第43卷第8期東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報43(8:43-472012年8月Jourmal of northeast Agricultural UniversityAugust 2012鋸末成型棒的氣化試驗(yàn)研究王麗巖,蔣恩臣1,趙創(chuàng)2,王明峰1(1東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,哈爾濱150030:2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣州510642)摘要:采用下吸式生物質(zhì)氣化爐機(jī)組,以空氣為氣化劑進(jìn)行了鋸末成型棒的氣化試驗(yàn)研究。以氣體熱值和氣化效率作為氣化指標(biāo),考察了當(dāng)量比(ER)、還原區(qū)溫度和原料含水率的影響。結(jié)果表明,在ER為0.27時,氣體熱值達(dá)638MJm-,氣化效率達(dá)7361%,氣化指標(biāo)最妤;還原區(qū)溫度越高氣化灶果越妤,在還原區(qū)溫度為880℃時,氣體熱值達(dá)7.10MJ·m3,氣化效率達(dá)74.60%;當(dāng)原料含水率為605%時,燃?xì)鉄嶂岛蜌饣蔬_(dá)到最大,分別為662MJ·m3和7494%關(guān)鍵詞:鋸末成型棒;當(dāng)量比;還原區(qū)溫度;含水率中圖分類號:V2312文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1005-9369(2012)08-0043-05Research on gasification of sawdust forming rod/wANG Liyan,JIANG Enchen,ZHAOChuang, WANG Mingfeng(1. School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China; 2.Engineering College, SouthChina Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: The gasification experimental of sawdust forming rod was carried on the reactor ofdowndraft biomass gasification unit. Gas heat value and gasification efficiency were evaluated asgasification indexes. The effect of ER, reduction zone temperature and moisture was considered. Thetest results showed that when ER reached 0. 27, gas heat value and gasification efficiency were 6.38MJ. m and 73.62%, and the gas indexes were best. the higher the reduction zone temperature wasthe better the results were When reduction zone temperature reached 880C, gas heat value andgasification efficiency were 6.71 MJ.mand 74.60%. When the moisture reach 6%, the gas heat valueand gasification efficiency achieve the maximum, and they were 6.62 MJ.m and 74.94% respectivelyKey words: sawdust forming rod; ER; reduction zone temperature; moisture氣化技術(shù)是一種高效潔凈的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技究了ER對稻殼旋風(fēng)氣化的影響,確定稻殼旋風(fēng)空術(shù),氣化所產(chǎn)生的燃?xì)鉄嶂导s為5MJ·m3,其利用氣氣化最佳ER為0.25-0.26;李斌等在自制的上率是直接燃燒3~5倍。生物質(zhì)作為氣化原料和煤吸式氣化爐中以木屑為原料,探索了氣化結(jié)渣相比,具有更好的反應(yīng)性、其揮發(fā)成分含量高、形成的原因和機(jī)理,研究表明氧化區(qū)溫度大于HC和OC比高、灰分含量較低,這些性質(zhì)使生物1129℃,氣化爐內(nèi)極易結(jié)渣;陰秀麗等以玉米芯質(zhì)成為氣化的理想原料。我國擁有豐富的生物質(zhì)為原料,在兩段式固定床氣化爐上,以氧氣一水能資源,在大中型沼氣工程、氣化與氣化發(fā)電、蒸氣為氣化劑,研究了ER、氧氣濃度與水蒸氣比生物質(zhì)液體燃料等方面取得多項(xiàng)成果。值對氣化指標(biāo)的影響",結(jié)果表明ER027時H2體許多學(xué)者在生物質(zhì)氣化方面做了較深入的研積分?jǐn)?shù)、CO體積分?jǐn)?shù)和氣化效率達(dá)到最大值;究,孫紹增等以稻殼為原料,空氣為氣化劑,研Dean等在下吸式氣化爐中的試驗(yàn)研究表明,隨著收稿日期:2011-11-24中國煤化工基金項(xiàng)自:公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201003063-06)CNMHG作者簡介:王麗巖(1984-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樯镔|(zhì)氣化。E-mail:qidawangliyan@126.com*通訊作者:蔣恩臣,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能利用。E-mail:ecjiang@scau,edu.cn東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報第43卷氣化反應(yīng)進(jìn)入髙溫區(qū),水蒸氣的重整和焦炭的熱分型棒為原料進(jìn)行氣化的試驗(yàn)研究還鮮有報道,本文解變得容易,更多的C和H2O發(fā)生反應(yīng)生成CO和采用下吸式生物質(zhì)氣化爐機(jī)組,以空氣為氣化劑進(jìn)H2,H濃度升高四;涂德浴等在流化床反應(yīng)器上研行了鋸末成型棒的試驗(yàn)研究,旨在分析ER、還原究了ER對豬糞空氣氣化效果的影響,結(jié)果表明區(qū)溫度和原料含水率對燃?xì)鉄嶂怠饣实戎笜?biāo)ER升高,能提高反應(yīng)器內(nèi)的熱解溫度,有利于氣的影響,為鋸末成型棒氣化應(yīng)用提供參考?；瘹饣?但ER過大,氣體停留時間變短,二次還原反應(yīng)的機(jī)會減少,不利于氣化反應(yīng)。1材料與設(shè)備下吸式氣化爐工作穩(wěn)定性好,氣化系統(tǒng)是微負(fù)1.1材料壓運(yùn)行,可隨時開蓋添料,操作方便、運(yùn)行安全可試驗(yàn)所用原料為鋸末成型棒,直徑在35~靠,可以使原料經(jīng)過干燥后的干餾產(chǎn)物全部通過氧45mm之間,根據(jù)GB/T211-1996、GB/T212-2001化層,產(chǎn)生的大部分焦油可以在高溫下被分解,水和GBT212-200進(jìn)行了鋸末成型棒料的工業(yè)分析分也參加反應(yīng)生成可燃?xì)怏w。目前國內(nèi)外以鋸末成和元素分析,結(jié)果見表1。表1鋸末成型棒的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and elemental analysis of sawdust forming great工業(yè)分析元素分析Proximate analysisElemental analysis低位熱值(MJ·kg")水分(%)固定碳(%)揮發(fā)物(%)灰分(%)C(%)H(%)0(%)N(%)S(%)Water contentFixed carbon Volatile matterAsh content512858142270.2004418.1012儀器設(shè)備其工藝流程是生物質(zhì)物料由螺旋進(jìn)料器1送分析儀器:101-4型電熱鼓風(fēng)干燥箱;長沙友下吸式氣化爐2進(jìn)行氣化反應(yīng),產(chǎn)出氣經(jīng)過旋欣制造的馬弗爐(4kW);長沙友欣氧彈熱量儀;風(fēng)分離器3去除大顆粒灰塵后進(jìn)入噴淋凈化器4進(jìn)運(yùn)用美國 Agilent6820氣相色譜儀對氣體成分及含行清洗去除焦油和細(xì)灰,經(jīng)過旋風(fēng)分離器3和噴量進(jìn)行分析;采用美國PE公司元素分析儀2400Ⅱ淋凈化器4后,揮發(fā)份被冷卻,氣態(tài)焦油成分凝進(jìn)行了鋸末的元素分析。結(jié)變成液態(tài)被清洗掉,實(shí)現(xiàn)了燃?xì)馀c焦油的分試驗(yàn)所用的氣化設(shè)備為下吸式固定床,主要由離,分離的燃?xì)庖来芜M(jìn)入分離器5和過濾器6,去螺旋進(jìn)料器、氣化爐、旋風(fēng)分離器、凈化系統(tǒng)、羅除氣體中攜帶的水滴。ER值通過羅茨風(fēng)機(jī)的回流茨風(fēng)機(jī)和氣柜等部分組成見圖1。閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。儲氣柜1-螺旋進(jìn)料器;2-氣化爐;3-旋風(fēng)分離器;4-噴淋凈化器;5-氣水分離器;6-I-Screw feeder: 2-Gasification furnace: 3-Cyclone separator;; 4-Spraying cleaner: 5-dYHE中國煤化工bowrCNMHG圖1氣化系統(tǒng)Fig 1 Scheme of gasification system第8期王麗巖等:鋸末成型棒的氣化試驗(yàn)研究4513氣化指標(biāo)與氣化原料的總熱量之比。其計(jì)算公式:本文采用燃?xì)獾臀粺嶂岛蜌饣蕿樵u價指標(biāo)n=H×100%氣體燃料的低位熱值是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,其式中,-氣化效率(%);H-原料的低位熱值中可燃物熱值的總和。計(jì)算公式:(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)(kJ·kg");Vn-原料的氣化產(chǎn)氣率Hn=126.36(CO)+107984(H2)+358.18(CH)+(m3·kg")。62909(CH)式中,H-燃?xì)獾牡臀粺嶂?標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)2結(jié)果與分析(kJ·m3);q(CO)-混合氣中CO的體積分?jǐn)?shù)(%);2.1ER對氣體成分及氣化指標(biāo)的影響φ(H2)-混合氣中H的體積分?jǐn)?shù)(%);φ(CH)-混合ER是指單位生物質(zhì)在氣化過程中消耗的空氣氣中CH的體積分?jǐn)?shù)(%);φ(CH)-混合氣中CH4(氧氣)量與完全燃燒所需要的理論空氣(氧氣)量之的體積分?jǐn)?shù)(%)。比,是氣化的主要影響因素。本文通過回流閥調(diào)氣化效率是指氣化生成的氣體燃料的總熱量節(jié)進(jìn)氣量的大小,從而改變ER,結(jié)果見表2表2不同ER下氣體成分和氣化指標(biāo)Table 2 Gas composition and gas index at the different ERER0.240.270.29H2(%11.53lL.7613.67CO(%)氣體成分(%)28941.18147CO2(%)16.11CH4(%)0.160.20氣體熱值(MJm3) Heat value5.165.氣化效率(%) Gasification efficiency68.5872.6773.6269.036625由表2可知,ER對燃?xì)鉄嶂岛蜌怏w成分均有增大到0,27時,進(jìn)氣量加大使氧化反應(yīng)進(jìn)行得更顯著影響。ER在0.21至0.31的試驗(yàn)范圍內(nèi),燃?xì)鈩×?溫度升高,還原區(qū)的兩個吸熱反應(yīng)進(jìn)行的熱值先是隨著ER的增加而增加,當(dāng)ER為027更充分,C與CO2發(fā)生還原反應(yīng)轉(zhuǎn)變成CO,同時,時,燃?xì)鉄嶂颠_(dá)到最大值6.38MJ·m3,之后,隨C與HO發(fā)生水煤氣反應(yīng)生成CO和H2,使CO2含量著ER的增加,燃?xì)鉄嶂挡粩嘞陆?。氣化效率是評降低,CO含量增加。當(dāng)ER大于0.27時,隨著進(jìn)氣價氣化的一項(xiàng)重要指標(biāo),隨ER的增大,氣化效率量的持續(xù)增大,爐內(nèi)氧氣含量增多,雖然有利于先增大后減小,當(dāng)ER為0.27時氣化效率達(dá)到最大氣化反應(yīng)的進(jìn)行,但生物質(zhì)燃燒量增加,導(dǎo)致爐值73.62%。燃?xì)獾某煞种饕蒆2、CO、CH4、內(nèi)溫度升高,CO和過量的氧氣發(fā)生反應(yīng),使CO的CH4和CO2組成,在ER由0.21-0.31變化區(qū)間內(nèi),量減少,CO2含量增加,氣化質(zhì)量下降,氣體熱值H2含量隨著ER的增大而增加,由10.46%增加至降低。ER過大會導(dǎo)致氣體流動速度加快,大量未1367%。這是因?yàn)殡S著ER的增大,空氣氣化劑量經(jīng)反應(yīng)的碳粉顆粒和爐灰?guī)С鰵饣癄t外,不僅造增多,還原區(qū)溫度升高,焦油隨著還原區(qū)溫度升成能源浪費(fèi),也使后續(xù)設(shè)備處理負(fù)擔(dān)加重。高裂解更充分,轉(zhuǎn)化為不冷凝氣體,使H2含量增22還原區(qū)溫度對氣體成分及氣化指標(biāo)的影響加;CH含量在上述ER的變化區(qū)間內(nèi)變化幅度不溫度是氣化反應(yīng)的重要參數(shù),溫度的高低大,因?yàn)榱呀鈱赢a(chǎn)生的CH經(jīng)過氧化區(qū)時,部分被方面影響物料的反應(yīng)速率,同時對一些吸、放熱燃燒,而在還原區(qū)焦油裂解又補(bǔ)充一部分,使得的可逆反應(yīng)也能起到一定的控制作用,從而改變CH波動不大;CH氣體是一種不完全反應(yīng)產(chǎn)物,最終產(chǎn)物的分CH含量隨著ER的增大而略有增加,但增加幅度度對氣化反應(yīng)HH中國煤化工,還原區(qū)溫CNMHG成分和氣化不大;CO與CO2含量處于競爭狀態(tài),當(dāng)ER從021指標(biāo)隨還原區(qū)溫度變化的結(jié)果見表3所示。表3表東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報第43卷明,氣體熱值和氣化效率隨著還原區(qū)溫度的升高均含量有較大的上升幅度;CH和CH主要來自于揮呈上升趨勢,當(dāng)還原區(qū)溫度由600℃增加到880℃過發(fā)分的析出,CH含量在680~760℃之間較大,隨程中,熱值由534MJ·m3增加到710MJ·m3,氣化著溫度的繼續(xù)升高,CH4不再是熱穩(wěn)定狀態(tài),CH效率由582%增加到746%。CO和H2含量隨著還分解成C和H2,此反應(yīng)中碳以炭黑的形式析出;原區(qū)溫度的升高而增加,因?yàn)檫€原區(qū)的溫度升C2H4隨著溫度的升高發(fā)生分解反應(yīng),生成小分子氣高,有利于物料的熱裂解反應(yīng),焦油在400~500℃體,CH和C2H4含量雖然不高,但屬于高熱值組時產(chǎn)量最大,當(dāng)焦油經(jīng)過氧化區(qū)和還原區(qū)時,被分,對氣體的熱值影響較大。燃燒和裂解,還原區(qū)溫度越高,越有利于CO2還原23原料含水率對氣體成分及氣化指標(biāo)的影響為CO和焦油二次裂解,使CO和H2含量升高,當(dāng)原料含水率對氣體成分和氣化指標(biāo)的影響如溫度高于720℃后,H2含量增幅較大,760℃后CO表4所示。表3不同還原區(qū)溫度下氣體成分和氣化指標(biāo)Table 3 Gas composition and gas index at the different reduction zone temperatureT(℃)H2(%)CH4(%)CO2(%)CH(%)氣體熱值(MJm3)氣化效率(%)Heat valueGasification efficiency26.5918480.0958.227.06180l0.1292027589693.7128413.720.1915.1131.7714.180.25880173542.5612.030.26表4不同含水率下氣體成分和氣化指標(biāo)Table 4 Gas composition and gas index at the different moisture含水率(%)H2(%)CO(%)CH4(%)CO2(%)CH4(%)熱值(MJ·m3)氣化效率(%)Gas heat valueGasification efficiency3.9231030.077044l2.0131832.6812.750.096.3473.24l2.6713.156.6231.1214.326.3811.37101510.97823.1617.320.4266.64由表4可知,氣體熱值和氣化效率隨著含水率因?yàn)闊峤鈪^(qū)和氧化區(qū)釋放的熱量用來蒸發(fā)原料中的增加先增大后減小,當(dāng)原料含水率為6.05%時,的水分,導(dǎo)致還原層溫度較低,CO2還原反應(yīng)進(jìn)行燃?xì)鉄嶂岛蜌饣示_(dá)到最大值,分別為662的比較緩慢,焦油裂解不充分,產(chǎn)生的CO和H2含M·m3和7494%。在含水率由392%增加至6.05%量較低,雖然水分增多但溫度較低,不利于水煤時,CO和H2含量逐漸增加,這是因?yàn)楹蔬^低氣反應(yīng)。CH含量隨著原料含水率的增大而增多,時,在干燥階段大部分水分被蒸發(fā),導(dǎo)致在氣化因?yàn)樗衷龆?一定程度上降低了反應(yīng)區(qū)溫度,區(qū)水蒸氣與炭的接觸機(jī)會相對減少,發(fā)生水蒸氣在溫度較低時可以抑制CH分解成C和H2的反應(yīng),與炭、水蒸氣與CO的還原反應(yīng)減弱,產(chǎn)生的可燃故隨著含水率的增加,CH含量呈上升趨勢。CO2氣含量減少,故含水率在一定范圍內(nèi),隨著含水含量隨著含水中國煤化工氣化溫度降率的增加可以促進(jìn)氣化反應(yīng)生成更多的CO和H2;低,使得CO3HHCNMH《煤氣變換反當(dāng)含水率大于720%時,CO和H2含量逐漸減少,應(yīng)使得CO2含量進(jìn)一步升高。CH含量變化不大,第8期王麗巖等:鋸末成型棒的氣化試驗(yàn)研究4總體呈現(xiàn)上升趨勢。條件允許的范圍內(nèi),溫度越高對氣化過程越有利,溫度為880℃時,氣體熱值達(dá)7.10MJ·m3,氣3討論化效率達(dá)7460%。影響氣化爐產(chǎn)氣量和燃?xì)獬煞值囊蛩刂饕獮閏.原料含水率過高或過低,對燃?xì)鉄嶂岛蜌饣疎R、溫度和原料含水率。當(dāng)ER較小時,進(jìn)氣量效率均有較大影響,當(dāng)含水率為605%時,燃?xì)鉄嵘?使得燃燒不充分,氣化爐內(nèi)溫度降低,氧化值和氣化效率達(dá)到最大,分別為662Mm32和反應(yīng)和還原反應(yīng)減弱,產(chǎn)生的可燃?xì)夂繙p少;74.94%。當(dāng)ER過大時,進(jìn)氣量增多,但容易造成過氧燃燒,使得可燃?xì)夂繙p少,熱值和氣化效率均有較大幅度的降低。升溫原理表明:升高溫度反應(yīng)會向著吸熱增強(qiáng)的方向進(jìn)行,因此還原反應(yīng)增「1]袁振宏吳創(chuàng)之馬隆龍等生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)M]北強(qiáng),同時,溫度升高,焦油裂解充分,可以產(chǎn)生京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005更多的可燃?xì)?提高燃?xì)鉄嶂岛蜌饣?。下吸[21劉建禹翟國勛陳榮耀.生物質(zhì)燃料直接燃燒過程特性的分式氣化爐對原料含水率有較高的要求,原料含水析J東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,32(3):290-294率過低,不利于水蒸氣與碳、水蒸氣與CO的還原[31黃英超李文哲張波生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與展望幾東北反應(yīng),氣體含量減少,燃?xì)鉄嶂到档?當(dāng)含水率農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,38(2):270-274過高時,氣化系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定,產(chǎn)氣滯后,甚至4】孫紹增,宿風(fēng)明趙義軍空氣ER對稻殼旋風(fēng)氣化的影響U會出現(xiàn)不能正常運(yùn)行的狀況,原料水分過高,CO2太陽能學(xué)報,2008,29(1):105-108含量明顯升高,燃?xì)鉄嶂岛蜌饣示煌潭?李斌陳漢平楊海平上吸式氣化爐木屑?xì)饣Y(jié)渣特性農(nóng)降低。空氣氣化試驗(yàn)中H含量較低,若要制取富業(yè)工程學(xué)報,2011,27(5:270-275氫燃?xì)?可以考慮以空氣-水蒸氣或者氧氣-水蒸I6]蘇德仁,黃艷琴周肇秋等兩段式固定床富氧水蒸氣氣化實(shí)氣為氣化劑,進(jìn)行氣化試驗(yàn)研究。驗(yàn)研究[燃料化學(xué)學(xué)報,2011,39(8:595-5994結(jié)論[7] Dean S, Kinoshita C. An experimental investigation of hydro-gena.空氣氣化過程中,ER對氣化氣的成分及氣Hydrogen Energy, 1998, 23(8): 641-648.化指標(biāo)均有較大影響,當(dāng)ER為027時,產(chǎn)氣穩(wěn)8涂德浴董紅敏丁為民ER對豬糞空氣氣化效果的影啊農(nóng)定,氣體熱值和氣化效率都達(dá)到最大分別為638業(yè)工程學(xué)報,2009,25(5)167-71.MJ·m3和73.62%。19]涂德浴,董紅敏,丁為民粒徑和啟動溫度對豬糞氣化過程的b.還原區(qū)溫度對氣體成分的影響比較大,溫影響門農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,265:257-262度越高,反應(yīng)越充分,焦油分解成不冷凝氣體的10馬隆龍肖艷京任水志趙勇生物質(zhì)氣化發(fā)電能源工程量越多,CO2還原成CO產(chǎn)率越大。氣體熱值和氣200,2(8:4-6化效率隨著溫度的升高均呈現(xiàn)上升趨勢。在工藝中國煤化工CNMHG