稻壳旋风空气气化的机理研究

第29卷第3期太阳能学报Vvol.29, No.32008年3月ACTA ENERCLAE SOLARIS SINICAMur. ,2008文章编号: 0254006(2008)03-03004稻壳旋风空气气化的机理研究孙绍增，宿凤明，赵义军，凌峰(哈尔滨工业大学燃烧工程研究所,哈尔滨10001)摘要: 在稻壳旋风空气气化的试验中,通过对气化反应过程中的各个阶段进行取样分析，跟踪燃气中几种主要成分的生成过程,了解稻壳空气气化的反应机理。通过试验了解到:稻壳旋风空气气化过程中,化学反应没有明确分区氧化反应是个持续过程,随着挥发分的析出便已开始, -直到氧气完全消耗掉温度达到最高;高碳氢化合物(焦油)的裂解反应贯穿整个气化过程;气化燃气中的主要成分(C0、H、CH)是在还原反应阶段产生的。关键词:旋风气化;气化燃气;空气当量比;裂解中團分类号: TQ038.1文献标识码: A其气化所产燃气焦油含量相对较高。0引言本研究采用旋风气化工艺,是为生产低焦油高生物质空气气化技术是生物质热化学转换技术品质的燃气而设计,空气携带稻壳物料和半焦颗粒的一种,一般为使生物质物料中的有机物质以空气在气化器内做旋流流动,同时完成气化反应14-61。为气化载体进行不完全燃烧而产生低热值燃气(3.5旋风气化工艺在遵循生物质气化原理的基础上,具~ 5.5MJ/Nm)"。目前,生物质空气气化主要利用有气固两相混合充分传热传质快、反应过程可控等固定床(上吸式固定床、下吸式固定床)和流化床(循优点78)。同时，由于旋风空气气化过程中,热解产环流化床、鼓泡床)两种气化工艺。-般认为,无论物要经过高温反应区,容易使所产焦油高温裂解,从哪一种工艺,其气化过程都要经历干燥、热解、氧化而达到消除焦油的目的。和还原几个反应阶段23]。不同的气化方式有其不同的技术特点和运行方式,也有各自的优缺点。固1物料(稻壳 )的基本特性定床气化强度小，规模不宜扩大;流化床传热传质剧本实验采用的稻壳取自于黑龙江红兴隆农场，烈、气化强度大,适合大规模气化。但其气化过程自然风干后经过粗略打碎处理,其堆积密度为190中,气化温度不宜太高，容易造成结焦搭桥现象,故kg/m' ,其稻壳的元素分析和工业分析数据如表1。表1稻壳的元素分析与工业分析Tablel Utimate and prorimate analysis of the tested rice husk元素分析/%工业分析1%热值/MJ.kg'[C].[H][0][N]。[S]s[V].FC_38.074.9231.290.400.0559.2711.5013.2414.78机提供的空气混合并被携带切向送入气化器,其整2试验 系统及过程套实验系统如图1。整个试验系统主要包括主体气化器、给风加料气样经过滤、冷凝、除焦油和干燥等处理措施系统、预热及温控系统和取样系统4部分。物料颗后,送到色谱分析仪进行成分分析。对气化器内各粒由调速螺旋给料机送入物料引射器,与空气压缩.个反应阶段分 别取样时，利用热电偶安装孔做为取收稿日期: 200609022基金項目:黑龙江省自然科学基金(1307396)通讯作者:宿风明(190-),男 ,博士研究生,主要研究方向为生物质气化及可再生能源利用。stfengming@eqoc. om3期孙绍增等:稻壳旋风空气气化的机理研究371样孔,拆除相应位置的热电偶,安装取样枪。取样枪真 ,采用等动力取样法,气样取出后迅速冷却。伸人到气化器简体和排气管中间，为保证气样不失41Tr口改101.空气压缩机2.储气罐3.螺旋给料机4.物料引射器5.气化器6.灰斗 7.点火孔8.液化气9.取样孔10.引风机 11.纤维过滤器12.冰水冷却器 13.水分分离瓶14.焦油分离瓶 15.色谱分析仪图1稻壳旋风气化系统图Fig.1 System of air eylone gsificatin of rice husk气化器的启动需要采用电加热器预热,当气化到650C时即可启动气化器运行。约20min后气化器运行后加热器自动停止工作。图2是预热及温控器运行稳定,进行温度记录和气化燃气的取样分析，系统示意图,在主体气化器上沿轴向均匀布置8个每一工况取样3次,取平均数作为分析数据。镍铬-镍硅热电偶,用来监测气化过程中气化器各部在生物质的空气气化中,当量比ER是一个很分的温度,热电偶由上到下分别编为1~8号。所有重要的参数。为了增大中间产物的浓度,减小空气的热电偶信号采用温度巡检仪采集记录。中氮气的影响，本试验采用较小的空气当量比ER=0.23,即空气量为13m'/h,给料量为16.4kg/h。3.2 温度场的分析接触器L空气图3为试验过程中的气化器内温度分布曲线，由图中的温度场曲线可以看出:常温下的空气和物料进入气化器后立即被加热到300C以上，这部分热量主要来自于气化器高温区的辐射热,也有一部电加热器分是由于高速湍流空气流进人气化器时卷吸气化器内的高温烟气形成的对流换热。随着物料和空气在气化器内下移,温度逐渐升高,到达第6测温点时达热电偶到最高值(约1150%)。在气化器底部,气化燃气出1200r1100温控仪澀度巡检仪1000900图2气化器预热及测温系统暂800Fg.2 System of warm-u甲p and thermoecope on gasifer7006003试验结果与分析S5003.1试验过程及试验参数40012345678本试验将稻壳进行粗略打碎处理后作为物料。图3气化器内的温度场曲线试验过程中,首先对气化器进行预热,当预热温度达Fig.3 The curve of temperature feld in gasifer372太阳能学指29卷口的位置温度开始下降,出口温度约1000C。值得度恰恰达到了一氧化碳的着火温度(641~658C)，注意的是,在第2到第3测温点的位置,温升较快，这说明 -氧化碳- -达到着 火温度就迅速和氧气发生说明该处有突然的放热反应发生。反应而被消耗掉;经过第5取样点之后,-氧化碳的3.3产品气主要成分生成过程的分析浓度大幅度增加到约24% ,说明产品气中的一-氧化本试验为了跟踪产品燃气中主要成分的生成过碳主要来源于还原反应阶段。程,从气化器中抽取气样,对-氧化碳.二氧化碳、氢4)从甲烷含量的变化曲线可以看出,在第5取气和甲烷进行含量分析,主要成分的体积含量在气样点之前甲烷的含量很小，几乎检测不到,直到第5化器各个位置的变化如图4。点以后开始增加。由于甲烷的着火温度相对较高从成分含量的跟踪曲线可以看出:(650~ 750C),相对化学活性较弱。这说明在有氧1)氧气量在第5取样点之前逐渐减少,说明氧气存在的环境中,稻壳挥发分还没有充分裂解产生化反应是随着稻壳物料挥发分的析出开始的。从氧甲烷时就已经被氧化燃烧掉。只有经过第5取样点气量减小的幅度来看,在第2和第3取样点之间氧以后，,没有了氧的存在，甲烷方能生成。气量减少较快.这说明在此区间发生了较大部分的5)氢气含量的变化趋势和一氧化碳大体相同，氧化反应。根据气化器在此工况下的温度分布曲线在没有 达到着火点之前,其含量虽然很小,但也路呈可知，此处的温度在450~ 600C之间,表明热解气上升趋势,到达其着火点(第3和第4点之间处)以中已经分离出部分小分子碳氢化合物或氢,因为其后,在第4点取出的气样中检测不到氢气存在,说明化学活性较强,一经产生马上氧化,并放出大量的已被氧化燃烧掉。经过第5到第6取样点氢气浓度热。氧气量在第5取样点之后,浓度迅速减小到约开始增加,氢气-方面由水蒸汽和固定碳或氧化碳0.25% ,并保持不变。这说明气化过程中氧化反应反应生成,如方程式(2)、(3)等。发生在第5取样点之前,其后的反应基本没有单质C+ H20 +CO+ H2- 131.3kJ(2)氧参与。CO+ H20→CO2+ H2 +41.1kJ温度/C另-方面由未完全裂解的高碳氢化合物裂解产423 492 6538131006975875802生。在第6取样点到第7取样点之间,氢气含量基24-本保持不变。说明在该条件下,氢气参与了一些反思16-应,如化学方程式(4)~(6)等,生成甲烷等其它成书12-分。i82C0 + 2H2→CH + CO2 + 247.3kJ(4)CO + 3H2→CH + H20+ 206.1kJ(5)CO2 + 4H2-→CH4 + H20 + 165.0kJ(6)取样点图4产品气主要成分在气化过程中变化曲线4结论Fig.4 Curve of main components in producer1)稻壳的空气气化所产生的燃气主要来自于物gas in gaifeation coure料的挥发分,固定碳参与反应并不多;2)从二氧化碳的含量变化来看,在第3取样点2)挥发分的裂解反应存在于整个气化过程,尤增幅较大,说明有氧化反应发生。二氧化碳的含量其在还原阶段的裂解反应能否充分对气化燃气品质在第5取样点处达到最大值(约22%),以后开始减的影响较大;少,但幅度不大。这说明预期的二氧化碳和固定碳3)生物质气化过程中包含大量复杂的化学反之间的异相反应(式(1))并不多。应,在- -定反应条件下,各个成分之间相互转化。C+ CO2→2C0- 172.4kJ(1)[参考文献] .3)从一氧化碳含量的变化曲线可以看出,在第3取样点之前,一-氧化碳的含量缓慢增加,第3点和[1] 陈冠益， 方梦祥.生物质流化床的试验研究及设计要第4点之间又呈下降趋势,在第3取样点区域的温点[J].浙江热力发电，999,(5);18-23.3期孙绍增等:稻壳旋风空气气化的机理研究373[2] 赖艳华,吕明新.缩口结构对降低生物质两段气化中2001,21: 371- -380.焦油生成量的影响研究[J].太阳能学报，2004, 256] Gabra M, Salman H, Kielstroem B. 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Biomass and Bioenergy,THE STUDY ON MECHANISM OF RICE HUSK AIRGASIFICATION IN CYCLONE GASIFIERSun Shaozeng, Su Fengning, Zhao Yijun, Ling Feng(Reseurch Intiute of Combusion Enginecring, Harbin lusinte of Tochnology, Harbin 1000, China)Abstract:The experimental study was made on air eyclone gasification of nice husk. The main components of the producergas were measured during the gasification process by means of sampling in diferent position in the gasifer, in order tounderstand the gasification mechanism deeply. The results indicated that the oxidation reactions take place when the vola-tile began to release and last until the oxygen was exhausted, indicating that the pyrolysis reactions undengo during thewhole gasification. The main conponents of the producer gas(CO, H and CH4) were formed in the reduction zone.Keywords:cyclone gasification; producer gas; air equivalence ratio; pyrolysis