文豆編號(hào):1116988(2001)04000704下吸式氣化爐中稻草氣化特性研憲楊亞平(東南大學(xué)熱能工程研究所,南京21018)要:…吶種號(hào)下吸式空氣發(fā)生炆中稻草的氣化試驗(yàn)為基分柝了其氣化特性和生產(chǎn)L.藝性關(guān)毽詞;幻;下吸式氣化爐;蠛料特性;灰渣持性;反應(yīng)溫度中圖分類號(hào):K43.611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy of Straws Gasification Characteristicsin Downdraft Gas GeneratorYA.G Ya pingSoutheust Universitv, Nanying 210018, ChinaAbstract: By the test of gasification straw in two different downdraft gas generators, the gasified-Key words: straw downdraft gas generator: fuel characteristics; slag characterislics; temperature in reaction region外生物質(zhì)氣化技術(shù)來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)的技術(shù)起點(diǎn)軟低,禾用序言的技術(shù)簡(jiǎn)單。最具代表性的是在國(guó)內(nèi)北方地區(qū)普遍釆用的下吸式空氣發(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(duì)全世界一次能和系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單,投資成本低,操作技術(shù)易掌握,在的貢就約占14%在我國(guó),生物質(zhì)占一次能源總場(chǎng)上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力的33%:是僅次于煤的第二大能源。同時(shí),我國(guó)但是,近年該產(chǎn)品在向南方地區(qū)推中卻遇到忌大國(guó)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品,農(nóng)作物秸桿是了相當(dāng)?shù)碾y度,究其原因主要是稻草的燃料持性和生物質(zhì)源的重要組成部分:從可持續(xù)發(fā)展的角度灰渣特性比較特殊采看,稈是可耳生前且潔凈的能源資源,將在未來(lái)的能源潔構(gòu)中起到重要作用2稻草的燃料特性和灰渣特性據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)報(bào)道.世界上種嗔的種谷物每年可提供秸稈17億t。我國(guó)的各類稻草及其半焦的燃料特性見表1(分析基)農(nóng)作物秸稈資源|分豐富,總產(chǎn)量達(dá)7億多1,其中稻草為2.3億占總量的3%之多。表I稻草及其半焦的燃燒特性在我國(guó)農(nóng)村精桿氣化要是為了解決廣大農(nóng)戶「分分擇發(fā)分同定H主活燃料的能源問(wèn)題,兼顧環(huán)境保護(hù)。因此相對(duì)國(guó)8714.356614-25.3:0701344320門:2001.08中國(guó)煤化工970.9作者介:而亞平(1952一)男,副教授,從事熱能工程域科研工.發(fā)表學(xué)術(shù)論文20多篇CNMHG采用熱重法試驗(yàn)得到的稻草在加熱過(guò)程中的熱7試驗(yàn)研充:下吸式氣化爐中稻草氣化特性研究重曲線(即TG曲線)和微熵?zé)嶂厍€(DTG曲線)如圖1所示。000和50022502750圖1稻草燃料熱分析測(cè)試圖由圖1可見稻草燃料中的揮發(fā)分預(yù)熱到200℃左右即開始逸出;在330℃左右達(dá)到最高逸出速率;3氣化特性試驗(yàn)隨后逸出速率衰減,在400℃左右逸出速率穩(wěn)定在個(gè)較低的水平:在480℃左右燃料中的揮發(fā)分已物質(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℃左右逸出速率再次衰熱反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。其原理可概述如卜:生物減至一個(gè)很微弱的水平,一直保持至800℃左右,在質(zhì)燃料與煤等一般礦物燃料的工業(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(duì)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)程中隨著燃料被加熱,揮發(fā)分將首先析出英中鉀灰中鈉灰中鋁灰變形{灰軟化灰澤化灰流司剩余的半焦在空氣供應(yīng)不足和高溫條件下進(jìn)行燃燒元常元素元素溫度溫度ⅰ溫度溫度%:/%/%n/t 4/t ty/t./t'氣化反應(yīng),生成二氧化碳和一氧化碳空氣煤氣,即由草0.510.460.094901040112011揮發(fā)分和氣化反應(yīng)生成的一氧化碳、二氧化碳共同組成?？諝庵械牡?dú)馕磪⒓託饣磻?yīng),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(zhǎng)快的生物質(zhì)燃料其堿土金屬含溫氣化反應(yīng)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?xì)獬煞帧ＩY(jié)渣。稻草灰中鉀、鈉雖不高,但是鋁含量也很下吸式氣化爐的結(jié)構(gòu)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(jié)溫度的一個(gè)是氣化與固體順向流動(dòng)物料由上部?jī)?chǔ)料倉(cāng)向下移主要因素Al2O3有抑制燒結(jié)產(chǎn)生的作用,由表中分動(dòng),在爐內(nèi)傳來(lái)的熱量作用下邊移動(dòng)邊進(jìn)行千燥與析數(shù)據(jù)和以下試驗(yàn)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)生燃燒反應(yīng)中國(guó)煤化士解產(chǎn)物與炭起經(jīng)CNMHG和還原反應(yīng)其裂解程度主要受反應(yīng)層溫度和停留時(shí)間的控制業(yè)妒)第23卷第4期2001年11月態(tài),為保證氣化爐連續(xù)產(chǎn)氣須以人工間歇性地捅火(破壞燒結(jié)層)。表4所示的是某1000型和SA200型兩種下吸式氣化爐在連續(xù)生產(chǎn)條件下采集的燃?xì)饨M分分析數(shù)據(jù)儲(chǔ)料倉(cāng)表4燃?xì)饨M分分析數(shù)據(jù)熱解層燃?xì)獬煞址治?%氣化護(hù)型號(hào)5c℃cot5ct|oCO2(:my/a等氧化層92019782120680691034035262某1014.310.2091914.】3680621014還賑層口灰800-900℃由表4的數(shù)據(jù)可看出下吸式氣化爐在燃用稻草時(shí)存在著下列兩個(gè)具有共性的問(wèn)題該爐型的原設(shè)計(jì)意圖是焦油經(jīng)高溫區(qū)裂解使M氣化產(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂挡桓呔∮?187圖2下吸式氣化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(2)氣化爐出口燃?xì)饨褂秃扛?在2100mg/生成煤氣中焦油含量減少,同時(shí)原料中的水分參加以上。水煤氣反應(yīng),使氣體中H2含量增加。但是在使用稻草作為氣化燃料時(shí),這一設(shè)計(jì)意圖不易實(shí)現(xiàn)。其主要原因是稻草的灰渣特性比較差在較低的爐內(nèi)4氣化工藝特性分析溫度水平之下就產(chǎn)生了結(jié)渣現(xiàn)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(yàn)中測(cè)得的某型下吸式氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度水平上不去;爐內(nèi)最高溫度不能超過(guò)100℃,一般是在850-900℃之間。溫度升上去,爐內(nèi)溫度分布情況。馬上出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象,破壞床層內(nèi)部的透氣性,嚴(yán)重時(shí)表3氣化爐內(nèi)溫度分布即阻斷氣路產(chǎn)不出氣。這一特點(diǎn)導(dǎo)致該氣化工藝在應(yīng)用中出現(xiàn)了以下有別于燃用玉米稈、高梁稈等燃層高變工況之一/t工況之二/℃料時(shí)不同的特性。260-280379-400距妒500mm41爐內(nèi)反應(yīng)溫度水平低,氣化效率下降距爐40mm氣化反應(yīng)(或二氧化碳的還原反應(yīng))是煤氣發(fā)生距妒柵300mm爐的主要化學(xué)反應(yīng),在低溫下(80℃以下)它的反戶250mn930-945距妒撈200970~1030應(yīng)速度幾乎等于零。碳的活化能大,而且僅當(dāng)溫度150ma超過(guò)800℃以后反應(yīng)速度才很顯著,要到溫度很高距爐10m1U92時(shí),它的反應(yīng)速度常數(shù)才超過(guò)碳的氧化反應(yīng)的速度妒柵層行狀沉爐內(nèi)輕微結(jié)鋪以|內(nèi)嚴(yán)重結(jié)滋無(wú)法常數(shù)。因此提高爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)的溫度是有利于改善氣化條件的{1。目前爐內(nèi)高溫中心區(qū)的溫度被限制在900℃左表中工況之二所示的情況爐內(nèi)約有250~300右的料中的碳征北,還原過(guò)程形成中國(guó)煤化工〔化碳的份額減的已不能產(chǎn)氣。工況之一所示的情況爐內(nèi)有輕微的少州CNMHG燒結(jié)現(xiàn)象,約有50~70mm厚度的床料呈粘澀狀同時(shí),在生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換中焦油的數(shù)量主要決定試驗(yàn)研究;下吸式氣化護(hù)中稻草氣化特性研究于轉(zhuǎn)換溫度和氣相停留時(shí)間,與加熱速率也密切相燃?xì)獾慕褂秃科?據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)定它們?cè)?10關(guān)而氣化中焦泊產(chǎn)物的能量一般占總能量的2600mg/m310%~15%,這部分能量在低溫時(shí)難以與可燃?xì)怏w這樣高的焦油含量,給生宀藝中的后續(xù)凈化道被利用、必須將其裂解成可燃?xì)怏w狀態(tài)。高溫工作帶來(lái)的困難極大:按照城市煤氣生標(biāo)準(zhǔn)熱裂解是有效的手段之一,據(jù)試驗(yàn)表明其裂解的溫般每m3煤氣中焦油等雜質(zhì)控制在20mg以下:據(jù)度水平在1000~1200℃。顯然現(xiàn)有工藝溫度水此計(jì)算,如此高的出爐焦油含量須一套效率在99%平不夠,焦油中可燃質(zhì)成分無(wú)法獲得利用21以上的凈化處理系統(tǒng)才能保證供’質(zhì)量而日前國(guó)以上兩項(xiàng)因素直接削弱了稻草在下吸式氣化妒內(nèi)投運(yùn)的生物質(zhì)氣化系統(tǒng)因其生產(chǎn)規(guī)模小.系統(tǒng)設(shè)生產(chǎn)過(guò)程中的氣化效率。據(jù)試驗(yàn)這兩種氣化妒的氣計(jì)相對(duì)工業(yè)上煤氣制備系統(tǒng)而言都較簡(jiǎn)怛,爭(zhēng)化工化效率在55%~6%范圍。這使得燃料的可利用藝多采用機(jī)械法氣體凈化與濕法氣化以沒(méi)過(guò)恣率下降,加之韜草燃料的發(fā)熱值比玉米稈、粱稈等法相結(jié)合的形式。常見的有離心式分璃銎液瑃稈都低所以獲得的燃?xì)鉄嶂狄话銉H在斗187k體層水流秸稈層過(guò)濾和離心式漩風(fēng)纊濤水力噴m以卜,只能作為民用炊事燃料,應(yīng)用層次較低。汭洗滌慣性分離等組合方式.組合系瓷浮化效42床層薄,反應(yīng)時(shí)間短,熱穩(wěn)定性差在95%灬97%范圍欲進(jìn)一步提高凈化系統(tǒng)效率稻草的真實(shí)密度417.6kg/m3堆積密度98系統(tǒng)將復(fù)雜化,易造成輔助設(shè)備與氣化j設(shè)備之間kg/m3.且外形尺寸細(xì)小,含灰量大。因此在氣化工造價(jià)不相適的結(jié)果。因此可見,降低燃?xì)饨褂秃克囍兴軜?gòu)建的高溫中心反應(yīng)區(qū)很小,據(jù)測(cè)定須從氣化工藝本身著手才是根本的出路而下吸式其對(duì)應(yīng)的床層厚度只有40~60πm左右,整個(gè)氧氣化爐燃用稻草時(shí)反應(yīng)溫度受到限制這對(duì)于解決焦比還原區(qū)的床層高度也只有400多mm、這樣薄油問(wèn)題是一大工藝上的缺陷。的床層糸件在本文所介紹的下吸式氣化妒試驗(yàn)中床料在高溫中心反應(yīng)層的停留時(shí)間僅有30-40s,而5結(jié)論在爐內(nèi)高于80℃的床層中的停留時(shí)間也只有45min,反應(yīng)時(shí)間顯得短暫。(1)下吸式氣化妒應(yīng)用于稻草為燃料的氣化場(chǎng)據(jù)研究,生物質(zhì)的碳在800℃、2MPa且有水蒸合時(shí),爐內(nèi)所能獲得的反應(yīng)溫度低(90℃左右),反汽存在條件下、經(jīng)7min后,有80%的炭會(huì)被氣化,應(yīng)區(qū)床層厚度薄,致使燃料在爐內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間短暫剩余20%固體殘留物32可見稻草的結(jié)構(gòu)特性所且反應(yīng)區(qū)的熱穩(wěn)定性也較差毛成的床層條件使得燃料在爐內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間縮短,(2)下吸式氣化爐燃用稻草時(shí),所獲得的燃?xì)鉄嵋矊⒂绊懙綒饣实奶岣咧?4187kJ/m3,燃?xì)饨褂秃?60mg/m3,氣化同時(shí),床層薄使得反應(yīng)層的料層結(jié)構(gòu)經(jīng)不起生效率僅有55%-61%。比有關(guān)資料介紹的該工藝盧操作中的擾動(dòng)(下吸式氣化爐生產(chǎn)中須時(shí)常撥火在北方地區(qū)的應(yīng)用水平下降了很多操作,以防止“冒火”現(xiàn)象發(fā)生),操作常使已建立起(3)引起下吸式氣化爐應(yīng)用水平大幅下降的主來(lái)的高溫反應(yīng)層熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)破壞,致使氣化反應(yīng)過(guò)要原因是稻草的灰渣特性,其燃料持性應(yīng)在次位程波動(dòng),生產(chǎn)穩(wěn)定性下降。這也就是燃用稻草時(shí),生參考文獻(xiàn)產(chǎn)操作度大、氣化質(zhì)量可控性較差的原因。1]許晉源,徐通模,等燃燒學(xué)[M],北京;機(jī)枝1.業(yè)出版43燃?xì)饨褂秃扛?凈化難度大2.吳創(chuàng)之,等.生物質(zhì)焦油裂解的技術(shù)關(guān)鍵|新能源,1998,20上述妒內(nèi)反應(yīng)溫度水平低、反應(yīng)時(shí)間短兩項(xiàng)原因均使得稻草在熱解時(shí)逸出的揮發(fā)分之中的焦油物3卞有生生態(tài)農(nóng)業(yè)中廢棄物的處理與再生利甲M].北京:化字質(zhì)無(wú)法在爐內(nèi)過(guò)程里得到較好的熱裂解,致使出爐工業(yè)出飯中國(guó)煤化工CNMHG