廣西輕工業(yè)2009年7月第7期(總第128期)GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY化工與材料高溫空氣氣化爐的氣化效率探討李敬,鄧元望,劉彧,羊濤,黃志誠(湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,湖南長沙410082)[摘要]根據(jù)高溫空氣氣化爐的物料平衡原理,建立了基于研究高溫生物質(zhì)氣化效率的理論教學(xué)模型, 并根據(jù)高溫生物質(zhì)氣化效率的理論數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算。結(jié)果表明,采用高溫空氣對生物質(zhì)進(jìn)行氣化理論氣化效率可達(dá)33.51%。[關(guān)鍵詞]氣化爐;干燥;裂解;氣化;高溫空氣;生物質(zhì);氣化效率[中圖分類號] TK229.92 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1003 -2673(200907 -21-02 :世界.上生物質(zhì)資源十分豐富,目前全球每年生物質(zhì)產(chǎn)量約等動力裝置的燃料,或用于生活需要。為全球總能耗量的6-10倍左右。據(jù)統(tǒng)計,生物質(zhì)資源潛力可群中氣達(dá)100億噸,僅森林、草原和耕地這三項的產(chǎn)量就達(dá)50億噸千施化風(fēng)網(wǎng)生物質(zhì),相對于20億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。我國可以開發(fā)利用的生物質(zhì)能源有:各種農(nóng)業(yè)廢棄物(秸稈和谷殼等)、薪柴、林業(yè)廢棄物(樹, $6h[葉和枝婭等)、有機(jī)垃圾和人畜糞便等。專家研究指出,我國僅has現(xiàn)有的農(nóng)林廢棄物實(shí)物量就為15億t,約合7.4億t標(biāo)準(zhǔn)煤,可開發(fā)量約為4.6億↑標(biāo)準(zhǔn)煤。然而,生物質(zhì)的利用僅占可用生物UJ質(zhì)資源的1/3%。我國西部地區(qū)國土面積占全國的2/3,生物質(zhì)儲備亦相當(dāng)豐富,占全國儲量的1/3以上,但廣大西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá),生產(chǎn)方式落后,大量生物質(zhì)資源被拋棄、或被野外焚團(tuán)1生物質(zhì)高溫空氣氣化爐工作原理圈燒、或被熱效率低下的爐灶燒掉,這不僅是對生物質(zhì)能源的嚴(yán)重浪費(fèi),更造成了環(huán)境污染。而生物質(zhì)氣化技術(shù)作為生物質(zhì)能2生物質(zhì)高溫氣化計算源利用的重要方式,不僅能高效地利用生物質(zhì)能源,更能很好生物質(zhì)高溫氣化計算主要有實(shí)際數(shù)據(jù)計算法和綜合計算的解決環(huán)境污染問題，正受到廣泛關(guān)注。法等兩種方法"。實(shí)際數(shù)據(jù)計算法是根據(jù)氣化爐的工業(yè)實(shí)驗,通過實(shí)際測定值,求得可燃?xì)怏w的組成,并在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，1生物 質(zhì)高溫氣化系統(tǒng)的組成及工藝流程進(jìn)行全爐的物料平衡計算和能量平衡計算,并確定各項氣化指生物質(zhì)高溫空氣氣化爐工作原理圖如圖1所示。生物質(zhì)高標(biāo)。綜合計算法是在一-定的理論基礎(chǔ)上,結(jié)合應(yīng)用實(shí)際數(shù)據(jù)及溫空氣氣化系統(tǒng)主要由高溫空氣發(fā)生器、卵石床氣化爐、余熱假設(shè)進(jìn)行計算的方法。以下采用綜合計算法對生物質(zhì)高溫空氣回收裝置、氣體凈化及干燥裝置、汽輪機(jī)等動力供應(yīng)裝置及空氣化過程進(jìn)行分析,從而得到其氣化效率。氣壓縮機(jī)等輔助裝置組成?？諝鈮嚎s機(jī)將常溫空氣經(jīng)四通閥壓2.1假設(shè)入高溫空氣發(fā)生器中,與蜂窩陶瓷蓄熱體進(jìn)行熱交換,空氣溫對干燥和裂解過程中的幾點(diǎn)說明及假設(shè)如下:度迅速升溫到1000以上。獲得的高溫空氣分成兩部分, - -小( 1 )由于氣化爐在運(yùn)行過程中需要密閉，因此在干燥及裂部分用于高溫空氣發(fā)生器另-側(cè)燃?xì)獾娜紵Ｆ溆啻蟛糠诌M(jìn)入解過程中產(chǎn)生的水分和揮發(fā)分均留在氣化爐內(nèi),裂解去發(fā)生的卵石床氣化爐。生物質(zhì)與高溫空氣同時進(jìn)入氣化室中,以反應(yīng)如下網(wǎng):0.3-0.5的化學(xué)計量速率氣化，同時亦與水蒸氣發(fā)生重整副反CHyOo +O65Cs+044H2+0.15H.0+0.17C0+0.17C0+0005CH,應(yīng)。氣化所得的燃?xì)饧耙簯B(tài)熔渣夾帶部分未氣化完的碳粒從卵裂解反應(yīng)中產(chǎn)生的其他烴類物質(zhì)很少,在此忽略不計。石間的縫隙中流過,熔渣及碳粒被卵石捕獲,沿卵石表面下滑。(2 )裂解過程中的可燃?xì)怏w在氣化爐內(nèi)均發(fā)生氧化反應(yīng)碳粒得以在足夠長的時間內(nèi)氣化完全，熔渣則滴入下部的集灰生成CO2和HO。器中排出氣化室。高溫燃?xì)馀c熔渣分離后輸出氣化爐進(jìn)人余熱(3)由于高溫低氧的環(huán)境可以大大抑制NO,的生成,使鍋爐1水冷裝置,釋放顯熱,產(chǎn)生100C的水蒸氣,添加到預(yù)熱NO,排量下降到100mg/ m'以下,因此在此選用含氧量11%的前的常溫空氣中。冷卻后的燃?xì)膺M(jìn)入氣體濕式凈化裝置中凈高溫空氣,其NO,的排放量約為40mg/ m'?；?凈化后的清潔燃?xì)庥址殖蓛刹糠?一部分用作高溫空氣發(fā)2.2 各反應(yīng)過程計算生器的燃料,另-部分用作工業(yè)上汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽鍋爐氣化爐的氣化強(qiáng)度因氣化爐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件的不同而不同一般為2100~300Kg/( m*h),在此假設(shè)為150 Kg/(m2h)=[作者簡介]李敬(1986-).女,河北石家莊人,湖南大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)本科生。[基金項目]湖南大學(xué)國家SIT項目資助41.7 g(m2h),稻草的工業(yè)成分如表1所示R。即:表1稻蕈的工業(yè)成分[CO)+(CO]=0.448mol+0.558mol(1)成分水分灰分揮發(fā)分固定碳含星(2 )氫平衡方程:含量/% 4.97 13.86 65.116.06可燃?xì)怏w與未分解的水蒸氣中的氫均來自干燥及裂解區(qū)中產(chǎn)生的水蒸氣因此有:由表1可知:氣化爐每秒單位m2產(chǎn)生的各成分的質(zhì)量及[H]+ [H20]=[ H2O}物質(zhì)的量為:其中,H20]JH2Ob分別代表未分解的H2O和來自干燥及固定碳:41.7x 16.6%=6.7(g)裂解區(qū)中生的水蒸氣的物質(zhì)的量。則:C]= 0.558mol([H}+{H20]=0.9963mol2)水分:41.7 x 4.97%=2.072(g)(3 )氧平衡方程:則:[H20]= 0.115mol參加反應(yīng)的氧是來自高溫空氣和水蒸氣，產(chǎn)物為CO2和其中[C]、[H20]分別代表C、H20的物質(zhì)的量,下同。CO,則:2.3 裂解階段計算[CO3] +([CO] + [H2O]=[H2Ob+ [03]由方程:在生物質(zhì)氣化過程中,氧氣用量通常是理論上生物質(zhì)完CHL2Oo +0.65Ce+0.44H2+0.15H20+0.17C0+0.17CO2+全燃燒所需氧量的20%-40%。假設(shè)采用理論最佳當(dāng)量比為0.005CH。0.28日,則由:計算可得:CH2,Oas+ 1.0502 +CO2+0.7H2O[H] = 0.646mol可知完全燃燒的理論氧氣用量為1.5435mol,因此采用含[H20]= 0.2205 mol氧21%的空氣完全燃燒時所需的理論空氣量為:[C0]= 0.2599molV快=。 1.5435 x22.= 1435x224= 164.64(L) ;[CO]= 0.1911mol即V ra =164.64 x 0.28= 46.10(L)[CH]= 0.0074 mol假設(shè)高溫空氣氣化時也采用46.10L,則含氧量為:因此裂解時的各氣體組成如表2所示。表2裂解后的各氣體組成Vo=46.10x 11% =5.07(L)則:氣體H2CO2 CH,H2O[0]=5.07/22.4 mol =0.226 mol物質(zhì)的量/mol 0.646 0.2599 0.1911 0.004 033552[CO]+CO)+{H20]=0.9963mol+2 x 0.226mo (3)在高溫空氣氣化過程中,高溫干餾是一個邊裂解邊燃燒的(4 )平衡常數(shù)方程:過程,并且溫度很高,其中可燃?xì)怏w發(fā)生分解和燃燒，因此在裂[C0 1[H0 ]K,=-[CO, ][](4)解最后得到的氣體成分如表3所示。表3裂解最后得到的氣體成分其中,[C03]、[C0].[H].[H2O]分別代表CO2、CO、H2未分H2 coCO2解的HO的物質(zhì)的量,單位mol。物質(zhì)的量/mol00 0.44840.9963影響平衡常數(shù)因素較多,主要是溫度、各個反應(yīng)物的初始濃度。在研究的范圍以內(nèi),溫度是最重要的因素。氣化溫度取2.4高溫氣化過程計算1300C ,解平衡常數(shù)K=2.35。在高溫空氣氣化的過程中,氣化階段的反應(yīng)物主要是裂解解由(1)、(2).(3)、(4)組成的方程組得氣化區(qū)生成的各成區(qū)反應(yīng)中產(chǎn)生的固定碳?xì)饣瘎┲械难鯕?、干燥及裂解區(qū)中產(chǎn)分的摩爾量 如表4所示。生的水蒸氣,反應(yīng)后的產(chǎn)物由CO、CO2H2CHN組成。表4氣化區(qū)生成氣體成分(1 )碳平衡方程氣體成分co二CO2一H;H2O_物質(zhì)的量/mol 0855 0.151 0.705 0.2913由上可知進(jìn)入氣化階段的固定碳為0.558mol,還原區(qū)的反標(biāo)狀下體積/ 19.12 3.382 15.792 6525應(yīng)為:C+CO2-+2C0可以計算得氣化劑中其他氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為:H20+C- +C0+HsV= 46.10x 89% =41.092 (L)2H20+C- +CO:+2H2燃?xì)獾捏w積:H20+CO- +CO:+H2Vex =19.152+3.382+15.792+6.525=38.3264(L)氧化區(qū)的反應(yīng)為:所以可燃?xì)怏w中各可燃成分所占百分比如下表5所示。C+02→+CO2表5可燃?xì)怏w中可燃成分氣信成分2C+0r +2CO體積百勿比(9412988由此可知,C-CO2或C-C0,因此有:[CO]+ [CO,HC](下轉(zhuǎn)第24頁)機(jī)械雜質(zhì)容易成為蠟結(jié)晶的核心，使蠟沉積強(qiáng)度增大。要較高的溫度,在石蠟沉積部位較深和對溫度有限制的情況下1.4.5 管壁材質(zhì)的影響有顯著地特點(diǎn)。水基清蠟劑的主要成分是水和石蠟分散劑,水試驗表明,管壁的材質(zhì)和粗糙度對蠟沉積有顯著影響。在中有時還加入甲醇.乙醇、異丙醇、二乙二醇單丁醚、環(huán)乙醇及石蠟結(jié)晶過程中,內(nèi)壁所提供的結(jié)晶核心的多少和結(jié)晶的難易甲基環(huán)乙醇等互溶劑以提高原油和水的互溶作用,也有將對沉程度就不同。管壁的粗糙度越大，越易產(chǎn)生蠟沉積。積石蠟溶解性較好的溶劑油與水和石蠟分散劑混配制成乳液1.4.6結(jié)蠟層厚度與運(yùn)行時間的關(guān)系型水基清蠟劑的。水基清蠟劑清蠟的原理是利用石蠟分散劑對隨著管道運(yùn)行時間的延長,蠟沉積速率逐漸減緩。當(dāng)管道沉積石蠟的軟化、滲透去除作用以及水流的沖刷作用將沉積石輸量比較穩(wěn)定且大于某一范圍時 ,剛清管后蠟沉積層厚度增長蠟從管道表面除掉。其作用效果受使用溫度的影響較大,溫度較快，以后逐漸減慢,最終趨于某- -穩(wěn)定值, 在運(yùn)行參數(shù)上表現(xiàn)愈低效果愈差。為摩阻不再繼續(xù)增大。因為隨著蠟沉積層厚度的增加,油流與除了上述方法外,還有一些其他方法如超聲波清蠟法和微生外界換熱的熱阻增大,蠟沉積層表面溫度上升,與油流的溫差物清蠟法電加熱法、化學(xué)放熱法等等。可根據(jù)具體情況來選擇。減小，使蠟沉積速率減小。3結(jié)論2清蝗( 1 )原油中蠟的沉積物主要由石蠟C16~C3s的正構(gòu)烷烴組2.1熱油處理法成,并且石蠟主要為片狀結(jié)晶,易結(jié)成大塊。給熱油管道的輸將原油加熱到110C以上注人管道中,熱油直接與管壁上送帶來困難。沉積的石蠟接觸使之熔化。這種方法的特點(diǎn)是除蠟效率高,成( 2 )引起管道結(jié)蠟的主要原因是原油與管壁間的溫差。影本較低,但在加熱油品過程中有輕餾分損失并且不安全。晌結(jié)蠟的因素包括原油的油溫、流速、組成等方面。2.2熱水處理法(3)目前作用清蠟的主要方法有熱油處理法、熱水處理其處理原理與熱油處理法相同。熱水處理法的特點(diǎn)是比較法機(jī)械處理法和清蠟劑法。安全,但是水對石蠟和瀝青的溶解和攜帶的能力較小，操作條件控制不好時可能導(dǎo)致從管壁上熔化下來的沉積石蠟發(fā)生再參考文獻(xiàn)沉積。[]楊筱蘅輸油管道設(shè)計與管理[M.山東:中國石油大學(xué)出版社:2006.2.3機(jī)械處理法2潘永梅.長榆管線析蠟特點(diǎn)分析及應(yīng)用D).油氣田地面工程2001.20機(jī)械處理法就是用清管器刮蠟刀、刮蠟鉤將管壁上沉積(6):28-30.閃李露,李藝明,林森原油生產(chǎn)中石蠟沉積廈其控制D.油氣田地面工的石蠟刮掉。但有時會出現(xiàn)清蠟量不夠的情況。程2001.20(3):82-83.2.4清蠟劑法清蠟劑有水基和油基兩種。油基清蠟劑清蠟法的原理是將[{蒲歡,梁光川.集輸油管道中的結(jié)蠟與防蠟[].石油化工腐蝕與防護(hù)，對沉積石蠟具有較強(qiáng)溶解和攜帶能力的溶劑分批或連續(xù)注入2008,25(6):53-55.管道內(nèi)將沉積石蠟溶解并攜帶走。這種方法處理效果好,不需(上接第22頁)3生物質(zhì)高溫氣化效率4結(jié)論則氣化效率η為:對生物質(zhì)高溫空氣氣化進(jìn)行了理論探討,并對生物質(zhì)高溫_QGL(S)氣化各階段的理論計算進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)高溫空氣發(fā)生器產(chǎn)生的預(yù)熱空氣溫度達(dá)到1000C時，以稻草作為氣化的式中,Q為冷氣體熱值,kJ/m';G,為干冷氣體率, m2/kg;生物質(zhì),其系統(tǒng)氣化效率可達(dá)33.51%。Q,為原料熱值,Q= Eq(CC}+4.187 x (3020[C0]+2570(H2)，kJ/kgo單位可燃?xì)怏w的低熱值為:Q;=4.187 x (3020 x[1]邱鐘明,陳勵.生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景D]可再生能源，0.2412+2570 x 0.1988)-5588.66 kJ/m’.2002,(4):16-19.查資料可知稻草的熱值Q,為13977 kJ/m',則氣化效率(2]《謀氣設(shè)計手冊)編寫組煤氣設(shè)計手冊[M.北京中國建筑工業(yè)出版η為:社,1986.[3]馬隆龍吳創(chuàng)之,孫立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京化學(xué)工業(yè)出58866x224x 10 x1.56 x 100%0 3.51%5.版社,2003.13977x41.7gx 10”[4]《化學(xué)工業(yè)設(shè)計手冊>編寫組.化學(xué)工業(yè)設(shè)計手冊[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1985.