木屑旋风空气分级气化试验研究

第30卷第8期太阳能学报Vol.30, No.82009年8月ACTA ENERGLAE SOLARIS SINICAAug.,2009文章编号: 02540096(2009)08-1106-05木屑旋风空气分级气化试验研究赵义军，孙绍增，田洪明，凌峰，肖难(哈尔滨工业大学燃烧工程研究所，哈尔滨10001)摘要:基于生物质空气气化机理,结合气流床气化工艺的优点,参考旋风分离器的设计原理,提出了生物质旋风空气分级气化工艺。对不同的位置加人二次风和改变二次风率进行了试验研究。研究结果表明，分级气化能够改善燃气品质。在还原区加入二次风有利于提高燃气热值和气化效率,在氧化区加入二次风有利于减少燃气中焦油的含量。燃气热值、气体产率气化效率和碳转化率随着二次风率的增加而增加。关键词:旋风;分级;气化;生物质中图分类号: TQ038.1文献标识码: A通过一一个锥体连接,如图1所示。进料口布置在气0引言化器的上部,生物质燃料颗粒由气流携带通过进料生物质气化是生物质利用的一种很有前途的方口切向进 人气化器,经过干燥和热解，生物质内部结式。气化器是生物质气化工艺中最核心的设备,目构在吸热的不可逆 条件下发生热分解反应,析出挥前国内生物质气化器的形式以固定床和流化床为发份。热解过程在氧化性气氛中完成,热解反应的主。生物质旋风气化器是气流床气化方式的一种。同时伴随着挥发份的燃烧反应，这样在固体颗粒周英国卡迪夫大学、瑞典吕勒奥大学、美国俄克拉何马围形 成挥发份燃烧火焰的包围状态,部分氧气渗透州立大学等在生物质旋风气化方面做了大量科学研到固体颗粒表面与固定碳反应。氧化反应放出热究。研究表明生物质旋风气化,能通过组织气固两量,为物料的热解、干燥和还原区的吸热反应提供必相旋流空气动力场完成生物质气化过程,同时能有要的热量。同时在高温环境下，热解气中的焦油会效降低燃气中碱金属含量,防止气化器内结渣1-4)。发生二次裂解。进入还原区后,生成的CO2与固定分级送风气化方式是改善气化效果,提高燃气品质的重要手段。中科院广州能源研究所和山东大烟气出口学分别对流化床气化器和固定床气化器采用了分级送风方式,试验结果表明可燃气中焦油含量明显降接触器低,燃气热值显著提高[s.6。←二次风(1)本文基于生物质空气气化机理,结合气流床气一二次风(2)化工艺的优点，参考旋风分离器的设计原理,提出了生物质旋风空气分级气化工艺，得到了该新型气化器分级送风气化的规律,为今后进- -步的研究提供i灰了重要的理论依据。温控仪温度巡检仪1旋风空气气化原理 ，图1旋风空气分级气化器实验 系统图旋风气化器的主体部分包括外旋风简和内旋风Fig.1 The schemaic diagram of the cyclone air staged gasifer筒(也称为中心管、上升管)。外旋风简和灰斗之间收稿日期: 208-01-24基金项目:黑龙江省自然科学基金(1307396)通讯作者:孙绍增(1963- -),男,博士生导师,主要从事煤粉燃烧和生物质能利用方面的研究。umsxhi.edu.o8期赵义军等:木屑旋风空气分级气化试验研究1107碳接触发生反应生成Co,同时伴随着水蒸气与Co、斗则。CO2反应生成CH,焦油发生进-一步裂解、重整等反2试验应,形成含有大量CO、CH、H、C, H.等可燃成分和CO2、N2等不可燃成分组成的混合燃气。2.1原料在完成气化反应的同时，,气化燃气与飞灰自动试验原料为锯木屑,取自哈尔滨兴隆镇林场,表分离，气体经过内旋风简排出,飞灰颗粒落入灰1给出了锯木屑的元素分析和工业分析数据。表1锯木属的工业分析和元素分析Table I Utimate and proximate analysis of wood powder工业分析/%元素分析/%低位热值/MJ+kg"'FCMAa[C] [H][o]a[N]。[S]。15.09 !75.46 .13.809.20.1.5443.016.4239.64 .0.170.022.2系统点和第5测温点之间以及第7测温点和第8测温点试验系统(如图1)主要由主体气化器、供风系之间加入二次风,具体位置如图1所示。通过二次统、给料系统预热及温控系统和取样系统5部分组风送人位置以及二次风率的变化研究二次风对气化成。主体气化器采用耐高温的不锈钢材料加工而器温度场和燃气品质的影响。成,外旋风简内径200mm,高1300mm。试验所需的3.1分级送风位 对气化效果的影响空气由空气压缩机提供,为保证空气气流的稳定性，试验工况选取给料速率为l5kg/h, 总给风量为压缩空气在进入气化器之前先经储气罐稳压。物料13m'/h,空气当量比为0.24,送人的二次风率为23%。颗粒由调速螺旋给料机送入物料混合器,与空气混分别比较- -次送风气化在第4.5测温点之间加入二合进入气化器,给料量由调速电机控制。在尾部烟次风气化在第7.8测温点之间加入二次风气化这3道布置引风机,通过调整引风机人口的阀门开度调个工况下气化器温度分布和气化燃气的品质。为方节气化器内的压力。气化器沿轴向布置8个测温便说明,依次称为工况一、工况二和工况三。点,分别编号1~8,第-一个测温点与进料口在同一3.1.1分级送 风位置对温度场的影响水平高度,每两个测温点间距150mm。采用镍铬~镍图2表示不同位置送风对气化器温度分布的影硅热电偶对气化器内各个反应区的温度进行测量，响。从3条曲线温度变化趋势来看,3个工况都先热电偶信号采用16路温度巡检仪显示记录。试验经历了温度升高的过程,这个温升过程包括物料的预热采用两片5kW的高温陶瓷履带加热器。温控热解区和氧化区,然后进入还原区温度降低。其中仪监测第5点温度,通过接触器与电加热器相连。第4、5测温点处于氧化区,第7、8测温点处于还原当第5点温度达到设定温度时，电加热器自动停止区。因送风方式的不同,气化器最高温度点的位置工作。和温度有所变化。气化器出口安装取样系统”。本试验采用煤气900成分分析仪对燃气中CO、CO2 .CH、H2和02的浓度800进行在线测量。煤气成分分析仪采用非分光红外线吸收原理(NDIR)测量CO、CO2、CH气体的浓度，同600一工况一500时采用电化学原理的02测量模块和热导原理的H士工院三400测量模块,测量02和H的浓度。样气流量为0.7300123456789~ 1.2L/min.测邂点3结果分析图2不同位t送风对气化器温度分布的影响为了研究分级送风对旋风气化器气化效果的影Fig.2 Efecte of the injection locaion响,在保证总空气量不变的情况下,分别在第4测温of secondary air on teamperature profle1108太阳能学报30卷由图2可知随着二次风位置的下移,气化器入口有3. 22% ;由于总风量和给料量不变,3种不同送风温度逐渐升高(工况一人口温度TI为392C,工况二方 式出口燃气中02的含量变化不大,均为0.15%~T为407C,工况三T,为418C)。3个工况的升温0.37%。阶段升温速率略有增加。工况一和工况二的温度最综合比较气体产率、燃气热值和冷气化效率等高点出现在第5测温点,分别为942 879C;工况三的指标,在还原区加入二次风效果最好,热值能达到最高测温点出现在第4测温点,为859C。这是因为5.67MJ/Nm' ,比一次送风气化提高了22 .5% ,同时气随着- -次风率的减少,主体气流的流速降低，氧化反化效率也有了较大的提高。该二次风率下在氧化区应区域相对上移,并且反应强度碱弱。最高温度点的加入二次风对提高燃气热值和气化效率效果不明降低有利于减少碱金属挥发,使得碱金属存留在固体显颗粒中随颗粒分离出来2。在还原区工况一温度降本文对3种工况下气化燃气中焦油含量进行了低趋势最明显，工况二温度降低的幅度相对平缓。这比较。 一次送风时气化燃气中焦油含量为-现象主要是由于在氧化区加入二次风后,二次氧化13.96g/Nm。在氧化区分级送风时气化燃气中焦油反应放出的能量弥补了还原区的吸热反应所需要的含量为3.8g/Nm2,在还原区分级送风时气化燃气中热量。工况三由于在T。上部加入冷空气(二次风)，焦油 含量为5.6g/Nm。由此可见，在氧化区加入二此时气化器下部温度最低,为639C。次风对减少燃气中焦油含量效果更佳。其原因有两3.1.2分级送风位置对燃气品质的影响方面:一方面分级送风使得局部氧量增多,-部分焦在3种不同的送风方式下的燃气品质和气化指油被燃烧;另一方面在氧化区下游区域温度提高,有标如表2所示。从表2中可以看出,工况三气化燃利于焦 油发生二次裂解，从而使气化气中的焦油含气中CO2的百分含量与工况一基本相同,约为量大大降低。18.0% ,略高于工况二;在旋风气化器下部还原区，3.2二次风率对气化效果的影响生物质热解气化产生的焦炭颗粒贴外简壁旋转,二由于在氧化区分级送风对减少焦油含量效果更次风切向加入，碳~氧还原反应明显(见表2中工况好,本文在给料量和总给风量不变的情况下,在氧化三的Co和碳转化率变化)。工况-一和工况二中Co区改变二次风率以研究其对燃气品质的影响，试验含量相同，为17.8%，比工况三少4.2%,工况三的采用的3种二次风率分别为19%、23%和31%。碳转化率比其它两个工况高;工况三得到的H2最3.2.1二次风率对温度 场的影响多,为7.1%,工况一次之,工况二最少;在氧化区加图3是在氧化区加入二次风时,气化器温度随入二次风有利于CH4的生成,CH的含量能达到二次风率的变化规律。随着二次风率的增加,物料6.34% ,在还原区加入二次风不利于CH4的生成,只人口处温度T有小幅升高,从404C升高至420C。表2不同气化方式下燃气组分和气化指标气化区温度最高点T则由892C降低至861C。此后二次风率为19%时还原区温度降低幅度最大,气Table2 The gas compositions andparametersof diferent gasifcation化器最低点温度r,为758C;二次风率为31%时还工况一工况二工况三800CO218.3016.7318.01燃气成分1C17.8017.8022.00。700。19%%,VolH25.304.727.10600t 23%CH44.526.343.22-31%50000.27 0.370.15气体产率/Nm' °kg-'1.391.381.51400燃气热/MJ.Nm~4.63 4.63 5.67012345678冷气化效率/%42.5042.50 56.87测温点碳转化率/%65.50 62.10 81.20焦油含量/g: Nm-313.963.805.60图3二次风率对气化器温度的影响Fig.3 Effects of secondary air ratio on temperature profile8期赵义军等:木屑旋风空气分级气化试验研究1109原区温度降低幅度最小，气化器最低点温度T。为二次风率为23%时,在氧化区加入二次风对提780C。这是由于二次风的加人，燃气发生二次氧化高燃气热值和气化效率效果不明显,但能够有效降反应,二次风率越大,放出的热量越多,还原区降温低燃气中焦油的含量。燃气中焦油含量仅为- -次送幅度越小。风气化的1/4。燃气热值、气体产率、气化效率和碳3.2.2二次风率对燃 气品质的影响转化率随着二次风率的增加而增加。二次风率对锯木屑气化的燃气品质和气化指标[参考文献]的影响如表3所示。由表3可以看出,二次风率为19%和23%时,燃气各成分没有发生明显变化，燃气[1] Syred C, Fick w, Cifths A J, et al. Cyclone gaifer and热值增加比较平缓，但在二次风率为31%时,除C02cyclone combustor for the use of biomass derived gas in theoperation of a small gas turbine in cogeneration plants[J].和02外,其它可燃气体成分都有所增加,特别是CoFuel, 2004,0 83: 2381- -2392.增加幅度较大。这是因为二次风量增加有助于二次2] Gabra Mohamed, Pttreona Esbjom, Backmanb Rainer, et气化反应和碳氧之间的反应”。此时气体产率也有al. Evaluation of cyclone gasifer perfomance for gasification所增加,由此可推断二次风的加入使得部分低温易裂of suger cane reaidue. Part 1: Cesification of bagase[J]. .解的焦油发生裂解生成更多的可燃气体。Bionas and Bicenengy, 2001, 21: 351- -369.表3不同二次风率下燃气组分和气化指标3] Gabra Mohamed, Pttersona Fasbjorm, Backmanb Rainer, etTable 3 The gas compsitinsi and perametersal. Evaluation of cyclone gaifer performance for grifctionof dferent secondary air ratioof sugar cane reidue. Part 2: Gesification of cane trash[J].二次风率/%9233Biomass and Bioenergy, 2001, 21: 371- -380.4] Pail Krushna N, Bower Timothy J, Bllmer Danielle D, et0216.31 16.73 16.68al. Design, development, lesting and evaluation of a labora-C017.10 17.80 20.10燃气成分1H24.474.725.11tory scale cyclone gasifcation system[A]. 2004 ASAE/CSAE%,volH6.166.34 6.73Annual International Meeing Sponsored by ASAE/CSAE[C],0.380.37 0. 10Canada, 2004, 1-8.气体产率/Nm' "kg'1.351.381.51[5] 谢军,吴创之，阴秀丽，等.流化床中二次风对生物燃气热值/MJ. Nm，4.434.635.09质气化的影响[A].2005 年中国生物质能技术与可持冷气化效率/%39.50 42.50 49.20续发展研讨会[C],淄博, 2005,5 107- -113.碳转化率/%58.20 62.10 69.606] 赖艳华，吕明新，马春元，等.两段气化对降低生物质气化过程焦油生成量的影响[J].燃烧科学与技术，4结论2002, 8(5): 478- -481.本文以锯木屑为原料，研究了分级送风对旋风7] Simell Pekka, Sahlberg Pekka, Kurkela Fsa, et al. Provi-sional protocol for the sampling and analysis of ter and partic-气化方式的影响。与一次供风气化相比，在还原区ulates in the gas from lage-scale bioma88 gasifiers ( Version加入二次风，碳~氧还原反应明显,燃气热值达到1998)[J]. Biocenergy, 2000, (18): 19-38. .5.67MJNm',气化效率为56.87%， 碳转化率为[8] 陈平.生物质流化床气化机理与工业应用研究[D].81.20% ,分别比一次送风气化方式提高了22.50%，中国科学技术大学, 2006.14.37%和15.70%。1110太阳能学指30卷EXPERIMENTAL RESEARCH ON AIR STAGEDCYCLONE GASIFICATION OF WOOD POWDERZhao Yijun, Sun Shaozeng, Tian Hongming, Ling Feng, Xiao Nan(Rererch lntiue of Combution Enginering Harbin Insinue of Todnologyr , Harbin 1000, China)Abstract: Based on the mechanism of biomass air gasification and the advantage of entrained-flow bed, a novel air stagedgasification technology w88 developed according to the principle of cyclone design. Effects of the addition positions andthe ratio of secondary air on cyclone air gasification of wood powder were discussed. The results indicated that the air-staged technology could improve the quality of the producer gas, and increase of the heating value of the produced gas andthe cold gas eficiency of the gsifer when the secondary air was injected in the reduction zone. The tar content of theproduced gas decreased distinctly when the secondary air was injected in the oxidization zone. In addition, the heatingvalue of the producer gas, the cold gas efficiency and carbon conversion efficiency would increase with the increasing ofthe secondary air ratio.Keywords: cyelone; air staged; gasifcation; biomass