第26卷第1期熱能動(dòng)力程Vol. 26 ,No.12011年1月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERCY AND POWERJan. ,2011t新能源動(dòng)力技術(shù)}文章編號:1001 -20201)01 -0105 -05下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究金亮,周勁松,吳遠(yuǎn)謀,駱仲泱(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310027)摘要:生物質(zhì)固定床氣化技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、可提供清潔1實(shí)驗(yàn)裝置及測量能源等優(yōu)點(diǎn),但也存在氣化效率差,燃?xì)鉄嶂档偷膯栴}。以采用爐膛集中供風(fēng)技術(shù)和還原區(qū)熱量包裹技術(shù)的下吸式氣1.1實(shí)驗(yàn)裝置化爐為研究對象,研究爐膛溫度、空氣當(dāng)量比(ER)對燃?xì)獬蓪?shí)驗(yàn)以空氣為氣化劑，由鼓風(fēng)機(jī)鼓入,引風(fēng)機(jī)帶分、燃?xì)鉄嶂?、氣化效率等氣化性能的影?并與以往研究結(jié)動(dòng)提供動(dòng)力。氣化爐結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1和圖2果進(jìn)行對比分析。實(shí)驗(yàn)表明,該氣化爐能保證在較低ER內(nèi)所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括氣化爐、燃?xì)鈨艋到y(tǒng)、溫度測(0.1~0.35),獲得較高的爐膛溫度和還原區(qū)溫度,產(chǎn)出的量系統(tǒng)及燃?xì)獠蓸訖z測系統(tǒng)。燃?xì)鉄嶂翟?.5 MJ/m'以上，氣化效率達(dá)到65%,平均氣化效率在55%以上，氣化性能較為理想。原料入口燃?xì)獬隹陉P(guān)鍵詞:生物質(zhì)氣化;下吸式氣化爐;還原區(qū)溫度;空氣當(dāng)量比中圖分類號:TK6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A干燥引言區(qū)擋板集中供風(fēng)口在生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中,生物質(zhì)氣化技術(shù)氣化劑入口具有能量轉(zhuǎn)換效率高、操作簡便、氣化合成氣可進(jìn)一氧化區(qū)步液化等特點(diǎn),成為生物質(zhì)能利用的可行途徑。生物質(zhì)氣化技術(shù)按爐型分可分為固定床、氣流床及流還鱖區(qū)祖燃?xì)獬隹诨驳葞追N。下吸式氣化爐屬于固定床中的一種,該氣化爐具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定性好、出口燃?xì)饨钩覅^(qū)排污出口油濃度少等優(yōu)點(diǎn)" ,在農(nóng)村集中供氣及小型生物質(zhì)除灰口發(fā)電技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，但該爐型也存在氣化效率及燃?xì)鉄嶂灯偷葐栴}。圖1下吸式氣化爐 結(jié)構(gòu)本研究以具有爐膛集中供風(fēng)技術(shù)和還原區(qū)熱量包裹技術(shù)特點(diǎn)的下吸式氣化爐為研究對象,采用木氣化爐有效高度1000mm,喉部截面直徑250屑為原料,通過實(shí)驗(yàn)分析反應(yīng)溫度、空氣當(dāng)量比nm。原料從氣化爐頂供入,空氣通過外接鼓風(fēng)機(jī)由(ER)對燃?xì)鉄嶂等細(xì)獬煞趾蜌饣实挠绊?從集中供風(fēng)口進(jìn)入氧化區(qū)與原料發(fā)生氧化反應(yīng),粗燃而得到該氣化爐的氣化性能。氣經(jīng)過擋板初級過濾,從氣化爐燃?xì)獬隹谂懦?。高溫燃?xì)饨?jīng)過擋板的阻隔,一方面利于熱量傳遞至千收稿日期:2010-02 -25;慘訂 日期:2010-04 -07基金項(xiàng)目:浙江省科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(200801001-2)作者簡介:金亮(1985 -).男.浙江嘉興人，浙江大學(xué)碩士研究生.●106.熱能動(dòng)力工程2011年燥區(qū)加強(qiáng)原料干燥,另-方面部分水 氣、灰分等雜質(zhì)排污 口以悶蓋封閉,停爐時(shí)打開,清除積聚的污水。經(jīng)阻隔從燃?xì)庵蟹蛛x,達(dá)到初級過濾作用。運(yùn)行時(shí)P-溫度顯示器000中-”風(fēng)機(jī)切換閥中-8風(fēng)量計(jì)氣體流量計(jì). 氣相色譜儀機(jī)L●追來水連中中自來水出圖2下吸式氣化爐 氣化系統(tǒng)流程氣化爐型設(shè)計(jì)有3個(gè)特點(diǎn):(1)從干燥區(qū)至氧的平均溫度 ,同一截面采集16個(gè)測點(diǎn),如圖3所示，化區(qū)采用口徑漸縮的錐形設(shè)計(jì)。由于傾角在7 ~各點(diǎn)處于各截面的中點(diǎn)，每15 min記錄1次熱電偶10°之間適合原料自動(dòng)下料[2),故此氣化爐傾角為溫度值。9*;(2)還原區(qū)為“兩頭小、中間大構(gòu)型,利于將熱1.3 燃?xì)獬煞址治隽俊鞍?于還原區(qū)中部，防止出現(xiàn)“還原死角",以燃?xì)獬煞植捎帽狈秩鹄治鰞x器有限公司產(chǎn)的提高氣化效率及焦油二次裂解效率;(3)氧化區(qū)采SP3420A型氣相色譜儀分析。根據(jù)已知可燃?xì)怏w的用集中供風(fēng)技術(shù)物料在氧化區(qū)能集中燃燒創(chuàng)造還熱值 及相應(yīng)的濃度,得到燃?xì)鉄嶂怠楸ＷC結(jié)果可原區(qū)高溫、缺氧環(huán)境,利于氣化?？啃?每20 min測量一次,一個(gè)工況下的燃?xì)鉄嶂禋饣癄t產(chǎn)出的燃?xì)馔ǔ：谢曳?、水分、焦油等為各采樣的平均值。雜質(zhì)，系統(tǒng)采用濕式噴淋和干式凈化兩級過濾裝置1.4氣化效率計(jì)算過濾燃?xì)?過濾后絕大部分雜質(zhì)被除去,凈化后的燃?xì)饣师嵌x為生物質(zhì)燃?xì)廨敵鰺崃縌和氣能滿足實(shí)驗(yàn)要求。生物質(zhì)原料輸人熱量Q。之比,計(jì)算式為:1.2溫度測量tη=q。-x 100% =V.xOm x 100%0(1)G。xQx.m '式中:η-氣化效率,%;Qi- -燃?xì)獾妮敵瞿芰?KJ;910Qo一原料輸人能量,k;Q.-燃?xì)獾臀话l(fā)熱量,kJ/m' ;G,- _原料重量, kg;Qw.m- -原料低位發(fā)熱量,01| 0268.,03 |ik]/m';V-燃?xì)猱a(chǎn)量,是產(chǎn)氣時(shí)間i與燃?xì)饬髁縬07-的乘積,m'。is,0605i22實(shí)驗(yàn)方案i4由于爐內(nèi)反應(yīng)溫度與空氣當(dāng)量比(ER)對氣化爐氣化性能有重要影響,所以實(shí)驗(yàn)主要研究還原區(qū)圍3溫度測點(diǎn)截面示意圖溫度及ER變化對燃?xì)鉄嶂怠饣实挠绊?。?shí)驗(yàn)在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、20 C環(huán)境下進(jìn)行。爐內(nèi)布有6根長度可調(diào)熱電偶，測量爐膛不同2.1實(shí)驗(yàn) 原料高度及同- -截面不同徑向的溫度。另取- -根熱電偶實(shí)驗(yàn)以木材加工廠的廢料木屑為原料,木屑平從爐口插人,用以測量燃燒區(qū)及下部還原區(qū)同一截均長度小于5 mm,工業(yè)分析和元素分析如表1面不同點(diǎn)溫度,經(jīng)面積平均后的測量結(jié)果作為截面所示。第1期金亮,等:下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究.107●囊1木屬工業(yè)分析與元素分析CH +2H20(g) =CO2 +4H2 -165 kJ(5)C+H,O(g)=CO +H2-131 kJ(6)工業(yè)分析/%元素分析/%C+CO2 =2C0-172 kJ(7)MuAnV_FCuCuHuNu Su O。1Ulg~式(2)和式(3)屬于放熱反應(yīng),式(4) ~式(7)11.95 0.85 67.84 14.36 43.69 6.42 0.0732.02 14987屬于吸熱反應(yīng)。Le chatelier的升溫原理表明[”] ,當(dāng)溫度升高時(shí),2.2反應(yīng)溫度影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)反應(yīng)會(huì)朝著吸熱增強(qiáng)的方向進(jìn)行。在生物質(zhì)氣化過反應(yīng)溫度是影響氣化反應(yīng)的重要因素之一-,氣程中,隨溫度上升,反應(yīng)式(4) ~式(7)會(huì)加強(qiáng),反應(yīng)化隨反應(yīng)溫度的升高呈現(xiàn)4個(gè)階段|-):(1) 150式(2)和式(3)會(huì)減弱,故氣化產(chǎn)氫會(huì)隨著溫度上升C左右為生物質(zhì)原料中水分的揮發(fā)階段;(2) 170 ~而加強(qiáng)。Tum等人認(rèn)為國],隨著反應(yīng)進(jìn)人高溫區(qū)，370C為來自于纖維素及半纖維素輕質(zhì)揮發(fā)分析出焦炭的熱力分解和水蒸氣的重整變得更為容易,更階段;(3) 400 ~700 C為重質(zhì)揮發(fā)分從生物質(zhì)表面多的C和H20以反應(yīng)式(6)的形式進(jìn)行，H2濃度析出、木質(zhì)素開始?xì)饣A段;(4) 800 C以上為半焦升高。同時(shí),雖然溫度升高反應(yīng)式(2)受到抑制,但發(fā)生分解反應(yīng)階段。由于反應(yīng)式(4)、式(6)和式(7)的增強(qiáng)以及多碳?xì)鉁囟茸兓蔁犭娕急O(jiān)測,實(shí)驗(yàn)中將ER維持在體的高溫分解,故CO濃度在650 C后依然有較明0.17左右。待燃?xì)猱a(chǎn)出后,通過測量不同還原區(qū)溫顯的上升。度的燃?xì)鉄嶂导叭細(xì)獬煞?得到燃?xì)馓匦缘淖兓］^低溫度(< 600 C),燃?xì)庵蠧H4和C.H.主一個(gè)工況需連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行6 h以上,并重復(fù)3次。要來自于揮發(fā)分的析出,高溫(> 650 C)下CH4和2.3 ER 影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)C,H.會(huì)發(fā)生裂解反應(yīng)生成小分子燃?xì)?。CH4 的濃ER為生物質(zhì)氣化實(shí)際供給的空氣量與生物質(zhì)度在600 ~ 700 C之間達(dá)到最大,為4.68% ;700 C完全燃燒理論所需的空氣量之比']。通過元素分以后,氣化溫度達(dá)到較高水平CH分解,濃度逐步析可計(jì)算出木屑完全燃燒需要的空氣量。調(diào)節(jié)氣化下降。C,H_濃度在310 C達(dá)到最大濃度1.31%，爐運(yùn)行待工況穩(wěn)定后,還原區(qū)溫度基本不變,通過控隨著溫度上升,C.H.發(fā)生熱分解,C.H_濃度逐步制一段時(shí)間內(nèi)氣化劑流量及原料加人量，保證氣化降低。爐在一定ER下運(yùn)行,在該時(shí)間段內(nèi)每15 min測量一次燃?xì)鉄嶂岛腿細(xì)獬煞?、并記錄燃?xì)猱a(chǎn)量,測量時(shí)間- -般在1.5h以上,同一工況重復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行3次，取平均數(shù)據(jù)作為測量結(jié)果。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論3.1反應(yīng)溫度對氣化特 性的影響圖4為燃?xì)怏w積濃度隨還原區(qū)溫度的變化曲00 4000500600700800900還原區(qū)溫度/C線,在310 ~ 870 C范圍內(nèi),隨著溫度的升高.N2和CO2在燃?xì)庵械臐舛冉档?分別從59%和14.5%降團(tuán)4燃?xì)怏w積濃度隨還原區(qū)溫度的變化為47%和8.1% ;C0和H2濃度升高,尤其在650 C以后上升明顯,分別從初始濃度的16.1%和8.4%由于實(shí)驗(yàn)采用空氣作為氣化劑，所以燃?xì)鈱儆谏仙秊?1.7%和18. 9% ;CH,濃度先上升后降低，低熱值氣體|°。圖5為燃?xì)鉄嶂惦S還原區(qū)溫度的變C,H.(包括C,H.、C2H。、C,H、C,Hg)在較低濃度下化曲線,隨著溫度上升,燃?xì)鉄嶂党噬仙厔?。由于濃度隨著溫度的上升而降低。在650 C之前,CH,、C.H.比高溫( > 650 C)時(shí)多，生物質(zhì)氣化主要發(fā)生6步反應(yīng)'°]:2C +02 =2C0 +246 kJ(2)雖然濃度不高.但由于熱值較高,所以總體熱值升C+O2 =CO2 +409 kJ(3)高;650 C后,由于高溫氣化條件使COo和H2的濃CH, + HO(g) =CO +3H2 -206 kJ(4)度升高,燃?xì)鉄嶂道^續(xù)升高。熱能動(dòng)力工程2011年0.4范圍內(nèi)(通常為0.25) ,能獲得較為理想的氣化6500效果1-1)。但本實(shí)驗(yàn)中, ER在0.16左右時(shí),燃?xì)?000 t成分較理想(17.0% H2、4. 1% CH4、20. 1% C0、1.。550%C,H、12.6%CO2.45. 2% N2) ,這是由于實(shí)驗(yàn)中氣化爐采用了利于氣化的特殊構(gòu)造:-方面,采用了4500氧化區(qū)集中供風(fēng)技術(shù),可以保證進(jìn)人爐內(nèi)的氧氣能4000在氧化區(qū)充分燃燒,對提高氧化區(qū)溫度有積極作用;500另一方面，還原區(qū)采用“包裹”型設(shè)計(jì),能有效減少300 400 500600700800900從氧化區(qū)傳遞至還原區(qū)的熱損失,提高還原區(qū)氣化還原區(qū)溫度/心強(qiáng)度。因此，雖然處于較低的空氣當(dāng)量比,但依然能保證較高的反應(yīng)溫度及氣化強(qiáng)度,從而保證了氣化圖5熱值隨還原區(qū)溫度的變化反應(yīng)的深度。ER對燃?xì)鉄嶂档挠绊懭鐖D7所示。由圖可知，3.2 ER對氣化特性的影響圖6中,在0.1 ~0.5范圍內(nèi),隨著ER的提高,ER在0.1 ~0. 17范圍內(nèi)時(shí),熱值變化不大約為6. 5可燃?xì)怏w的體積濃度呈下降趨勢,N,、CO2濃度明顯MJ/m' ;在ER大于0.17時(shí)，熱值隨ER的提高明顯提高,尤其是N2從46%.上升為59%,ER在0.1 ~下降;ER為0.5時(shí),熱值降低至4 MJ/m'。當(dāng)ER較小的時(shí)候，爐內(nèi)是缺氧環(huán)境,物料層(尤其是還原0.16的范圍內(nèi)時(shí)，H2濃度明顯上升。區(qū))甚至是無氧的，此時(shí)主要是揮發(fā)分的析出,析出的多碳類物質(zhì)對熱值提升有重要貢獻(xiàn)。同時(shí),燃?xì)?中氮濃度較少,可燃?xì)獬煞州^多，熱值較高。ER較大時(shí),爐中的物料多半發(fā)生燃燒反應(yīng), N2濃度升高的同時(shí),產(chǎn)生了過多的CO2,破壞了氣化氛圍,影響了燃?xì)馄焚|(zhì)。100.0.20.3 0.4R5500圖6燃?xì)怏w積濃度隨ER的變化5000毅4000可燃?xì)怏w濃度隨ER增大而降低,有兩方面的3500原因:第一,ER增大，鼓人爐中的空氣增多,在維持3000燃?xì)饬髁坎蛔兊那闆r下,N2在燃?xì)庵斜戎卦黾?，?.30.40.5時(shí),更多的02通過燃燒以CO2的形式存在于燃?xì)庵?使可燃?xì)怏w的濃度進(jìn)一步降低;第二,ER 增加擴(kuò)圖7燃?xì)鉄嶂惦SER的變化大了爐中氧化燃燒區(qū)域,還原區(qū)域變小，單位時(shí)間內(nèi)的氣化強(qiáng)度降低,可燃?xì)怏w產(chǎn)出變?nèi)?。在原料給入量- -定的情況下,氣化效率主要受ER在0.1 ~0.16范圍內(nèi),H2濃度出現(xiàn)了明顯燃?xì)猱a(chǎn)量和燃?xì)鉄嶂档挠绊?。?般而言,燃?xì)猱a(chǎn)量的上升,原因在于較低ER(- -般認(rèn)為小于0.4)10]隨著ER的增加而增大。而熱值與ER基本呈負(fù)相下,不完全燃燒的氣化反應(yīng)占據(jù)著主導(dǎo)地位,此時(shí)關(guān)特性,因此，氣化效率隨ER的變化存在一個(gè)ER的提高有利于爐內(nèi)氧化區(qū)溫度的上升,對氣化反峰值。應(yīng)的深度進(jìn)行是有利的,尤其在溫度達(dá)到700C以氣化效率隨空氣當(dāng)量比的變化曲線如圖8所上時(shí)，反應(yīng)式(6)占主導(dǎo)地位,水蒸氣氣化促進(jìn)了H2示,氣化效率隨著ER的提高先增大后降低,當(dāng)ER在0.3時(shí),氣化效率達(dá)到最大,為65%。ER在0.1濃度的升高。已有研究認(rèn)為空氣氣化中,控制ER在0.2~~0.3時(shí),燃?xì)饬康脑黾蛹拜^高的燃?xì)鉄嶂凳箽饣?期金亮,等:下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能研究●109●效率升高;ER大于0.3時(shí)，雖然燃?xì)饬亢艽?但爐內(nèi)性能呈現(xiàn)最佳狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中氣化爐采用集中供風(fēng)技?xì)饣諊黄茐?，燃?xì)庵写嬖诖罅縉2和CO2,所以術(shù)和還原區(qū)熱量包裹技術(shù)后,使氧化區(qū)獲得較高溫氣化效率開始下降。總體而言,ER在0.1~0.35之度,還原區(qū)熱損失降低,從而能在較低空氣量供人的間時(shí),氣化效率均在55%以上,表明該氣化爐對不情況下提高氣化效率及燃?xì)鉄嶂?。ER在0.1 ~0.同工況具有良好的適應(yīng)性,氣化特性處于較高水平。35范圍內(nèi),燃?xì)鉄嶂翟?.0 MJ/m'以上,最高達(dá)到6.5MJ/m',氣化效率在55%以上,均達(dá)到了較高水平。s0參考文獻(xiàn):5[1]陳冠益,高文學(xué) ,顏蓓蓓,等.生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展50[J].煤氣與熱力,2006, 26(7):20 -26.s5[2]段玉燕 戶用型生物質(zhì)氣化爐的開發(fā)與試驗(yàn)研究[D].杭州:浙江大學(xué)2008.0.10.30.5[3] IOANIDOU 0,ZABANIOTOU A. lnveriging the potential forenergy, fuel, materials and chemicals production from com reai-dues (cobe and saiks) by non-atalytie and canalytic prolysis in圖8氣化效率隨 ER的變化two reactor configurations [J]. Renewable and Sustainable EnengyReriews,2009,13(4):750 -762.[4] FANG M X,SHEN D K,U Y X,et al. Kinetic sudy on prolysis4結(jié)論and combustion of wood under dfferent orxygen concentrations byusing TC-FTIR analyais [J]. Joumal of Analytial and Applied Py-ys2006,77(1); 22-27. .對采用集中供風(fēng)技術(shù)和還原區(qū)熱量包裹技術(shù)的[5]朱錫鋒. 生物質(zhì)熱解原理與技術(shù)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大下吸式生物質(zhì)氣化爐氣化性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,表學(xué)出版社:,2006.明該氣化爐的氣化效率與產(chǎn)氣熱值均較高,同時(shí),相[6] LV P M,XIONG z H. An experimental study on biomas air-sem比以往氣化爐,在氣化性能上又有所不同,具體表gasification in a fuidized bed [J]. Bioreoure Technology ,2004,95(1): 95 - 101.現(xiàn)為:7] KREBS E,SILVI B,RAYBAUD P. Mixed sieie and promder egre(1)還原區(qū)溫度在300 ~700 C之間時(shí),生物質(zhì)gation;a DFT study of the manifestation of Le Chateliert principle原料主要發(fā)生揮發(fā)分析出,析出的燃?xì)庵饕獮镠2、for the Co (Ni) MaS active phase in reaction conditions[J]. Ca-CO、CH、C.H.等物質(zhì);700 C以上時(shí),半焦與水蒸talysis Today ,2008,130(1):160- 169.氣發(fā)生氣化反應(yīng),H2濃度明顯上升,從11%變?yōu)閇8] TURN s, KINOSHITA C. An experimental invstigtion d hydro-gen production from biomass gasification [J]. Intermational Joumal18%;由于高溫裂解C,H.的濃度從1. 3%降低到of Hydrogen Energy, 1998, 23(8): 641 -648.0.9%;C0濃度隨溫度變化不大,穩(wěn)定在20%左右。[9]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].(2)高溫為爐內(nèi)提供氣化所需要的熱量和溫度北京:化學(xué)工業(yè)出版杜,2004.環(huán)境,產(chǎn)生的H2和CO成為熱值貢獻(xiàn)的最主要因[10] ERGUDENLER E, CHALY A E. Quality of ga produced from素,還原區(qū)溫度在900 C以上時(shí),熱值在6.5 MJ/m'wheat strew in a dual disributor trpe fuidzed bed gaifir [J].Biomass Bioenery,1992 .3(2) :419 -430.以上。[11] JANG H, MOREY R V. Airgeification of corncobe旺fluid-(3) ER是影響氣化特性的最重要的因素。隨ization [J]. Biomass Bioenergy ,1992 ,3(2) :87 -92.著ER的提高,除了H2濃度在初始階段有上升外，[12] KURKELA E,STAHLBERG P. Air gifcatio of peat, wood and其余可燃?xì)怏w濃度均呈現(xiàn)下降趨勢;ER超過0.16brown coald in presourised fluidized bod reactor [J]. Fuel Proceas后,燃?xì)鉄嶂迪陆?由于受到燃?xì)鉄嶂岛腿細(xì)猱a(chǎn)量的Technology,1992, 31(1):1-21.[13] RENSFELT E, EKSTROM C. Fuel gas from municipel waste in助雙重影響，氣化效率先上升后降低,當(dāng)ER為0.3integrted eirculating fluidized bed / gas cleaning proceses [J].時(shí),氣化效率達(dá)到最高，為65%。Energy Biomass Waste ,1989 ,12(4) :811 -906.(4)以往研究表明,ER在0.2 ~0.4之間,氣化