第34卷第2期同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol. 34 No.22006年2月JOURNAL OF TONG]I UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Feb.2006生物質(zhì)固定床氣化試驗研究魏敦崧',李芳芹2,李連民3(1.同濟大學(xué)機械工程學(xué)院，上海20092; 2.上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院,上海200;3.上海燃氣市北銷售有限公司,上海200434)摘要:根據(jù)生物質(zhì)的氣化原理,利用固定床上吸式氣化的試驗方法,對生物質(zhì)進行氣化研究.搭建一小型氣化試驗爐,分析采樣氣,得到氣化氣的熱值利用實測數(shù)據(jù)計算法計算各種氣化指標,同時研究了爐溫、原料特性、燃料層厚度等操作條件對生物質(zhì)氣化的影響.建立了數(shù)學(xué)模型,對氣化過程進行模擬，進一步研究氣化爐內(nèi)部的反應(yīng)狀況比較模擬計算得出的燃氣成分、熱值與試驗測得的相應(yīng)數(shù)據(jù),驗證了上吸式固定床氣化方法的可行性.關(guān)鍵詞:生物質(zhì);固定床;氣化;試驗研究中圖分類號: TK 6; TQ 546.2文獻標識碼: A文章編號: 0253 - 374X(2006)02 - 0254-06Test Study on Biomass Gasification in Fixed BedsWEI Dunsong', LI Fangqin? , LI Lianmin3<1. Cllge of Mechanical Eninceing, Tongji University, Shanghai 20092, China;2. Energy and Environment Engineering Institute, Shanghai University of Eletric Power , Shanghai 200090, China;3. North Shanghai Gas Business Co. Ltd. , Shanghai 200434, China)Abstract: Based on the principle of biomass gasification, the method, updraft gasification in fixedbeds, is adopted to study the process of biomass gasification. After setting up a small-scale test gasifierand analyzing sampled gases, the heat value of gasified gas is available. Tested data method is used tocalculate gasification criterions, and at the same time, the effects of temperature of gasifier，character-istics of raw materials, thickness of fuel on the biomass gasification are discussed. A mathematicalmodel is established to simulate the process of gasification and study the chemical reaction in the gasif-cation furnace. Ingredients and heat value of simulated gases are compared with corresponding testeddata. The feasibility of updraft gasification in fixed beds is verified.Key words: biomass; fixed bed; gasification; test study隨著全球性工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,以煤、石油為主的-[0]. 例如,大部分秸稈被無端燒掉、垃圾被填埋或常規(guī)能源的日益短缺和環(huán)境污染的不斷加劇，促使倒人河海中等,這不僅浪費資源，而且對環(huán)境還造成人們加緊研究各種可替代能源.可再生的生物質(zhì)能嚴重污染.有效利用這些生物質(zhì)的一一個有效途徑就在能源結(jié)構(gòu)中占有極其重要的地位.我國生物質(zhì)資是把生物質(zhì)氣化成燃氣來加以利用.本文利用固定源(木料、秸稈及垃圾等)蘊藏特別豐富，但據(jù)統(tǒng)計，床上吸式氣化方法對生物質(zhì)秸稈進行氣化研究.生物質(zhì)能的利用僅占可用生物質(zhì)資源的三分之收稿日期: 2004-09-22作者簡介:魏敦崧(1944- ),男,上海人，教授，博士生導(dǎo)師. E-mail:dsweib@mail. tongi. edu. cn第2期魏敦崧,等:生物質(zhì)固定床氣化試驗研究255氣,通過羅茨鼓風(fēng)機后，分成兩路:一路旁通,直接排1生物質(zhì)氣化過程放到大氣中;另一路流經(jīng)并聯(lián)的轉(zhuǎn)子流量計和孔板流量計,計量后進入氣化爐，作為氣化劑.進人氣化生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有爐的空氣量是通過調(diào)節(jié)閥門來控制的.空氣流量測機物和水分組成.生物質(zhì)氣化過程是生物質(zhì)中有機量儀采用兩種并聯(lián)的流量計:低流量時,用轉(zhuǎn)子流量物轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的過程.氣化爐內(nèi)燃料層自上計;高流量時,用節(jié)流孔板流量計.而下可以分為三層:干燥層、熱解層和氣化層(包括煤氣出口氧化層和還原層).生成氣干燥的燃料在熱解過程中測溢孔取樣孔產(chǎn)生CO, CO2, H2,N2,H2S,焦油蒸氣及少量的入料口CH,C..H等氣體以及焦.隨后,固體焦發(fā)生如下的氧化、還原反應(yīng):氧化層C+O2 =CO2(放熱反應(yīng))2C+ O2 =2C0 (放熱反應(yīng))還原層C+ CO2= 2CO (吸熱反應(yīng))C+ H2O= CO+ H2(吸熱反應(yīng))CO+ H2O= CO2 + H2(放熱反應(yīng))凱]爐門風(fēng)道[C+ 2H2O= CO2 + 2H2(吸熱反應(yīng))可見,生成氣的主要可燃成分為CO和H2.圖1試驗用氣化爐示意圖(單位 :mm)2試驗裝置及測試系統(tǒng)Fig.1 Sketchg figure of used gasifier (unit: mm)2.3燃氣燃燒器本試驗的氣化試驗裝置[2]包括氣化試驗爐、供本試驗中,設(shè)計了兩個直管式燃氣燃燒器.一個風(fēng)系統(tǒng)、燃氣燃燒器和測試系統(tǒng)等.試驗爐為上吸式是自然引風(fēng)擴散式燃燒器,供烘爐及點爐時使用;另固定床氣化爐,爐中的氣固兩相呈逆向流動.與下吸-個是用于燃燒生成燃氣的管式燃燒器,同時也可式固定床相比較,上吸式氣化爐的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，監(jiān) 視生成燃氣的質(zhì)量.氣化效率高,灰渣含碳率較低;其缺點是氣化燃氣中2.4測溫系統(tǒng)含焦油較多.氣化爐內(nèi)床層的最高溫度約1 000 C左右,采2.1 氣化試驗爐用鎳鉻-鎳硅熱電偶來測量爐內(nèi)溫度.為了測量床氣化試驗爐[3]如圖1所示.采用耐火磚爐墻,既層不同高度的溫度分布,在爐排以上750~1 200能耐高溫,又可減少散熱損失.試驗時爐門需關(guān)閉，mm 之間布置了五個測溫孔.各熱電偶經(jīng)過轉(zhuǎn)換開但由于實驗條件等原因，爐門密封不夠好,所以會有關(guān)接到數(shù)字式毫伏計 ,可以連續(xù)觀察不同床高的溫少量空氣漏人.爐頂左側(cè)為加料口,為防止物料上方度變化.有大量空氣漏人，于加料口處又砌有180 mm高的2.5取樣裝 置及氣體分析儀護磚,形成-一個喉頸，加料時此處塞有物料,形成料取樣管采用銅管，斷面切成斜面.銅管固定在煙封，可適當減少由此漏人的空氣量.右側(cè)為燃氣出道內(nèi),使斜口斷面向下,正好迎著上升的燃氣流由口,與砌磚煙道相連接.在砌磚煙道上方安裝有鐵皮于爐內(nèi)呈微負壓,采用取樣泵將氣樣抽取到取樣袋煙囪.砌磚煙道內(nèi)預(yù)埋有測溫銅管及取樣管,用來測內(nèi).取樣管還起到冷卻作用,500~600C的出爐燃量燃氣出口溫度和取燃氣樣.取樣管布置在煙囪斷氣, 到達取樣泵人口時可降到大氣溫度采用奧氏氣面中心位置處,以保證所取燃氣樣具有代表性.為了樣 分析儀在常溫下對采樣氣進行分析.解整個爐內(nèi)溫度分布情況,在爐墻的不同高度上布置了測溫孔.3氣化試驗及其結(jié)果分析:2.2供風(fēng)系統(tǒng)本試驗采用空氣作為氣化劑.鼓風(fēng)機采用一臺每次試驗都要從冷爐啟動,所以在氣化前,需要出口靜壓為88.26kPa羅茨鼓風(fēng)機經(jīng)過過濾的空-段時間點爐升溫,使爐膛達到適宜氣化的高溫狀同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第34卷256態(tài).在氣化過程中,灰渣的排除和投料量的調(diào)節(jié)是兩氣作為氣化劑,故采用前兩種方法來調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度.個特別重要的環(huán)節(jié).灰渣的排除采用人工方法來實加入物料后,將熱電偶插人各測點測量爐膛溫度,每現(xiàn),具體排渣量和排渣時間視試驗具體情況而定.灰5~ 10 min作- -次溫度記錄.在氣化穩(wěn)定時,溫度記渣層過厚,將增加上升的氣化劑所受的阻力;反之，錄的時間間隔可適 當減少,測定記錄爐膛溫度并進氣化爐的熱容量過低,爐膛內(nèi)溫度達不到氣化要求.行燃氣采樣.試驗中,一-般控制在200~ 300 mm左右.氣化爐操3.1 氣化結(jié)果作過程中,控制溫度的方法有改變投料量、調(diào)節(jié)空氣實驗測試的物料元素分析見表1. 產(chǎn)氣成分及量及調(diào)節(jié)蒸氣量三種.在本試驗過程中,由于只用空其氣化指標見表2. .表1元素分析(質(zhì) 分數(shù))Tab.1 Analysis of elements( rate of mass)質(zhì)量分數(shù)/%物料共計NS木塊45.666.2245.851.380.060.83垃圾19.994.6025.770.100.1649.3810037.605.8440.221.880.0914.371) A為灰分.表2產(chǎn)氣成分Tab.2 Components of gas熱值/氣化效 產(chǎn)氣率/_0O2CH_O2.00H2N2 (kJ.m~)_ 率/% (m'.kg~")11.900.601.9015.802.907.5059.404 508.8 72. 972.9614.300.502.8011.5070.901 780.3 22. 361.12谷殼14.610.642.6710.982.106.2162.793420.9 64.602.573.2氣化計算結(jié)果分別見表3、圖2.計算中帶出物損失忽略不計.采用實際數(shù)據(jù)計算法進行氣化過程的計算.以由表3可以看出，以100kg燃料為基準,計算所得谷殼為例,其物料平衡、熱量平衡以及氣化指標計算的輸人與輸出的物料相差7. 89 kg.表3元素物料平衡表(100 kg燃料)Tab.3 Material balance of elements (100 kg fuel)ig項目CHA100.00輸入空氣中水蒸氣3.994.49空氣54.70180.20234.90合計6.3498.91 .182.08339.40干燃氣36.002.4275.46182.07296. 02輸出燃氣中水蒸氣3.92 .31.3435.26灰渣1.600.0215.9937.6106.80347.273.3 氣化過程的影響因素另外,空氣的分布亦對氣化質(zhì)量有影響,如果布3.3.1空氣流量及分布的影響風(fēng)不均勻,將使得同一截面不同位置的氣化速度不空氣流量對氣化質(zhì)量有很大的影響實驗表明,一致,進而影響氣化質(zhì)量. 本實驗中采用分布板來調(diào)空氣量過大時,氧化層增厚,爐內(nèi)溫度下降,0O2增節(jié)空氣氣流的分布.在冷床試驗中,通過測定爐內(nèi)各加,CO減少,氣化質(zhì)量降低;反之，空氣量不足時，測點的風(fēng)速,尋找到分布板的最佳布置位置以獲得氧化層變薄，反應(yīng)不完全,氣化效率降低.因此,為了較好的空氣分布,進而優(yōu)化氣化質(zhì)量.嚴格控制空氣流量,實驗采用轉(zhuǎn)子流量計和孔板流3.3.2物料層的影響量計計量、調(diào)節(jié)空氣旁通的方式.由于加料口設(shè)在爐膛左側(cè),物料在爐排上分布第2期魏敦崧,等:生物質(zhì)固定床氣化試驗研究257很容易不均勻,因而在加料過程中,用釬子撥平物徑小,其熱阻力也小，氣化爐內(nèi)的溫度分布也就越均料,以減少料層分布不均勻的影響.勻,氣化結(jié)果好.水分的影響主要體現(xiàn)在兩個方面:一爐內(nèi)氣化層包括氧化層和還原層,從氣化穩(wěn)定方面蒸發(fā)需要消耗氣化過程中燃燒反應(yīng)所放出的熱后測試的不同料層高度處的溫度分布曲線圖(見圖量;另-方面,由于水是-種氣化劑，能與C發(fā)生水煤3)上,可推斷出各料層的大致位置.此試驗的點火時氣反應(yīng)生成 H和0Q,進而提高氣化氣的質(zhì)量.間為下午2:30,點火23 min后,750~ 900 mm為氧0.84%(Q.)]7.60%(Qo)化區(qū),氧化層厚度約為150 mm,溫度約為850 C;0.52%(2)0.28%(Q2)h0.40%(Q0)-900~1 150 mm為還原區(qū),還原層厚度為250 mm,49%(Q2)溫度為500~900 C;1 150 mm以上是預(yù)熱區(qū),物料9%(Q2)加到1500mm處,預(yù)熱層厚大約為350mm.開始14%(Qo) "時灰渣層很薄,可以忽略.隨著氣化反應(yīng)的進行,灰65%(Q23)渣層加厚,氧化層、還原層上移,氣化層相對厚度減98.36%(Q,)小,點火后65min左右，在料層高約900mm處才輸入熱量輸出熱量進入氧化區(qū),此時溫度為850 C.2-燃料熱值:Qs-干煤氣熱值:2-燃料物理熱:0-干氣物理熱:3.3.3 氣化物料性質(zhì)的影響Q-煤氣中水蒸氣物理熱:0一千空氣物理熱:Qo灰渣化學(xué)熱:物料粒度大小、總表面積及其含水量等對于燃料Qr -空氣中水蒸氣物理熱0r灰渣物理熱:21一爐墻散熱等損失層中的氣化過程均具有很大的影響.物料粒徑越小，其總表面越大,熱交換和擴散過程就進行得越激烈,圖2熱量平衡圖使整個氣化過程進行得越激烈和越完全.并且物料粒Fig.2 Heat balance900900 r80000 -700700-00 t500 t。點火后23 min敏60日點火后65 min一點火后28 min明s0。點火后72 min400一點火后35 min-點災(zāi)后78 min0o一點火后55 min一點火后86 min00 L700 800 900 1000 1 100 I 200300700 800 900 100011001200高度/mm圖3不同時刻爐內(nèi)溫度隨料層高度的分布曲線Fig.3 Distribution temp. curves along material height in various hours3.3.4出爐溫度 的影響4.1.1假設(shè).出爐燃氣溫度是燃氣質(zhì)量的重要指標之一-,又是在不造成失真的條件下,為便于建立模型特作爐內(nèi)氣化情況、特別是爐內(nèi)各層次正常與否的重要標以下假設(shè)與簡化:①爐內(nèi)氣固兩相都呈活塞流,反志一般出爐溫度在500~600 C之間屬于正常狀況，應(yīng)器徑向的非均--性可忽略,按一維問題處理;②并且在正常狀況下,爐內(nèi)溫度分布越均勻,產(chǎn)出的燃反應(yīng)器內(nèi)壓力視為常數(shù);③處于穩(wěn)定氣化狀態(tài),爐氣質(zhì)量也越好.這是因為均勻的溫度分布阻止了燒內(nèi)各種參數(shù)不隨時間而變化;④由于徑向擴散遠遠穿、偏爐等情況的發(fā)生,從而使得氣化反應(yīng)穩(wěn)定.大于軸向擴散,且爐內(nèi)對流傳熱遠遠大于輻射傳熱,4生物 質(zhì)固定床氣化的數(shù)學(xué)模型故忽略軸向擴散以及輻射傳熱4.1.2基本方程及其邊界條件4.1模型的建立根據(jù)氣化爐內(nèi)各段反應(yīng)特點的不同把整個氣為進-步從理論上探討氣化爐內(nèi)部的反應(yīng)過化過程分為三部分 處理:干燥和干餾層,氣化層,灰程,本文建立了一維非均相穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型對氣化過渣層.因氣化層對于整個氣化過程十分重要,在此對程進行模擬,并與實驗結(jié)果進行比較.其進行較詳細的分析,而干燥干餾層和灰渣層內(nèi)過258同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第34卷程比較簡單,分別對這兩層作整體處理.根據(jù)以上假.m-3 ;Aw為單位床層體積器壁內(nèi)側(cè)面積,m2.定,建立反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型，如圖4所示.邊界條件:在氣化層底部z= LI處，Tg(L)=2↑ 物料Tg,Cg(L])=Cg;在氣化層頂部z=Lz處,T,(L2)= T2s,Cg:(L2)= C2si.C,+dG」G;+dC4.1.3灰渣層和干燥、干餾層的計算Ti+dI, T:+dTg灰渣層中,認為空氣只與灰渣發(fā)生熱交換而不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng),通過灰渣層后,空氣量不發(fā)生變Cu,T .CqinTp化.把整個灰渣層作為研究對象,氣固相傳熱Qg應(yīng)等于固相熱容的減少Q(mào)。L1Qg = KFOT(5)灰渣空氣Q。= cpM(T1s- To;)(6)圄4氣化爐控制體OT =0.5[(Ti。- Tg) + (Tos- Tog)] (7)Fig.4 Control body of gasifier式(5)~ (7)中:K為氣固相傳熱系數(shù), kJ.m-2.在氣化層內(nèi)取微元段dz ,建立物料及熱量平衡s-'.K-l;F 為氣固相間傳熱面積,m?;OT為氣固微分方程式相平均溫差,K;cp為灰渣比熱,kJ.kg-'.K-;M為= 2AuRe .(1)灰渣質(zhì)量流量,kg.s-l;T0g, Trg為氣相在灰渣層底部和頂部的溫度, K; To, T。為固相在灰渣層底部dCc= ZAxR,(2)和頂部的溫度,K.dz在干燥層和干餾層中,假設(shè)物料失去全部的水分和揮發(fā)分,即進入氣化層的焦只含有灰分和固定(2Cos)出一.SH+碳,這樣就可由投料量計算氣化層頂部碳的摩爾流hS。(T。- T)+ UAw(Tw- Tg) (3)量.干餾燃氣的組分可以按照通常的熱解模型進行dT; _計算[4].假設(shè)氣化層所產(chǎn)生的氣體在干餾干燥層不( CAm●CpA+=參與反應(yīng),則氣化總?cè)細饬考礊楦绅s氣和氣化層所ZR。. OH + hsS.(T。- T2)(4)產(chǎn)生氣體量之和.4.2模型結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的分析式(1)~(4)中:R,為反應(yīng)的總床層表觀速率, mol.用上述建立的數(shù)學(xué)模型,以谷殼作燃料為例進s-1.m-3;R。為反應(yīng)在固相中的表觀速率,mol.s- 1行計算 ,得到爐子出口處的燃氣成分與熱值(見表.m~;R為反應(yīng)在氣相中的表觀速率, mol.s-1.4). 燃氣中O2,CO2,H2和CO各組分隨氣化爐高度m-3;Cgi為氣相組分的摩爾流量, mol.s~ 2.m : 3;Ak的分布見圖5.從圖5看出,氣化層內(nèi)隨著氧化反應(yīng)為組分i在反應(yīng)k中的計量系數(shù),生成物取正，反100應(yīng)物取負;z為反應(yīng)器的軸向距離,m;C;為固相組分的摩爾流量,mol.s" '.m 2;A;為組分j在反應(yīng)k8中的計量系數(shù),生成物取正，反應(yīng)物取負;cpi為氣相聯(lián)60組分i的恒壓摩爾熱容,數(shù)值參考手冊數(shù)據(jù)選取, kJ.mol-'.K-';cg為固相組分j的恒壓摩爾熱容,數(shù)主40值參考手冊數(shù)據(jù)選取, kJ.mol-1.K-';CAm為灰的2質(zhì)量流量，kg.m-3.s-';cA為灰的恒壓質(zhì)量熱容,數(shù)值參考手冊數(shù)據(jù),取0.934 kJ.mol-1.K-1;OHk0.10.20.30.40.50.60.70.8反應(yīng)器軸向距離/m為化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)焓, kJ.mol-';h為氣固相間傳熱系數(shù),kJ.m-2.s-1.K-1;U為器壁總傳熱系數(shù), kJ.圖5干煤氣各組分隨爐床高度的變化 曲線m-2.s-1.K-1;Tg為氣相溫度, K; T,為固相溫度,Fig.5 Variation curve of components ofK;Tw為器壁外側(cè)溫度, K;S。為床層比表面積,m2dry gas with hearth' s height第2期魏敦崧,等:生物質(zhì)固定床氣化試驗研究259表4燃氣成分與熱值Tab.4 Gas' s ingredients and heat valbe體積分數(shù)/%項目熱值/(k].m2)0O2CH92HCH4共計試驗數(shù)據(jù)14.61 0.642.6710.986.212.1062.79100.03 420.00模擬數(shù)據(jù)13.650.50013.348.322.4361.764 030.56偏差/%6.621.921.534.015.71.6的進行,CO2的含量增加很快,且有一較明顯的峰之有效的生物質(zhì)處理方法現(xiàn)總結(jié)如下:值.反應(yīng)初期,由于部分的CO和H2反應(yīng),CO2生成(1)試驗利用一小型的氣化試驗爐實現(xiàn)對生物量逐漸增加.隨著溫度的提高,由于CO2的還原反質(zhì)(木塊、垃圾和谷殼)的氣化,其中以谷殼氣化為應(yīng),使得CO2達到峰值以后的含量有所減少.例,試驗所得燃氣熱值約為3500 kJ.m-3,燃氣中由表4可以看出,除試驗氣體中含有氧氣外(這00體積分數(shù)較高,約占12%左右.是因為在試驗過程中,氣化爐頂部密封不夠好而滲(2)從氣化計算結(jié)果來看,物料平衡的總誤差人空氣所致),試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本吻合.在5%左右.由于本試驗所采用的氣化爐本身結(jié)構(gòu)按照上述數(shù)學(xué)模型進行了模擬計算,根據(jù)模擬所限，散熱損失較大，平均散熱損失占總熱損失的結(jié)果和試驗數(shù)據(jù),作出沿軸向的氣相溫度Tg固相10% .為提高氣化爐的熱效率,必須加強爐子的保溫溫度T,和實測溫度的變化曲線見圖6.從圖6可以措施.看出,氣相溫度Tg固相溫度T,和實測溫度的變化(3)物料層、氣化物料性質(zhì)和出爐溫度等對氣趨勢和大小基本吻合,證明了所建的數(shù)學(xué)模型基本化都有 影響.上能反映秸稈固定床氣化的實際狀況.(4)本文建立的數(shù)學(xué)模型基本符合氣化爐內(nèi)的反應(yīng)過程,模擬計算得出的結(jié)果與實際試驗測試的數(shù)據(jù)基本吻合.一實測溫度900。800參考文獻:700-[1] 邱鐘明,陳砌。生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].可再600生能源，2002(4);16.500QIU Zhongming, CHEN Li. 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