锯末成型棒的气化试验研究

第43卷第8期东北农业大学学报43(8):43-472012年8月Joumal of Northeast Agricultural UniversityAugust 2012锯末成型棒的气化试验研究王丽岩'，蒋恩臣"，赵创”，王明峰'(1.东北农业大学工程学院，哈尔滨150030; 2. 华南农业大学工程学院，广州510642 )摘要:采用下吸式生物质气化炉机组，以空气为气化剂进行了锯末成型棒的气化试验研究。以气体热值和气化效率作为气化指标，考察了当量比(ER)、还原区温度和原料含水率的影响。结果表明，在ER为0.27时，气体热值达6.38 MJ-m*',气化效率达73.62%， 气化指标最好;还原区温度越高气化效果越好，在还原区温度为880C时，气体热值达7.10 MJ.m",气化效率达74.60%;当原料含水率为6.05%时，燃气热值和气化效率达到最大，分别为6.62MJ.m’和74.94%。关键词:锯末成型棒;当量比;还原区温度;含水率中图分类号: V231.2文献标志码: A文章编号: 1005-9369(2012)08-0043-05Research on gasification of sawdust forming rod/WANG Liyan', JIANG Enchen', ZHAOChuang', WANG Mingfeng'(1. School of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China; 2. Engineering College, SouthChina Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: The gasification experimental of sawdust forming rod was carried on the reactor ofdowndraft biomass gasification unit. Gas heat value and gasification efficiency were evaluated asgasification indexes. The effect of ER, reduction zone temperature and moisture was considered. Thetest results showed that when ER reached 0.27, gas heat value and gasification eficiency were 6.38MJ. m3 and 73.62%, and the gas indexes were best. The higher the reduction zone temperature was,the better the results were. When reduction zone temperature reached 880 C, gas heat value andgasification eficiency were 6.71 MJ.m° and 74.60%. When the moisture reach 6%, the gas heat valueand gasification fficiency achieve the maximum, and they were 6.62 MJ.ms and 74.94% respectively.Key words: sawdust forming rod; ER; reduction zone temperature; moisture气化技术是-种高效洁净的生物质能转换技究了ER对稻壳旋风气化的影响，确定稻壳旋风空术，气化所产生的燃气热值约为5 MJ.m*,其利用气气化最佳ER为0.25~0.26*;李斌等在自制的上率是直接燃烧3~5倍"。生物质作为气化原料和煤吸式气化炉中以木屑为原料，探索了气化结渣相比，具有更好的反应性、其挥发成分含量高、形成的原因和机理，研究表明氧化区温度大于H/C和0/C比高、灰分含量较低，这些性质使生物1 129 C,气化炉内极易结渣";阴秀丽等以玉米芯质成为气化的理想原料”。我国拥有丰富的生物质为原料， 在两段式固定床气化炉上，以氧气- -水能资源，在大中型沼气工程、气化与气化发电、蒸气为气化剂， 研究了ER、氧气浓度与水蒸气比生物质液体燃料等方面取得多项成果"。值对气化指标的影响响，结果表明ER 0.27时H2体许多学者在生物质气化方面做了较深人的研积分数、CO体积分数和气化效率达到最大值;究，孙绍增等以稻壳为原料，空气为气化剂，研Dean 等在下吸式气化炉中的试验研究表明，随着收稿日期: 2011-11-24 .基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201003063 -06)作者简介:王丽岩(1984-)， 男，硕士研究生，研究方向为生物质气化。E- mail: qidawangliyan@ 126. com*通讯作者:蒋恩臣，教授，博士生导师，研究方向为生物质能利用。E -mail: ecjiang@scau. edu. cn44●东北农业大学学报第43卷气化反应进入高温区，水蒸气的重整和焦炭的热分型棒 为原料进行气化的试验研究还鲜有报道，本文解变得容易，更多的C和H2O发生反应生成CO和采用 下吸式生物质气化炉机组，以空气为气化剂进H2，H2浓度升高";涂德浴等在流化床反应器上研行了锯末成型棒的试验研究，旨在分析ER、还原究了ER对猪粪空气气化效果的影响18-9,结果表明区温度和原料含水率对燃气热值、气化效率等指标ER升高，能提高反应器内的热解温度,有利于气的影响，为锯末成型棒气化应用提供参考。化气化，但ER过大，气体停留时间变短，二次还1材料与设备原反应的机会减少，不利于气化反应。下吸式气化炉工作稳定性好，气化系统是微负.1材料压运行，可随时开盖添料，操作方便、运行安全可试验所用原料为锯末成型棒，直径在35~靠，可以使原料经过干燥后的干馏产物全部通过氧45 mm之间，根据GB/T211-1996、GB/T212- -2001化层，产生的大部分焦油可以在高温下被分解，水和GB/T212- -2001 进行了锯末成型棒料的工业分析分也参加反应生成可燃气体。目前国内外以锯末成和元素分析，结果见表1。表1锯末成型棒的工业分析和元素分析Table 1 Proximate analysis and elemental analysis of sawdust forming great工业分析元素分析Proximate analysisElemental analysis低位热值(M].kg")Low heat value水分(%)固定碳(%)挥发物(%)灰分(%)C(%) H(%) 0(%) N(%) S(%)Water contentFixed carbonVolatile matterAsh content2014.0275.290.9551.28 5.81 42.27 0.20 0.4418.101.2仪器设备其工艺流程是生物质物料由螺旋进料器1送分析仪器: 101- 4型电热鼓风干燥箱;长沙友人下吸式气化炉2进行气化反应，产出气经过旋欣制造的马弗炉(4kW);长沙友欣氧弹热量仪;风分离器3去除大颗粒灰尘后进入喷淋净化器4进运用美国Agilent6820气相色谱仪对气体成分及含行清洗去除焦油和细灰，经过旋风分离器3和喷量进行分析;采用美国PE公司元素分析仪2400I淋净化器4后，挥发份被冷却，气态焦油成分凝.进行了锯末的元素分析。结变成液态被清洗掉，实现了燃气与焦油的分试验所用的气化设备为下吸式固定床，主要由离，分离的燃气依次进入分离器5和过滤器6,去螺旋进料器、气化炉、旋风分离器、净化系统、罗除气体中携带的水滴。ER值通过罗茨风机的回流茨风机和气柜等部分组成见图1。阀进行调节。储气柜2-◎6|。7。1-螺旋进料器; 2- 气化炉; 3-旋风分离器; 4-喷琳净化器; 5气水分离器; 6 -过滤器; 7-罗茨风机1- Screw feder; 2-Casification furmace; 3-Cyclone separator; 4- Spraying cleaner; 5-Gas water separator; 6-Fiter; 7-Roots blower图1气化系统Fig. 1 Scheme of gasification system第8期王丽岩等:锯末成型棒的气化试验研究.45.13 气化指标与气化原料的总热量之比。其计算公式:本文采用燃气低位热值和气化效率为评价指n=-VmH也x 100%气体燃料的低位热值是指在标准状态下，其式中，η-气化效率(%); H-原料的低位热值中可燃物热值的总和。计算公式: :(标准状态下)(kJ.kg"); V-原料的气化产气率H.=126.36p(CO)+ 107.98p(H2)+358.18p(CH4)+(m'.kg*)。629.09p(CH)式中，H._-燃气的低位热值(标准状态下)2结果与分析(kJ.m"); φ(C0)-混合气中CO的体积分数(%);2.1 ER 对气体成分及气化指标的影响φ(H2)-混合气中H:的体积分数(%);中(CH)- -混合ER是指单位生物质在气化过程中消耗的空气气中CH的体积分数(%); φ(C:H)-混合气中CH。(氧气)量与完全燃烧所需要的理论空气(氧气)量之的体积分数(%)。比，是气化的主要影响因素"。本文通过回流阀调气化效率是指气化生成的气体燃料的总热量节进气量的大小，从而改变ER,结果见表2。表2不同ER 下气体成分和气化指标Table2 Gas composition and gas index at the different ERER0.210.240.270.290.31H(%)10.4611.5311.7612.3013.67C0(%)27.6228.3531.0830.9628.94气体成分(%)CH,(%)1.182.172.18Gas compositionCO2(%)16.116.6314.32.3316.15CHL(%)0.160.200.050.01气体热值(MJ.m) Heat value5.165.736.386.055.67气化效率(%) Gasification fficiency68.573.6269.0366.25由表2可知，ER对燃气热值和气体成分均有增大到0.27时，进气量加大使氧化反应进行得更显著影响。ER在0.21至0.31的试验范围内，燃气剧烈，温度升高，还原区的两个吸热反应进行的热值先是随着ER的增加而增加，当ER为0.27更充分，C与CO2发生还原反应转变成CO,同时，时，燃气热值达到最大值6.38 MJ.m"，之后，随C与H20发生水煤气反应生成CO和H2,使CO2含量着ER的增加，燃气热值不断下降。气化效率是评降低，CO含量增加。当ER大于0.27时，随着进气价气化的一项重要指标，随ER的增大，气化效率量的持续增大，炉内氧气含量增多，虽然有利于先增大后减小，当ER为0.27时气化效率达到最大气化反应的进行，但生物质燃烧量增加，导致炉值73.62%。燃气的成分主要由H2、CO、CH、内温度升高，CO和过量的氧气发生反应，使CO的CH.和CO2组成，在ER由0.21~0.31变化区间内,量减少，CO2含量增加，气化质量下降，气体热值H2含量随着ER的增大而增加，由10.46%增加至降低。ER过大会导致气体流动速度加快，大量未13.67%。 这是因为随着ER的增大，空气气化剂量经反应的碳粉颗粒和炉灰带出气化炉外，不仅造增多，还原区温度升高，焦油随着还原区温度升成能源浪费，也使后续设备处理负担加重。高裂解更充分，转化为不冷凝气体，使H2含量增2.2 还原区温度对气体成分及气化指标的影响加; CH含量在上述ER的变化区间内变化幅度不温度是气化反应的重要参数,温度的高低一大，因为裂解层产生的CH经过氧化区时，部分被方面影响物料的反应速率，同时对一些吸、放热燃烧，而在还原区焦油裂解又补充一部分，使得的可逆反应也能起到一定的控制作用，从而改变CH波动不大;CH.气体是--种不完全反应产物，最终产物的分布。在整个气化反应中，还原区温CH含量随着ER的增大而略有增加，但增加幅度度对气化反应的影响尤为显著。气体成分和气化不大; CO与CO2含量处于竞争状态，当ER从0.21指标随还原区温度变化的结果见表3所示。表3表.46.东北农业大学学报第43卷明，气体热值和气化效率随着还原区温度的升高均含量有较大的上升幅度; CH,和CH.主要来自于挥呈上升趋势，当还原区温度由600 C增加到880 C过发分的析出，CH含量在680~760 C之间较大，随程中，热值由5.34 MJ.m"增加到7.10 MJ.m°',气化着温度的继续升高，CH4不再是热稳定状态，CH4效率由58.2%增加到74.6%。CO和H2含量随着还分解成C和H2，此反应中碳以炭黑的形式析出;原区温度的升高而增加，因为还原区的温度升CH随着温度的升高发生分解反应，生成小分子气高，有利于物料的热裂解反应，焦油在400~500C体， CHs 和C2Hs含量虽然不高，但属于高热值组时产量最大，当焦油经过氧化区和还原区时，被分，对气体的热值影响较大。燃烧和裂解，还原区温度越高，越有利于CO2还原2.3 原料含水率对气体成分及气化指标的影响为CO和焦油二次裂解，使CO和H2含量升高，当.原料含水率对气体成分和气化指标的影响如温度高于720 C后，H2含量增幅较大，760 C后CO表4所示。表3不同还原区温度下气体成分和气化指标Table3 Gas composition and gas index at the different reduction zone temperature气体热值(MJ.m)气化效率(%)T(C)H2(%)CO(%)CH(%)Heat valueGasifcation efficiency600 .8.2926.592.5818.480.095.3458.28.5727.0618.010.125.6660.96809.2027.583.58 .0.145.8864.2209.6927.893.7116.230.216.0468.176028.413.7215.090.236.2770.480013.0429.913.4214.59 .0.196.5071.74015.1114.1872.388017.3534.19.5612.030.267.1074.6表4不同含水率 下气体成分和气化指标Table4 Gas composition and gas index at the different moisture含水率(%)热值(MJ.m")CH<(%)CO2(%)CH,(%) .MoistureGas heat valueGasification eficiency3.9211.4831.0312.420.076.0970.445.102.0131.832.6812.756.3473.246.0512.6732.882.8313.150.136.67.2011.7431.122.9514.320.20.3873.628.5311.3729.613.0215.410.315.2572.9410.1510.927.823.1617.320.426.0866.64由表4可知，气体热值和气化效率随着含水率因为热解区和氧化区释放的热量用来蒸发原料中的增加先增大后减小，当原料含水率为6.05%时,的水分，导致还原层温度较低，CO,还原反应进行燃气热值和气化效率均达到最大值，分别为6.62的比较缓慢，焦油裂解不充分，产生的CO和H2含MJ.m'和74.94%。在含水率由3.92%增加至6.05%量较低，虽然水分增多但温度较低，不利于水煤时，CO和H2含量逐渐增加，这是因为含水率过低气反应。CH.含量随着原料含水率的增大而增多,时，在干燥阶段大部分水分被蒸发，导致在气化因为水分增多，一定程度上降低了反应区温度，区水蒸气与炭的接触机会相对减少，发生水蒸气在温度较低时可以抑制CH4分解成C和H2的反应，与炭、水蒸气与CO的还原反应减弱，产生的可燃故随着含水率的增加，CH含量呈上升趋势。CO2气含量减少，故含水率在-一定范围内，随着含水含量随着含水率升高逐渐增多，因为气化温度降率的增加可以促进气化反应生成更多的CO和H2;低，使得CO,还原反应减弱，同时，水煤气变换反当含水率大于7.20%时，CO和H2含量逐渐减少,应使得CO2含量进一- 步升高。CH,含量变化不大，第8期王丽岩等:锯末成型棒的气化试验研究总体呈现上升趋势。条件允许的范围内，温度越高对气化过程越有利，温度为880 C时，气体热值达7.10 MJ.mr',气3讨论化效率达74.60%。影响气化炉产气量和燃气成分的因素主要为c.原料含水率过高或过低，对燃气热值和气化ER、温度和原料含水率。当ER较小时，进气量效率均有较大影响，当含水率为6.05%时，燃气热少，使得燃烧不充分，气化炉内温度降低，氧化值和气化效率达到最大，分别为6.62 MJ.m°和反应和还原反应减弱，产生的可燃气含量减少;74.94%。当ER过大时，进气量增多，但容易造成过氧燃烧，使得可燃气含量减少，热值和气化效率均有[参考文献]较大幅度的降低。升温原理表明:升高温度反应会向着吸热增强的方向进行，因此还原反应增[1]袁振宏, 吴创之，马隆龙等.生物质能利用原理与技术[M].北强，同时，温度升高，焦油裂解充分，可以产生京:化学工业出版社, 2005.更多的可燃气，提高燃气热值和气化效率。下吸[2]刘建禹, 翟国勋,陈荣耀.生物质燃料直接燃烧过程特性的分式气化炉对原料含水率有较高的要求，原料含水析刀.东北农业大学学报, 2001, 32[3): 290-294.率过低，不利于水蒸气与碳、水蒸气与Co的还原[3]黄英趣, 李文哲,张波生物质能发电技术现状与展望[J].东北反应，气体含量减少，燃气热值降低;当含水率农业大学学报, 2003, 38(2); 270-274.过高时，气化系统运行不稳定，产气滞后，甚至[4]孙绍增,宿风明,赵义军.空气ER对稻壳旋风气化的影响U].会出现不能正常运行的状况，原料水分过高，CO2太阳能学报, 2008, 291): 105- 108.含量明显升高，燃气热值和气化效率均不同程度[5] 李斌陈汉平，杨海平.上吸式气化炉木屑气化结渣特性J)农降低。空气气化试验中H2含量较低，若要制取富业工程学报, 2011, 27(5): 270-275.氢燃气，可以考虑以空气-水蒸气或者氧气-水蒸[6]苏德仁， 黄艳琴,周肇秋等.两段式固定床富氧水蒸气气化实气为气化剂，进行气化试验研究。验研究[J]燃料化学学报, 2011, 39(8); 595-599.7] Dean S, Kinoshita C. An experimental investigation of hydro-gen4结论producion frorm biomass gasifiation[D]. Intenational Joumal ofa.空气气化过程中，ER对气化气的成分及气Hydrogen Energy, 1998, 2318): 641-648.化指标均有较大影响，当er为0.27时，产气稳[8] 涂德浴，董红敏，丁为民ER对猪粪空气气化效果的影响[J].农定，气体热值和气化效率都达到最大分别为6.38业工程学报, 2009, 25(5); 167-71.MJ. m和73.62%。19]涂德浴， 董红敏,丁为民.粒径和启动温度对猪粪气化过程的b.还原区温度对气体成分的影响比较大，温影响[I.农业工程学报, 2010, 26(); 257-262.度越高，反应越充分，焦油分解成不冷凝气体的10] 马隆龙，肖艳京任永志，赵勇.生物质气化发电[]能源工程,量越多，CO,还原成CO产率越大。气体热值和气2000, 2(8):4-6.化效率随着温度的升高均呈现上升趋势。在工艺