反烧式固定床生物质气化试验研究*

中国环境学会  2011年 03月31日

  丁杨惠勤,朱跃钊,廖传华,方向,张华,马雷  (南京工业大学机械与动力工程学院 210009)


  摘要:本文主要研究内容为采用自行设计的新型反烧式固定床气化炉,以粒径较大的硬质秸秆类农林废弃物(松树枝)为原料进行热解气化试验,分析气化过程中的重要操作参数空气量对产气组成、气体热值、气化效率的影响。
  关键词:生物质;固定床;气化


  随着世界经济突飞猛进地发展,人类开始面临以煤、石油为主的常规能源短缺和环境污染加剧的双重压力,加强新能源与可再生能源的研究工作显得尤为重要。生物质能是传统化石能源的良好替代之一,有利于缓解人类面临的能源危机以及降低化石能源带来的环境污染,是一种理想的可再生能源[1,2]。对生物质能开发利用的研究是我国可持续发展技术的重要内容之一,被列入我国21 世纪发展议程. 生物质能具有可再生性、低污染性、广泛分布性的特点,如何用好这些富碳清洁的可再生资源是我国能源可持续发展的一个主要方向。
  生物质气化技术就是一种高效的热化学处理技术,它将低品位的生物质转化为高品位的可燃性气体,所得低热值燃气可用于供气、供热、供冷、内燃机发电及作为合成其它化学品的原料。目前,国内外生物质气化主要采用固定床及流化床两种形式。本文研究的一种新型低温反烧式固定床气化炉是对传统固定床气化炉的一种创新。以热解、气化方式实现低质生物质原料的深层次利用,减少矿物燃料的供应量和直接燃用给环境带来的严重污染,对提高农村生活水平、改善生态环境、保障国家能源安全等方面具有重要意义[ 3,4 ] .


  1 实验部分


  1.1 实验原料
    生物质气化都要通过气化炉完成,其反应过程很复杂,燃料基本上要经过氧化、还原、裂解(热解)和干燥四个阶段,氧化和还原反应统称为气化反应,其中主要包括的气化反应见表1所示[5,6]:   
  表1  气化过程中的反应

  反应类型

方程式

反应热△HkJ/mol

序号

氧化反应

 

还原反应

 

 

 

CO2CO2

2CO22CO

CCO22CO

CH2OCOH2

C2H2OCO22H2

COH2OCO2H2

C2H2CH4

408.860

246.447

162.297

118.742

75.186

43.555

87

1

2

3

4

5

6

7

  本试验使用松树枝为气化原料(取自安徽)。它的元素分析和工业分析结果见表2。试样经筛分,选取粒径3mm~20mm、长度10mm~50mm的物料进行自然风干处理,经检测物料的含水量为12%左右。
  表2  松树枝的元素分析和工业分析

  元素分析/%                                 工业分析/%

C      H     O     N    S                    Mo     VM      Ash      FC

52.3    5.8    38.8   0.2   0.0                   6.25     78.95    0.76     14.04





 

  1.2实验装置与流程
  本试验的气化系统包括自制的反烧式固定床气化炉、木炭过滤罐、涡街流量计、离心风机、热电偶、玻璃温度计、U型压力计、智能巡检仪等部分组成,试验流程如图1所示。气化炉炉膛直径500mm,总高度2m,外设水夹套,用于保护炉胆不被损坏,下设有炉排和出炭门。由气化炉出来的燃气通入填充有木炭的炭滤罐进行除尘,除去燃气中的粉尘和部分焦油。气化热燃气不经过冷水洗涤,直接通入燃烧器,与助燃空气一起在燃烧室中燃烧。气化炉上均匀分布有三根K型热电偶,与智能巡检仪相连,用于炉内温度的测定,巡检仪每分钟巡检一次;空气进口流量及燃气出口流量都由涡街流量计测量,压差由U型压差计读取。各仪表的精度在出厂时均经过校正。
   
  1.3 实验方法
  为避免加料操作对气化的影响,采用间歇式气化方法,即每次试验时加料50kg左右,整个气化过程以100min为基准,100min后,认为试验完毕,将气化炉内剩余木炭取出,称其重量。试验开始前,准备好所需的生物质原料,将一次试验所需的生物质全部加入气化炉内,用少量点燃的木炭加入气化炉内点火,通少量的风,防止木炭熄灭,待点燃生物质后,盖上炉盖。加大鼓风量,用阀门控制到试验工况的空气流量值。开始试验后,记录智能巡检仪上每次巡检的气化炉内温度值,同时读取涡街流量计上燃气的瞬时流量和累积流量值,待产气稳定时,由气体采用袋收集样品气体,每30min取1次,试验结果取平均值,对采样气体用气相色谱仪分析气体中H2、CO、CH4、CO2、O2和N2六种主要成分。分析仪器采用GC9890A气相色谱仪,分析方法为:外标法,TCD检测器,13X色谱柱,柱温80℃,载气为He气,载气流速30ml/min,进样量3ml。由气体分析结果计算该工况下的气体低位热值、气化效率。试验工况如表3所示。
  表3 不同工况下的当量比ER

  试验工况

1

2

3

4

5

投料量/kg

V/(m3/h)

ER

52.3

31.4

0.202

52.5

33.9

0.218

55.4

39.9

0.242

55.5

46.5

0.282

51

48.5

0.320

 

  结果与讨论


  2.1 气体产品的分析
  调节气化炉空气量,在不同工况下进行气化试验,所得结果如表4所示。
  表4 不同ER的试验结果

  工况

1

2

3

4

5

ER

 H2/%

CO

CH4

CO2

O2

N2

热燃气量/m3

气体热值/(kJ/Nm3)

气化效率/%

总效率/%

0.202

14.8

12.6

2.99

17.2

0.207

50.1

135.5

4525.4

54.3

86.5

0.218

15.3

13.0

2.60

15.7

0.956

50.6

137.4

4556.3

55.2

85.6

0.242

15.3

13.0

2.67

16.7

0.085

50.6

149.3

4581.4

57.1

84.0

0.282

13.3

12.2

2.53

16.0

1.31

52.9

151.0

4147.9

52.2

74.3

0.320

11.9

10.4

2.43

13.9

3.93

56.4

142.5

3734

48.3

65.8

  由表4可以看出,工况3所得气体成分较为理想,其分析色谱图见图2。
  图3给出了热解气化组成随空气量变化的关系,从图中可以看出,H2和CO含量的变化规律类似,均为开始小幅的上升,之后有所下降。当空气当量比在0.202~0.320之间时,H2的含量在11.9%~15.3%之间,CO含量较之H2要低,在10.4%~13.0%范围内变化。H2与CO的含量在空气当量比ER=0.218~0.242时都达到最大值,分别为15.3%和13.0%。CO2在五个组分中的含量相对最高,ER=0.202时,其值为17.2%,总体变化趋势是减小的。CH4的含量基本不变,维持在2.43%~2.99%的水平。O2含量的变化趋势是迅速增大的,由起初的0.207%增加到3.93%。另外,由表4可知,随着空气量的增大,产气中N2的含量急剧增加,由50.1%上升到56.4%。从生物质气化原理的角度能很好的解释这些现象,对于自热式热解气化炉而言,改变空气量会提高气化区的反应温度,提高气化的强度,同时也会带入大量的惰性气体N2,最后所得的燃气的组成是这两个因素综合影响的结果,气化区温度的提升,对生成H2、CO的还原反应有促进作用,而对CH4的生成不利,过量空气的加入使气化区发生燃烧的可能性变大,CO2有所增加,但图3显示CO2含量是减小的,表明N2对CO2的稀释作用更加突出。
  由图4可知,气化燃气的热值随空气当量比ER显著变化,热值先缓慢的增大到最大值,而后急剧下降为3734kJ/Nm3。ER=0.242时热值最大为4581.4
  kJ/Nm3。由此可知,反烧式固定床热解气化炉所产气体热值4000~5000kJ/Nm3,和其他形式固定床所产气体热值相当,均属低热值气体。
  图5表明了反烧式固定床气化效率与ER的关系,从图中可知,ER=0.242时,气化效率最大,为57.1%,当ER=0.32时,气化效率仅为48.3%。空气量的增加在一定程度上提高了系统的产气率,但对热值的下降作用更为显著。因此,气化效率的变化趋势与热值的变化趋势基本一致。常规固定床气化炉的气化效率一般为70%~75%,相比这些炉型,反烧式固定床气化炉的气化效率低15%~20%左右,这是因为反烧式热解气化炉并未将生物质全部转换成气体产品,它在生产燃气的同时,还能副产10~20%左右的优质木炭。 


  3 结论


  本文对自行设计开发的新型反烧式固定床气化炉进行了气化试验研究,主要考察了气化过程的关键因素空气当量比对生物质气化的影响,试验结果表明空气当量比对新型固定床气化炉的热解气化有显著影响。空气当量比为0.202~0.32范围内变化时,产气中H2体积百分含量为11.9~15.3%、CO含量为10.4~13.0%、CH4含量为2.43~2.99%,且在ER=0.218~0.242处产气质量较理想,此时可燃性组分H2、CO含量均达到最大值;ER=0.242时产气低位热值最高为4581.2kJ/Nm3,气化效率最大为57.1%;相比其它常规固定床气化炉而言综合效率提高了10~15%,表明新型固定床气化炉是一种高效的生物质热化学转化设备。
   
  参考文献:
  [1] 马隆龙,吴创之,孙立. 生物质气化技术及其应用[M]. 北京:化学工业出版社,2003.
  [2] 阴秀丽,吴创之,徐冰燕等. 生物质气化对减少CO2排放的作用[J]. 太阳能学报,2000,21(1):40~44.
  [3] 闫丽珍, 闵庆文, 成升魁. 中国农村生活能源利用与生物质能开发[J] . 资源科学,2005 ,1 :8 – 13.
  [4] 邓立新. 生物质的洁净转化和综合利用[J] . 化学教育,2004 ,2 :10 - 12.
  [5] 袁振宏,吴创之,马隆龙. 生物质能利用原理与技术[M]. 北京:化学工业出版社,2005:1~392.
  [6] 于红梅. 热管式生物质气化炉的试验研究[D]. 南京:南京工业大学,2007.
  
  作者简介:丁杨惠勤,男,硕士研究生,主要从事生物质气化技术研究; E-mail: xianhu86@126.com
  通讯联系人简介:朱跃钊,男,南京工业大学博士生导师,主要从事生物质能、太阳能及风能的开发利用技术研究;E-mail: zyz@njut.edu.cn

 
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