèi)反應(yīng)溫度與空氣當(dāng)量比(ER)對氣化爐氣化性能有重要影響,所以實驗主要研究還原區(qū)圖3溫度測點截面示意圖溫度及ER變化對燃?xì)鉄嶂禋饣实挠绊?。實驗在中國煤化工進(jìn)行爐內(nèi)布有6根長度可調(diào)熱電偶測量爐膛不同2.1CNMHG高度及同一截面不同徑向的溫度。另取一根熱電偶實驗以木材加工廠的廢料木屑為原料,木屑平從爐口插人用以測量燃燒區(qū)及下部還原區(qū)同一截均長度小于5mm,工業(yè)分析和元素分析如表1面不同點溫度,經(jīng)面積平均后的測量結(jié)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衰1木屑工業(yè)分析與元素分析CH4+2H2O(g)=CO2+4H2-165k(5)工業(yè)分析/%元素分析/%C+H20(g)=CO+H2-131 kJ(6)0小kC+CO2=2C0-172k(7)式(2)和式(3)屬于放熱反應(yīng),式(4)~式(7)1950.85678414.3643.664200732.0214987屬于吸熱反應(yīng)。Le chatelier的升溫原理表明,當(dāng)溫度升高時22反應(yīng)溫度影響的實驗設(shè)計反應(yīng)會朝著吸熱增強(qiáng)的方向進(jìn)行。在生物質(zhì)氣化過反應(yīng)溫度是影響氣化反應(yīng)的重要因素之一,氣程中隨溫度上升,反應(yīng)式(4)-式(7)會加強(qiáng),反應(yīng)化隨反應(yīng)溫度的升高呈現(xiàn)4個階段34):(1)150式(2)和式(3)會減弱故氣化產(chǎn)氫會隨著溫度上升℃左右為生物質(zhì)原料中水分的揮發(fā)階段;(2)170~而加強(qiáng)。Tum等人認(rèn)為,隨著反應(yīng)進(jìn)入高溫區(qū),370℃為來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℃為重質(zhì)揮發(fā)分從生物質(zhì)表面多的C和H2O以反應(yīng)式(6)的形式進(jìn)行,H2濃度析出、木質(zhì)素開始?xì)饣A段;(4)800℃以上為半焦升高。同時,雖然溫度升高反應(yīng)式(2)受到抑制但發(fā)生分解反應(yīng)階段由于反應(yīng)式(4)、式(6)和式(7)的增強(qiáng)以及多碳?xì)鉁囟茸兓蔁犭娕急O(jiān)測實驗中將ER維持在體的高溫分解,故CO濃度在650℃后依然有較明017左右。待燃?xì)猱a(chǎn)出后,通過測量不同還原區(qū)溫顯的上升。度的燃?xì)鉄嶂导叭細(xì)獬煞?得到燃?xì)馓匦缘淖兓?。較低溫度(<600℃),燃?xì)庵蠧H4和CH主個工況需連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行6h以上,并重復(fù)3次。要來自于揮發(fā)分的析出,高溫(>650℃)下CH4和23ER影響的實驗設(shè)計CH會發(fā)生裂解反應(yīng)生成小分子燃?xì)?。CH4的濃ER為生物質(zhì)氣化實際供給的空氣量與生物質(zhì)度在60700℃之間達(dá)到最大,為4.68%:700℃c完全燃燒理論所需的空氣量之比。通過元素分以后氣化溫度達(dá)到較高水平,CH4分解,濃度逐步析可計算出木屑完全燃燒需要的空氣量。調(diào)節(jié)氣化下降。CH濃度在310℃達(dá)到最大濃度1.31%爐運(yùn)行待工況穩(wěn)定后還原區(qū)溫度基本不變通過控隨著溫度上升,CHn發(fā)生熱分解,濃度逐步制一段時間內(nèi)氣化劑流量及原料加入量,保證氣化爐在一定ER下運(yùn)行在該時間段內(nèi)每15mi測量低。次燃?xì)鉄嶂岛腿細(xì)獬煞?、并記錄燃?xì)猱a(chǎn)量,測量時間一般在1.5h以上,同一工況重復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行3次,取平均數(shù)據(jù)作為測量結(jié)果。3實驗結(jié)果及討論3.1反應(yīng)溫度對氣化特性的影響圖4為燃?xì)怏w積濃度隨還原區(qū)溫度的變化曲300400500600700800900線在310~870℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高,N2和還原區(qū)溫度/℃CO2在燃?xì)庵械臐舛冉档?分別從59%和14.5%降為47%和8.1%;CO和H2濃度升高尤其在650℃圖4燃?xì)怏w積濃度隨還原區(qū)溫度的變化以后上升明顯,分別從初始濃度的16.1%和84%上升為21.7%和18.9%;CH4濃度先上升后降低由于實驗采用空氣作為氣化劑,所以燃?xì)鈱儆贑Hn(包括C2H、CH3、CH、CH)在較低濃度下低熱值氣體。圖5為燃?xì)鉄嶂惦S還原區(qū)溫度的變濃度隨著溫度的上升而降低化曲線隨著溫度上升,燃?xì)鉄嶂党噬仙厔?。由于生物質(zhì)氣化主要發(fā)生6步反應(yīng)6:在6凵中國煤化工(>650℃)時多2C+O2=2C0+246k(2)雖然CNMHG所以總體熱值升C+0,=c0,+409 kJ(3)高;65元已間氣化爾背使CO和H2的濃CH +H2o(g)=CO+3H2-206 kJ(4)度升高,燃?xì)鉄嶂道^續(xù)升高。108·熱能動力工程2011年04范圍內(nèi)(通常為0.25),能獲得較為理想的氣化效果時。但本實驗中,ER在0.16左右時燃?xì)獬煞州^理想(17.0%H2、4.1%CH4、20.1%CO、10%CnH。、12.6%CO245.2%N2),這是由于實驗中氣化爐采用了利于氣化的特殊構(gòu)造:一方面,采用了氧化區(qū)集中供風(fēng)技術(shù),可以保證進(jìn)入爐內(nèi)的氧氣能在氧化區(qū)充分燃燒,對提高氧化區(qū)溫度有積極作用另一方面,還原區(qū)采用“包裹”型設(shè)計,能有效減少還原區(qū)溫度/℃從氧化區(qū)傳遞至還原區(qū)的熱損失,提高還原區(qū)氣化強(qiáng)度。因此,雖然處于較低的空氣當(dāng)量比,但依然能圖5熱值隨還原區(qū)溫度的變化保證較高的反應(yīng)溫度及氣化強(qiáng)度,從而保證了氣化反應(yīng)的深度3.2ER對氣化特性的影響ER對燃?xì)鉄嶂档挠绊懭鐖D7所示。由圖可知,圖6中在0.1~0.5范圍內(nèi)隨著ER的提高,E在01-0.17范圍內(nèi)時熱值變化不大約為65可燃?xì)怏w的體積濃度呈下降趨勢,N2、CO2濃度明顯M/m3;在ER大于0.17時,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,熱值降低至4M/m3。當(dāng)ER較0.16的范圍內(nèi)時H2濃度明顯上升。小的時候,爐內(nèi)是缺氧環(huán)境,物料層(尤其是還原區(qū))甚至是無氧的,此時主要是揮發(fā)分的析出,析出的多碳類物質(zhì)對熱值提升有重要貢獻(xiàn)。同時,燃?xì)庵械獫舛容^少,可燃?xì)獬煞州^多,熱值較高。ER較大時,爐中的物料多半發(fā)生燃燒反應(yīng),N2濃度升高的同時,產(chǎn)生了過多的CO2,破壞了氣化氛圍,影響了燃?xì)馄焚|(zhì)。6500圖6燃?xì)怏w積濃度隨ER的變化5000可燃?xì)怏w濃度隨ER增大而降低,有兩方面的原因:第一,ER增大,鼓入爐中的空氣增多,在維持3000燃?xì)饬髁坎蛔兊那闆r下,N2在燃?xì)庵斜戎卦黾?同0.1020.3時,更多的O2通過燃燒以CO2的形式存在于燃?xì)庵?使可燃?xì)怏w的濃度進(jìn)一步降低;第二,ER增加擴(kuò)圖7燃?xì)鉄嶂惦SER的變化大了爐中氧化燃燒區(qū)域還原區(qū)域變小,單位時間內(nèi)的氣化強(qiáng)度降低,可燃?xì)怏w產(chǎn)出變?nèi)酢Ｔ谠辖o入量一定的情況下,氣化效率主要受ER在0.1~0.16范圍內(nèi),H2濃度出現(xiàn)了明顯燃?xì)猱a(chǎn)量和燃?xì)鉄嶂档挠绊?。一般而言燃?xì)猱a(chǎn)量的上升,原因在于較低ER(一般認(rèn)為小于04)1隨著E的增加而增大。而熱值與ER基本呈負(fù)相ER的提高有利于爐內(nèi)氧化區(qū)溫度的上升對氣化反性,因此氣化效率隨ER的變化存在一個下不完全燃燒的氣化反應(yīng)占據(jù)著主導(dǎo)地位,此時關(guān)應(yīng)的深度進(jìn)行是有利的,尤其在溫度達(dá)到700℃以中國煤化工化曲線如圖8所上時,反應(yīng)式(6)占主導(dǎo)地位,水蒸氣氣化促進(jìn)了H2示CNMHG曾大后降低,當(dāng)ER濃度的升高。在0.3時,氣化效率達(dá)到最大,為65%。ER在0.1已有研究認(rèn)為空氣氣化中,控制ER在0.20.3時燃?xì)饬康脑黾蛹拜^高的燃?xì)鉄嶂?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效率升高;ER大于0.3時,雖然燃?xì)饬亢艽?但爐內(nèi)性能呈現(xiàn)最佳狀態(tài)。實驗中氣化爐采用集中供風(fēng)技?xì)饣諊黄茐?燃?xì)庵写嬖诖罅縉2和CO2,所以術(shù)和還原區(qū)熱量包裹技術(shù)后,使氧化區(qū)獲得較高溫氣化效率開始下降?？傮w而言ER在0.1~0.35之度,還原區(qū)熱損失降低,從而能在較低空氣量供入的間時,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?xì)鉄嶂怠R在0.1~0同工況具有良好的適應(yīng)性,氣化特性處于較高水平。35范圍內(nèi)燃?xì)鉄嶂翟?0MJ/m3以上,最高達(dá)到65MJm3,氣化效率在55%以上,均達(dá)到了較高水平。參考文獻(xiàn):[1]陳冠益高文學(xué)顏蓓蓓等.生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[].煤氣與熱力,2006,26(7):20-26[2]段玉燕.戶用型生物質(zhì)氣化爐的開發(fā)與試驗研究[D].杭州:浙江大學(xué),2008.[3] 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