第27卷第7期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)Vol 27 No. 72702011年7月Transactions of the CSAeJul. 2011上吸式生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)李斌,陳漢平",楊海平,王賢華,張世紅(華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074)摘要:為指導(dǎo)和改良小型生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)及運(yùn)行,介紹了上吸式氣化爐的設(shè)計(jì)步驟,并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),制作了一臺(tái)生物質(zhì)氣化爐,且以木屑為原料考察了入爐空氣量對(duì)爐內(nèi)溫度、產(chǎn)氣成分和熱值等的影響。結(jié)果表明:入爐空氣量是上吸式氣化爐運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù),直接影響爐內(nèi)溫度和反應(yīng)工況。隨著入爐空氣量的增加,氣化爐內(nèi)溫度大幅上升,氣體產(chǎn)量急劇增加,可燃?xì)夂縿t是先增加后降低,入爐空氣量在19m3/h附近為最佳,此時(shí),產(chǎn)氣熱值達(dá)到最大值438MJm3,氧化區(qū)溫度為960℃,氣化強(qiáng)度為57.8kg(m2h),能很好滿足用戶需求關(guān)鍵詞:生物質(zhì),氣體燃料,設(shè)計(jì),氣化爐,入爐空氣量,產(chǎn)氣成分,上吸式doi:10.3969/jisn.1002-6819201107.047中圖分類號(hào):TK6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1002-6819(2011)-07-0270-04李斌,陳漢平,楊海平,等.上吸式生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(7):270-273Li Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, et al. Design and experiment on updraft biomass gasifier[]. Transactions of the CSAE,2011, 27(7): 270-273. (in Chinese with English abstract)表1氣化原料的基本分析結(jié)果Table 1 Physical and chemical properties of the gasification小型上吸式生物質(zhì)氣化爐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活material(as received)生物質(zhì)資源生產(chǎn)高品位的可燃?xì)?特別適合于農(nóng)村和集分發(fā)分?jǐn)?shù)分圓。ⅡNs?！?機(jī)數(shù)鎮(zhèn)居民以及小型餐飲業(yè)的使用14。然而,月前市面上流58371.077.03160745376960.290.51340116,46110通的各種氣化爐產(chǎn)品還存在較多的問題4,國(guó)內(nèi)外針對(duì)小型上吸式氣化爐的研究報(bào)道也不多1,在氣化爐的設(shè)1)氣化爐輸出功率Qn(W)計(jì)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方面仍缺乏詳細(xì)地指導(dǎo)叫1。因此,本所設(shè)計(jì)出的上吸式氣化爐要求能滿足農(nóng)村炊事用能文在氣化爐關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上,結(jié)合氣化爐結(jié)的需求,也即其輸出功率≥農(nóng)村炊事單位時(shí)間耗能。以構(gòu)方面的考慮,設(shè)計(jì)了一臺(tái)上吸式氣化爐,并采用木屑?xì)饣癄t產(chǎn)氣在15min內(nèi)能燒開一壺水(即5kg水由20為原料,考察了入爐空氣量對(duì)氣化爐運(yùn)行特性的影響。℃升至10℃,比熱容C為42kJ(kg℃)為標(biāo)準(zhǔn)衡量氣本文的研究結(jié)果可為固定床生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)和調(diào)試化爐的性能,可計(jì)算出其輸出熱負(fù)荷Q為運(yùn)行提供借鑒和指導(dǎo)Qn=Cm△Tt=4.2×5×(100-20)(15÷60)6720(kJ/h=186667(W(1)1上吸式生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)式中,m為一壺水的質(zhì)量,kg;△T為水的終溫與初始溫度之差,℃;t為加熱時(shí)間,h1.1上吸式氣化爐關(guān)鍵參數(shù)2)氣化爐燃料消耗速率FCR(kgh)選取木材加工廠廢棄物一木屑為氣化原料,其基本氣化爐的輸出熱負(fù)荷就是氣化爐內(nèi)生物質(zhì)原料氣化分析結(jié)果見表1后產(chǎn)氣在灶具上燃燒單位時(shí)間所提供的有效熱量。氣化原料的低位熱值( Low Heating value(LH1)為1646MJkg,取氣化爐的氣化效率≥≥65%,燃?xì)庠畹臒嵝师鞘崭錒期:2010-1021修訂日期:2010-1208為40%,則由能量平衡可計(jì)算出氣化爐燃料消耗速率基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)月(“973”計(jì)劃》2007CB210202)FCR為國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)日(50806027,509000華中科技大學(xué)博士論文創(chuàng)新FCR=Q/(LH×m)=6720-(16.46×1000×0.65×04基金項(xiàng)目。=1.57(kg/h)(2)作者簡(jiǎn)介:李斌(1985-),男,博上生,主要從事生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化3)氣化爐直徑D(m)與利用研究。武漢華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,430074Email:libin198520@126.com在已知中國(guó)煤化工強(qiáng)度( Gasification※通信作者:陳漢平(1962-),男,教授、博士生導(dǎo)師,主要從事煤與生 Intensity(GCNMHG化爐的育徑D為物質(zhì)的高值化、多聯(lián)產(chǎn)資源化利用研究武漢華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重D=[4FCR(πXUn15/+(5.14xU)0.183m(3)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,430074. Email: bp.chen@163com第7期李斌等:上吸式生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)2714)氣化爐有效高度H(m)和有效容積v(m3)控系統(tǒng)等。在本設(shè)計(jì)中,氣化爐外殼采用薄鋼板卷制而為了保證上吸式氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行,使?fàn)t內(nèi)各反應(yīng)成,內(nèi)部敷設(shè)有耐火保溫材料,氣化爐本體內(nèi)爐膽采用區(qū)有合適的高度,其高徑比一般應(yīng)大于2,即雙錐形結(jié)構(gòu),上錐段收縮符合爐內(nèi)原料氣化后體積縮小H>2D=0.37m(4)的特征,下錐段漸擴(kuò)便于物料的下降,雙錐形結(jié)構(gòu)有利考慮到戶用型氣化爐采用的是間歇給料方式,爐內(nèi)用氣化原料在爐內(nèi)形成“整體流”,有效減輕架橋結(jié)拱容積空間所裝的原料應(yīng)至少能滿足農(nóng)戶一日的炊事用能傾向。為了方便用戶使用,改善操作環(huán)境,該氣化爐還需求,高徑比可取的更大。假定氣化爐滿料運(yùn)行時(shí)間T設(shè)計(jì)有自動(dòng)點(diǎn)火裝置和蝶形閥手動(dòng)除灰裝置,自動(dòng)點(diǎn)火至少為3h,則氣化爐的有效容積V為裝置位于下錐段的中心,由電加熱金屬絲與金屬套管相F≥ FCRXT=428×10°2m3(5)連組成,在套管周向均布有3層布風(fēng)孔,套管頂端采用5)入爐空氣量AFR(m3h)圓錐狀帽檐防止布風(fēng)孔堵塞。下錐段中部均布有切向風(fēng)入爐空氣量AFR的值可指導(dǎo)風(fēng)機(jī)的選型。設(shè)計(jì)原料道,與中心套管上的周向布風(fēng)孔配合可實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)的均勻完全燃燒的理論空氣量為476m3/kg,取空氣當(dāng)量比E布風(fēng)。在運(yùn)行過程中或運(yùn)行結(jié)束后,可通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)蝶為028,在已知燃料消耗速率FCR時(shí),可得到入爐空氣形閥及時(shí)排出爐內(nèi)的灰渣,防止其在爐內(nèi)過度沉積堵塞量AFR為切向風(fēng)道和布風(fēng)孔。溫度監(jiān)控系統(tǒng)由4根在爐內(nèi)沿徑向AFR= Vox FCR×E=209(mh)(6)分布的熱電偶(分別標(biāo)記為T1-T4)和1根產(chǎn)氣出口處熱1.2上吸式氣化爐關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)電偶(標(biāo)記為T5)組成,4根熱電偶在爐內(nèi)的初始有效高設(shè)計(jì)氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。根據(jù)小型上度分別為140、40、80和350mm,還可通過上下移動(dòng)其吸式氣化爐的特點(diǎn),可將其劃分為以下幾個(gè)關(guān)鍵部分:位置來測(cè)量不同高度層的溫度,5根熱電偶一起實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣化爐本體、點(diǎn)火系統(tǒng)、布風(fēng)系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)和溫度監(jiān)氣化爐內(nèi)溫度和出口氣體溫度。K型熱電偶⑦①①爐著④產(chǎn)氣出口采機(jī)袋過濾抽氣泵保溫層產(chǎn)氣出口管路雙錐形爐膽自動(dòng)點(diǎn)火裝置周向布風(fēng)孔切向風(fēng)道冷凝、過濾裝置自動(dòng)止回閥放灰閥風(fēng)機(jī)-⑤國(guó)儲(chǔ)灰室出灰門圖1上吸式氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic diagram of updraft fixed bed gasifier綜合考慮上吸式氣化爐的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果,設(shè)器套管直徑為55m,上部正圓錐金屬帽檐直徑為計(jì)出的氣化爐的基本參數(shù)為:氣化爐外形呈直桶形,總75mm。高度為1000mm,除去灰室后的上部有效高度為80mm,雙錐形內(nèi)膽下錐段高度為80mm,上錐段高度2試驗(yàn)方rYH中國(guó)煤化工為400mm,其喉部直徑為220mm(比計(jì)算結(jié)果D=試驗(yàn)過CNMH并記錄氣化爐內(nèi)183mm要大,下部直徑為250mm,上部直徑為380mm,的溫度。在產(chǎn)氣出口處,連接氣體采樣裝置,具體見圖1可使氣化爐容納更多的物料,延長(zhǎng)氣化時(shí)間。自動(dòng)點(diǎn)火所示,產(chǎn)氣經(jīng)過濾除去水分和焦油后,用氣袋進(jìn)行收集,272農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2011年氣體成分采樣便攜式氣相色譜儀(GC3000)進(jìn)行分析。H2-O. -AN -V-CH試驗(yàn)步驟如下:試驗(yàn)前,向氣化爐內(nèi)加滿原料(~89kg),CO.-DC.一★-LHV記錄熱電偶的初始溫度。然后,啟動(dòng)自動(dòng)點(diǎn)火裝置,30~40s后開風(fēng)機(jī)向氣化爐內(nèi)送入空氣,空氣流量通過一個(gè)流量控制閥調(diào)節(jié)。試驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí),開始實(shí)時(shí)記錄氣化爐的溫度變化。一般而言,點(diǎn)火約3min后,出口產(chǎn)氣可點(diǎn)3結(jié)果與討論叫x對(duì)于上吸式氣化爐,運(yùn)行工況的調(diào)整主要通過調(diào)節(jié)入爐空氣量/(m3h)入爐空氣量來實(shí)現(xiàn),入爐空氣量是氣化爐在實(shí)際運(yùn)行過圖4產(chǎn)氣成分和低位熱值隨入爐空氣量的變化程中最重要的參數(shù),它與氣化爐內(nèi)溫度分布、產(chǎn)氣成分Fig 4 Gas composition and LHv under different air flow rates和熱值等密切相關(guān)。圖2所示為氧化區(qū)的溫度和氣化強(qiáng)度隨入爐空氣量的變化,其中氧化區(qū)溫度指圖1中熱電由圖2可知,當(dāng)入爐空氣量由1.1升至3.5m3h時(shí),偶(T2)所測(cè)的溫度,每個(gè)溫度點(diǎn)都是在氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行氧化區(qū)溫度由710℃大幅上升至1129℃,氣化反應(yīng)的強(qiáng)時(shí)測(cè)得。氧化區(qū)的溫度可直接反映氣化過程的強(qiáng)弱。氣度大大增加,由315上升至11.7kg(m2h)?？紤]到試驗(yàn)化產(chǎn)氣的主要成分為H2、N2、CH4、CO、CO2以及少量用生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)約為1100℃,入爐空氣量不應(yīng)選的過的C2等。圖3所示為氣體產(chǎn)量與產(chǎn)氣率隨入爐空氣量的高,入爐空氣量在17~23m3/之間比較合適,此時(shí)氣變化。圖4所示則為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)氣成分和低位熱值隨化強(qiáng)度在50~70kg(m2h)之間,這與設(shè)計(jì)參數(shù)比較吻合,入爐空氣量的變化。圖4所示該流量范圍內(nèi)氣體低位熱值較高在383~438MJm3之間,也證實(shí)了這一點(diǎn)。由圖3可知,氣體產(chǎn)氧化區(qū)溫度量隨入爐空氣量的增加不斷增加,這可能與氣化反應(yīng)加114氣化強(qiáng)度強(qiáng)和氣體流量增加有關(guān)。另外,更多的空氣進(jìn)入氣化爐,將有更多的生物質(zhì)參加反應(yīng),氣化爐的溫度水平提高導(dǎo)致爐內(nèi)各反應(yīng)區(qū)的大小沿軸向空間擴(kuò)展,從而導(dǎo)致氣體呢900產(chǎn)量增加。然而,產(chǎn)氣率曲線在入爐空氣量為19m3/h時(shí)存在一個(gè)明顯的拐點(diǎn),這在圖2(溫度增加速率)和圖4(可燃?xì)獬煞趾偷臀粺嶂底兓厔?shì))中也同樣存在。這表明可能存在一個(gè)最佳的入爐空氣量,使得氣化爐內(nèi)維081.2162024283.23持合適的溫度水平,各反應(yīng)區(qū)的空間分布合理,且具有入爐空氣量(m3hr)良好的氣化反應(yīng)效率和穩(wěn)定性。在入爐空氣量較低時(shí),圖2氧化區(qū)溫度和氣化強(qiáng)度隨入爐空氣量的變化氧化區(qū)溫度很低,如1.1m3h時(shí)僅有710℃,在有限的接g 2 Temperature of oxidation area and gasification intensity觸時(shí)間內(nèi)生物質(zhì)與空氣不能充分反應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)氣中的氧under different air flow rates含量很高(見圖4)。同時(shí)還原區(qū)和裂解區(qū)的溫度降低也使得相應(yīng)反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)強(qiáng)度減弱,導(dǎo)致生成可燃?xì)?H2、138產(chǎn)氣空氣流量比氣體產(chǎn)量CO和碳?xì)浠衔锏?減少。而當(dāng)入爐空氣量增加時(shí),氣4.0化爐溫度上升,各反應(yīng)區(qū)的氣化反應(yīng)強(qiáng)度增大,產(chǎn)氣中可燃?xì)獬煞趾彤a(chǎn)氣低位熱值增加。然而,當(dāng)入爐空氣量超過19m3h時(shí),繼續(xù)增大入爐空氣量,則氣化爐內(nèi)的溫想128度過高,氣化爐內(nèi)生物質(zhì)與空氣的接觸時(shí)間太短,難以充分反應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)氣中的氧含量增加(見圖4),氣化燈122內(nèi)各反應(yīng)區(qū)空間擴(kuò)展太快,迅速上移,氣化爐運(yùn)行工況惡化,從而導(dǎo)致產(chǎn)氣中的可燃?xì)獬煞趾彤a(chǎn)氣熱值迅速下降結(jié)論圖3氣體產(chǎn)量與產(chǎn)氣率隨入爐空氣量的變化針對(duì)當(dāng)前1中國(guó)煤化工設(shè)計(jì)方面缺乏專Fig 3 Product gas/air ratio and gas production under different air門的手冊(cè)或規(guī)CNMHG式氣化爐的設(shè)計(jì)flow rates步驟,并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),據(jù)此制作出了一臺(tái)第7期李斌等:上吸式生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)273生物質(zhì)氣化爐,且以木屑為原料考察了入爐空氣量對(duì)氣京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003化爐運(yùn)行特性的影響。[6]喻霞,魏敦崧.生物質(zhì)崮定床氣化過程的研究門煤氣與試驗(yàn)表明:入爐空氣量是上吸式氣化爐運(yùn)行的關(guān)鍵熱力,2000,20(4):243-246.參數(shù),直接影響爐內(nèi)氣化溫度和反應(yīng)強(qiáng)度。隨著入爐空Yu Xia, Wei Dunsong. Study of gasification treatment of氣量的增加,氣化爐內(nèi)溫度大幅上升,氣體產(chǎn)量急劇增加,biomass in fixed bed gasifier[J]. Gas and Heat, 2000, 20(4)可燃?xì)夂縿t是先增加后降低,入爐空氣量在19m3h附243--246. (in Chinese with English abstract)近為最佳,此時(shí),產(chǎn)氣熱值有最大值438MJNm3,氧化]雷廷宙,沈勝?gòu)?qiáng),崔俊貞,等.固定床生物質(zhì)氣化機(jī)組主要區(qū)溫度適宜,為960℃,氣化強(qiáng)度為578kg/(m2h技術(shù)性能試驗(yàn)研究[河南科學(xué),2006,24):118-12Lei Tingzhou, Shen Shengqiang, Cui Junzhen, et al. The參考文獻(xiàn)]experimental study on the main technical performance of the[]李斌,陳漢平,楊海平,等.戶用型上吸式生物質(zhì)氣化爐fixed bed biomass gasification equipment[J]. Henan Science,的發(fā)展與改進(jìn)[農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27增刊1):2052006, 24(1): 118-121.(in Chinese with English abstract)[8]孫仁山,王述洋,董志國(guó).家用生物質(zhì)氣化設(shè)備技術(shù)的研209Li Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, et al. Development and究.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2003,31(4):7-9aprovement of household updraft biomass gasifier.楊少鵬,薛勇,牛廣路.上吸式生物質(zhì)秸稈氣化爐的設(shè)計(jì)Transactions of the CSAE, 2011, 27(Supp 1 ) 205-209( in與試驗(yàn)研究門節(jié)能,2009(9):6-9.Chinese with English abstract)[10] Khummongkol D, Arunlaksadamrong W. Performance of an[2]李鵬,王維新,吳杰,等.生物質(zhì)氣化及氣化爐的研究進(jìn)updraft mangrove-wood gasifier[J]. Energy, 1990, 15(9): 781展新疆農(nóng)機(jī)化,2007(3):46-48[3]段玉燕,周勁松,趙輝,等.戶用型生物質(zhì)氣化爐氣化性l胡萬里,李長(zhǎng)友.小型民用秸桿氣化爐的改進(jìn)設(shè)計(jì)門節(jié)能和焦油脫除的實(shí)驗(yàn)研究[Cy第二屆全國(guó)研究生生物質(zhì)能,2005(8):37—38能研討會(huì),2007,廣州[12]王華軍,李淑蘭,何曉峰,等.家用生物質(zhì)氣化機(jī)關(guān)鍵設(shè)Duan Yuyan, Zhou Jingsong, Zhao Hui, et al. Investigation of計(jì)技術(shù)的研究與分析[河南科學(xué),2001,19(4):398gasification characters and tar remove of biomass gasificationfurmace for home-uselCyrhe 4th Seminar on biomass energyWang Huajun, Li Shulan, He Xiaofeng, et al. 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(in Chinese with English abstract)Design and experiment on updraft biomass gasifierLi Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, Wang Xianhua, Zhang shihong(State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)Abstract: To guide and modify the design and operation of small biomass gasifier, the design procedure of an updraftfixed bed gasifier was introduced in detail, and its structure was optimized, then a biomass gasifier was produced. Usingsawdust as raw material, the influence of air flow rate on gasification temperature, product gas composition and lowheating value(LHv) was investigated. The results showed that: air flow rate was the key parameter during the actualoperation process of the gasifier, it directly affected the gasification temperature and operation condition. As air flow rateincreasing, the temperature inside the gasifier rose greatly, the gas production increased sharply, and the combustible gascontent first increased and then decreased. The optimum air flow rate was about 1.9m/, where the Lhv of the productgas got the maximum value of 4.38 MJ/m, the oxidation area had a suitable temperature of 960C, and the gasificationintensity was 57. 8 kg/(mh), it can well meet the requirements of user.中國(guó)煤化工Key words: biomass, gas fuels, design, gasifier, air flow rate, gas compositieHCNMHG