第29卷第3期太陽能學(xué)報(bào)Vvol.29, No.32008年3月ACTA ENERCLAE SOLARIS SINICAMur. ,2008文章編號(hào): 0254006(2008)03-03004稻殼旋風(fēng)空氣氣化的機(jī)理研究孫紹增，宿鳳明，趙義軍，凌峰(哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所,哈爾濱10001)摘要: 在稻殼旋風(fēng)空氣氣化的試驗(yàn)中,通過對(duì)氣化反應(yīng)過程中的各個(gè)階段進(jìn)行取樣分析，跟蹤燃?xì)庵袔追N主要成分的生成過程,了解稻殼空氣氣化的反應(yīng)機(jī)理。通過試驗(yàn)了解到:稻殼旋風(fēng)空氣氣化過程中,化學(xué)反應(yīng)沒有明確分區(qū)氧化反應(yīng)是個(gè)持續(xù)過程,隨著揮發(fā)分的析出便已開始, -直到氧氣完全消耗掉溫度達(dá)到最高;高碳?xì)浠衔?焦油)的裂解反應(yīng)貫穿整個(gè)氣化過程;氣化燃?xì)庵械闹饕煞?C0、H、CH)是在還原反應(yīng)階段產(chǎn)生的。關(guān)鍵詞:旋風(fēng)氣化;氣化燃?xì)?空氣當(dāng)量比;裂解中團(tuán)分類號(hào): TQ038.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A其氣化所產(chǎn)燃?xì)饨褂秃肯鄬?duì)較高。0引言本研究采用旋風(fēng)氣化工藝,是為生產(chǎn)低焦油高生物質(zhì)空氣氣化技術(shù)是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)品質(zhì)的燃?xì)舛O(shè)計(jì),空氣攜帶稻殼物料和半焦顆粒的一種,一般為使生物質(zhì)物料中的有機(jī)物質(zhì)以空氣在氣化器內(nèi)做旋流流動(dòng),同時(shí)完成氣化反應(yīng)14-61。為氣化載體進(jìn)行不完全燃燒而產(chǎn)生低熱值燃?xì)?3.5旋風(fēng)氣化工藝在遵循生物質(zhì)氣化原理的基礎(chǔ)上,具~ 5.5MJ/Nm)"。目前,生物質(zhì)空氣氣化主要利用有氣固兩相混合充分傳熱傳質(zhì)快、反應(yīng)過程可控等固定床(上吸式固定床、下吸式固定床)和流化床(循優(yōu)點(diǎn)78)。同時(shí)，由于旋風(fēng)空氣氣化過程中,熱解產(chǎn)環(huán)流化床、鼓泡床)兩種氣化工藝。-般認(rèn)為,無論物要經(jīng)過高溫反應(yīng)區(qū),容易使所產(chǎn)焦油高溫裂解,從哪一種工藝,其氣化過程都要經(jīng)歷干燥、熱解、氧化而達(dá)到消除焦油的目的。和還原幾個(gè)反應(yīng)階段23]。不同的氣化方式有其不同的技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)行方式,也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。固1物料(稻殼 )的基本特性定床氣化強(qiáng)度小，規(guī)模不宜擴(kuò)大;流化床傳熱傳質(zhì)劇本實(shí)驗(yàn)采用的稻殼取自于黑龍江紅興隆農(nóng)場(chǎng)，烈、氣化強(qiáng)度大,適合大規(guī)模氣化。但其氣化過程自然風(fēng)干后經(jīng)過粗略打碎處理,其堆積密度為190中,氣化溫度不宜太高，容易造成結(jié)焦搭橋現(xiàn)象,故kg/m' ,其稻殼的元素分析和工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表1。表1稻殼的元素分析與工業(yè)分析Tablel Utimate and prorimate analysis of the tested rice husk元素分析/%工業(yè)分析1%熱值/MJ.kg'[C].[H][0][N]。[S]s[V].FC_38.074.9231.290.400.0559.2711.5013.2414.78機(jī)提供的空氣混合并被攜帶切向送入氣化器,其整2試驗(yàn) 系統(tǒng)及過程套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括主體氣化器、給風(fēng)加料氣樣經(jīng)過濾、冷凝、除焦油和干燥等處理措施系統(tǒng)、預(yù)熱及溫控系統(tǒng)和取樣系統(tǒng)4部分。物料顆后,送到色譜分析儀進(jìn)行成分分析。對(duì)氣化器內(nèi)各粒由調(diào)速螺旋給料機(jī)送入物料引射器,與空氣壓縮.個(gè)反應(yīng)階段分 別取樣時(shí)，利用熱電偶安裝孔做為取收稿日期: 200609022基金項(xiàng)目:黑龍江省自然科學(xué)基金(1307396)通訊作者:宿風(fēng)明(190-),男 ,博士研究生,主要研究方向?yàn)樯镔|(zhì)氣化及可再生能源利用。stfengming@eqoc. om3期孫紹增等:稻殼旋風(fēng)空氣氣化的機(jī)理研究371樣孔,拆除相應(yīng)位置的熱電偶,安裝取樣槍。取樣槍真 ,采用等動(dòng)力取樣法,氣樣取出后迅速冷卻。伸人到氣化器簡體和排氣管中間，為保證氣樣不失41Tr口改101.空氣壓縮機(jī)2.儲(chǔ)氣罐3.螺旋給料機(jī)4.物料引射器5.氣化器6.灰斗 7.點(diǎn)火孔8.液化氣9.取樣孔10.引風(fēng)機(jī) 11.纖維過濾器12.冰水冷卻器 13.水分分離瓶14.焦油分離瓶 15.色譜分析儀圖1稻殼旋風(fēng)氣化系統(tǒng)圖Fig.1 System of air eylone gsificatin of rice husk氣化器的啟動(dòng)需要采用電加熱器預(yù)熱,當(dāng)氣化到650C時(shí)即可啟動(dòng)氣化器運(yùn)行。約20min后氣化器運(yùn)行后加熱器自動(dòng)停止工作。圖2是預(yù)熱及溫控器運(yùn)行穩(wěn)定,進(jìn)行溫度記錄和氣化燃?xì)獾娜臃治?，系統(tǒng)示意圖,在主體氣化器上沿軸向均勻布置8個(gè)每一工況取樣3次,取平均數(shù)作為分析數(shù)據(jù)。鎳鉻-鎳硅熱電偶,用來監(jiān)測(cè)氣化過程中氣化器各部在生物質(zhì)的空氣氣化中,當(dāng)量比ER是一個(gè)很分的溫度,熱電偶由上到下分別編為1~8號(hào)。所有重要的參數(shù)。為了增大中間產(chǎn)物的濃度,減小空氣的熱電偶信號(hào)采用溫度巡檢儀采集記錄。中氮?dú)獾挠绊?，本試?yàn)采用較小的空氣當(dāng)量比ER=0.23,即空氣量為13m'/h,給料量為16.4kg/h。3.2 溫度場(chǎng)的分析接觸器L空氣圖3為試驗(yàn)過程中的氣化器內(nèi)溫度分布曲線，由圖中的溫度場(chǎng)曲線可以看出:常溫下的空氣和物料進(jìn)入氣化器后立即被加熱到300C以上，這部分熱量主要來自于氣化器高溫區(qū)的輻射熱,也有一部電加熱器分是由于高速湍流空氣流進(jìn)人氣化器時(shí)卷吸氣化器內(nèi)的高溫?zé)煔庑纬傻膶?duì)流換熱。隨著物料和空氣在氣化器內(nèi)下移,溫度逐漸升高,到達(dá)第6測(cè)溫點(diǎn)時(shí)達(dá)熱電偶到最高值(約1150%)。在氣化器底部,氣化燃?xì)獬?200r1100溫控儀澀度巡檢儀1000900圖2氣化器預(yù)熱及測(cè)溫系統(tǒng)暫800Fg.2 System of warm-u甲p and thermoecope on gasifer7006003試驗(yàn)結(jié)果與分析S5003.1試驗(yàn)過程及試驗(yàn)參數(shù)40012345678本試驗(yàn)將稻殼進(jìn)行粗略打碎處理后作為物料。圖3氣化器內(nèi)的溫度場(chǎng)曲線試驗(yàn)過程中,首先對(duì)氣化器進(jìn)行預(yù)熱,當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)Fig.3 The curve of temperature feld in gasifer372太陽能學(xué)指29卷口的位置溫度開始下降,出口溫度約1000C。值得度恰恰達(dá)到了一氧化碳的著火溫度(641~658C)，注意的是,在第2到第3測(cè)溫點(diǎn)的位置,溫升較快，這說明 -氧化碳- -達(dá)到著 火溫度就迅速和氧氣發(fā)生說明該處有突然的放熱反應(yīng)發(fā)生。反應(yīng)而被消耗掉;經(jīng)過第5取樣點(diǎn)之后,-氧化碳的3.3產(chǎn)品氣主要成分生成過程的分析濃度大幅度增加到約24% ,說明產(chǎn)品氣中的一-氧化本試驗(yàn)為了跟蹤產(chǎn)品燃?xì)庵兄饕煞值纳蛇^碳主要來源于還原反應(yīng)階段。程,從氣化器中抽取氣樣,對(duì)-氧化碳.二氧化碳、氫4)從甲烷含量的變化曲線可以看出,在第5取氣和甲烷進(jìn)行含量分析,主要成分的體積含量在氣樣點(diǎn)之前甲烷的含量很小，幾乎檢測(cè)不到,直到第5化器各個(gè)位置的變化如圖4。點(diǎn)以后開始增加。由于甲烷的著火溫度相對(duì)較高從成分含量的跟蹤曲線可以看出:(650~ 750C),相對(duì)化學(xué)活性較弱。這說明在有氧1)氧氣量在第5取樣點(diǎn)之前逐漸減少,說明氧氣存在的環(huán)境中,稻殼揮發(fā)分還沒有充分裂解產(chǎn)生化反應(yīng)是隨著稻殼物料揮發(fā)分的析出開始的。從氧甲烷時(shí)就已經(jīng)被氧化燃燒掉。只有經(jīng)過第5取樣點(diǎn)氣量減小的幅度來看,在第2和第3取樣點(diǎn)之間氧以后，,沒有了氧的存在，甲烷方能生成。氣量減少較快.這說明在此區(qū)間發(fā)生了較大部分的5)氫氣含量的變化趨勢(shì)和一氧化碳大體相同，氧化反應(yīng)。根據(jù)氣化器在此工況下的溫度分布曲線在沒有 達(dá)到著火點(diǎn)之前,其含量雖然很小,但也路呈可知，此處的溫度在450~ 600C之間,表明熱解氣上升趨勢(shì),到達(dá)其著火點(diǎn)(第3和第4點(diǎn)之間處)以中已經(jīng)分離出部分小分子碳?xì)浠衔锘驓?因?yàn)槠浜?在第4點(diǎn)取出的氣樣中檢測(cè)不到氫氣存在,說明化學(xué)活性較強(qiáng),一經(jīng)產(chǎn)生馬上氧化,并放出大量的已被氧化燃燒掉。經(jīng)過第5到第6取樣點(diǎn)氫氣濃度熱。氧氣量在第5取樣點(diǎn)之后,濃度迅速減小到約開始增加,氫氣-方面由水蒸汽和固定碳或氧化碳0.25% ,并保持不變。這說明氣化過程中氧化反應(yīng)反應(yīng)生成,如方程式(2)、(3)等。發(fā)生在第5取樣點(diǎn)之前,其后的反應(yīng)基本沒有單質(zhì)C+ H20 +CO+ H2- 131.3kJ(2)氧參與。CO+ H20→CO2+ H2 +41.1kJ溫度/C另-方面由未完全裂解的高碳?xì)浠衔锪呀猱a(chǎn)423 492 6538131006975875802生。在第6取樣點(diǎn)到第7取樣點(diǎn)之間,氫氣含量基24-本保持不變。說明在該條件下,氫氣參與了一些反思16-應(yīng),如化學(xué)方程式(4)~(6)等,生成甲烷等其它成書12-分。i82C0 + 2H2→CH + CO2 + 247.3kJ(4)CO + 3H2→CH + H20+ 206.1kJ(5)CO2 + 4H2-→CH4 + H20 + 165.0kJ(6)取樣點(diǎn)圖4產(chǎn)品氣主要成分在氣化過程中變化曲線4結(jié)論Fig.4 Curve of main components in producer1)稻殼的空氣氣化所產(chǎn)生的燃?xì)庵饕獊碜杂谖飃as in gaifeation coure料的揮發(fā)分,固定碳參與反應(yīng)并不多;2)從二氧化碳的含量變化來看,在第3取樣點(diǎn)2)揮發(fā)分的裂解反應(yīng)存在于整個(gè)氣化過程,尤增幅較大,說明有氧化反應(yīng)發(fā)生。二氧化碳的含量其在還原階段的裂解反應(yīng)能否充分對(duì)氣化燃?xì)馄焚|(zhì)在第5取樣點(diǎn)處達(dá)到最大值(約22%),以后開始減的影響較大;少,但幅度不大。這說明預(yù)期的二氧化碳和固定碳3)生物質(zhì)氣化過程中包含大量復(fù)雜的化學(xué)反之間的異相反應(yīng)(式(1))并不多。應(yīng),在- -定反應(yīng)條件下,各個(gè)成分之間相互轉(zhuǎn)化。C+ CO2→2C0- 172.4kJ(1)[參考文獻(xiàn)] .3)從一氧化碳含量的變化曲線可以看出,在第3取樣點(diǎn)之前,一-氧化碳的含量緩慢增加,第3點(diǎn)和[1] 陳冠益， 方夢(mèng)祥.生物質(zhì)流化床的試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)要第4點(diǎn)之間又呈下降趨勢(shì),在第3取樣點(diǎn)區(qū)域的溫點(diǎn)[J].浙江熱力發(fā)電，999,(5);18-23.3期孫紹增等:稻殼旋風(fēng)空氣氣化的機(jī)理研究373[2] 賴艷華,呂明新.縮口結(jié)構(gòu)對(duì)降低生物質(zhì)兩段氣化中2001,21: 371- -380.焦油生成量的影響研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2004, 256] Gabra M, Salman H, Kielstroem B. Development of a sugar(14): 547- -551.cane reidue feding gystem for a cyolonie gaifer[J]. Bio-3] 王鐵軍,常杰.生物質(zhì)氣化焦油催化裂解特性[J].m8s and Bioenergy, 1998, 15(2):143- -153.太陽能學(xué)報(bào), 2003,24(3):376- -379.7] Yin Xiuli, Wu Chuanghi, Zheng Shumpeng. Design and op4] Mohamed Gabraa, Esbjom Pterersona, Rainer Backmanb, eternation ofa CFB gasificaion and power generation sytem foral. Eraluation of eyoloe gesifier peformance for gsificationrice busk[J]. Bionase and Bioenengy, 2002,23:181-187.of sugar cane reiue -Part 1: Gesification of bagae[]. Bi-[8] Li Jurfeng. Renewable energy development in chin:他omnase and Bioenergy, 2001 ,21:351- -369.source assment, technology status, and greenhouse gas[5] Mohamed Gabra, Rainer Backmanb. Evaluation of eyclonemitigatin pentia[J]. Applied Enery, 1997, 56: 381-gasifer penfomnance for gaifcation of supar ceane reiduePart394.2: Gesifcarion of cane trash[J]. Biomass and Bioenergy,THE STUDY ON MECHANISM OF RICE HUSK AIRGASIFICATION IN CYCLONE GASIFIERSun Shaozeng, Su Fengning, Zhao Yijun, Ling Feng(Reseurch Intiute of Combusion Enginecring, Harbin lusinte of Tochnology, Harbin 1000, China)Abstract:The experimental study was made on air eyclone gasification of nice husk. The main components of the producergas were measured during the gasification process by means of sampling in diferent position in the gasifer, in order tounderstand the gasification mechanism deeply. The results indicated that the oxidation reactions take place when the vola-tile began to release and last until the oxygen was exhausted, indicating that the pyrolysis reactions undengo during thewhole gasification. The main conponents of the producer gas(CO, H and CH4) were formed in the reduction zone.Keywords:cyclone gasification; producer gas; air equivalence ratio; pyrolysis