上吸式生物质气化炉的设计与试验

第27卷第7期农业工程学报Vol 27 No. 72702011年7月Transactions of the CSAeJul. 2011上吸式生物质气化炉的设计与试验李斌,陈汉平",杨海平,王贤华,张世红(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉430074)摘要:为指导和改良小型生物质气化炉的设计及运行,介绍了上吸式气化炉的设计步骤,并对其结构进行了优化设计,制作了一台生物质气化炉,且以木屑为原料考察了入炉空气量对炉内温度、产气成分和热值等的影响。结果表明:入炉空气量是上吸式气化炉运行的关键参数,直接影响炉内温度和反应工况。随着入炉空气量的增加,气化炉内温度大幅上升,气体产量急剧增加,可燃气含量则是先增加后降低,入炉空气量在19m3/h附近为最佳,此时,产气热值达到最大值438MJm3,氧化区温度为960℃,气化强度为57.8kg(m2h),能很好满足用户需求关键词:生物质,气体燃料,设计,气化炉,入炉空气量,产气成分,上吸式doi:10.3969/jisn.1002-6819201107.047中图分类号:TK6文献标志码:A文章编号:1002-6819(2011)-07-0270-04李斌,陈汉平,杨海平,等.上吸式生物质气化炉的设计与试验[].农业工程学报,2011,27(7):270-273Li Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, et al. Design and experiment on updraft biomass gasifier[]. Transactions of the CSAE,2011, 27(7): 270-273. (in Chinese with English abstract)表1气化原料的基本分析结果Table 1 Physical and chemical properties of the gasification小型上吸式生物质气化炉具有结构简单、使用灵活material(as received)生物质资源生产高品位的可燃气,特别适合于农村和集分发分数分圆。ⅡNs。“,機数镇居民以及小型餐饮业的使用14。然而,月前市面上流58371.077.03160745376960.290.51340116,46110通的各种气化炉产品还存在较多的问题4,国内外针对小型上吸式气化炉的研究报道也不多1,在气化炉的设1)气化炉输出功率Qn(W)计、结构改进等方面仍缺乏详细地指导叫1。因此,本所设计出的上吸式气化炉要求能满足农村炊事用能文在气化炉关键参数设计计算的基础上,结合气化炉结的需求,也即其输出功率≥农村炊事单位时间耗能。以构方面的考虑,设计了一台上吸式气化炉,并采用木屑气化炉产气在15min内能烧开一壶水(即5kg水由20为原料,考察了入炉空气量对气化炉运行特性的影响。℃升至10℃,比热容C为42kJ(kg℃)为标准衡量气本文的研究结果可为固定床生物质气化炉的设计和调试化炉的性能,可计算出其输出热负荷Q为运行提供借鉴和指导Qn=Cm△Tt=4.2×5×(100-20)(15÷60)6720(kJ/h=186667(W(1)1上吸式生物质气化炉的设计式中,m为一壶水的质量,kg;△T为水的终温与初始温度之差,℃;t为加热时间,h1.1上吸式气化炉关键参数2)气化炉燃料消耗速率FCR(kgh)选取木材加工厂废弃物一木屑为气化原料,其基本气化炉的输出热负荷就是气化炉内生物质原料气化分析结果见表1后产气在灶具上燃烧单位时间所提供的有效热量。气化原料的低位热值( Low Heating value(LH1)为1646MJkg,取气化炉的气化效率≥≥65%,燃气灶的热效率η收稿H期:2010-1021修订日期:2010-1208为40%,则由能量平衡可计算出气化炉燃料消耗速率基金项目:国家重点基础研究发展计划项月(“973”计划》2007CB210202)FCR为国家自然科学基金项日(50806027,509000华中科技大学博士论文创新FCR=Q/(LH×m)=6720-(16.46×1000×0.65×04基金项目。=1.57(kg/h)(2)作者简介:李斌(1985-),男,博上生,主要从事生物质的热化学转化3)气化炉直径D(m)与利用研究。武汉华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,430074Email:libin198520@126.com在已知中国煤化工强度( Gasification※通信作者:陈汉平(1962-),男,教授、博士生导师,主要从事煤与生 Intensity(GCNMHG化炉的育径D为物质的高值化、多联产资源化利用研究武汉华中科技大学煤燃烧国家重D=[4FCR(πXUn15/+(5.14xU)0.183m(3)点实验室,430074. Email: bp.chen@163com第7期李斌等:上吸式生物质气化炉的设计与试验2714)气化炉有效高度H(m)和有效容积v(m3)控系统等。在本设计中,气化炉外壳采用薄钢板卷制而为了保证上吸式气化炉的稳定运行,使炉内各反应成,内部敷设有耐火保温材料,气化炉本体内炉胆采用区有合适的高度,其高径比一般应大于2,即双锥形结构,上锥段收缩符合炉内原料气化后体积缩小H>2D=0.37m(4)的特征,下锥段渐扩便于物料的下降,双锥形结构有利考虑到户用型气化炉采用的是间歇给料方式,炉内用气化原料在炉内形成“整体流”,有效减轻架桥结拱容积空间所装的原料应至少能满足农户一日的炊事用能倾向。为了方便用户使用,改善操作环境,该气化炉还需求,高径比可取的更大。假定气化炉满料运行时间T设计有自动点火装置和蝶形阀手动除灰装置,自动点火至少为3h,则气化炉的有效容积V为装置位于下锥段的中心,由电加热金属丝与金属套管相F≥ FCRXT=428×10°2m3(5)连组成,在套管周向均布有3层布风孔,套管顶端采用5)入炉空气量AFR(m3h)圆锥状帽檐防止布风孔堵塞。下锥段中部均布有切向风入炉空气量AFR的值可指导风机的选型。设计原料道,与中心套管上的周向布风孔配合可实现炉内的均匀完全燃烧的理论空气量为476m3/kg,取空气当量比E布风。在运行过程中或运行结束后,可通过手动旋转蝶为028,在已知燃料消耗速率FCR时,可得到入炉空气形阀及时排出炉内的灰渣,防止其在炉内过度沉积堵塞量AFR为切向风道和布风孔。温度监控系统由4根在炉内沿径向AFR= Vox FCR×E=209(mh)(6)分布的热电偶(分别标记为T1-T4)和1根产气出口处热1.2上吸式气化炉关键部件设计电偶(标记为T5)组成,4根热电偶在炉内的初始有效高设计气化炉的结构示意图如图1所示。根据小型上度分别为140、40、80和350mm,还可通过上下移动其吸式气化炉的特点,可将其划分为以下几个关键部分:位置来测量不同高度层的温度,5根热电偶一起实时监测气化炉本体、点火系统、布风系统、除灰系统和温度监气化炉内温度和出口气体温度。K型热电偶⑦①①炉着④产气出口采机袋过滤抽气泵保温层产气出口管路双锥形炉胆自动点火装置周向布风孔切向风道冷凝、过滤装置自动止回阀放灰阀风机-⑤國储灰室出灰门图1上吸式气化炉的结构示意图Fig 1 Schematic diagram of updraft fixed bed gasifier综合考虑上吸式气化炉的结构和设计计算结果,设器套管直径为55m,上部正圆锥金属帽檐直径为计出的气化炉的基本参数为:气化炉外形呈直桶形,总75mm。高度为1000mm,除去灰室后的上部有效高度为80mm,双锥形内胆下锥段高度为80mm,上锥段高度2试验方rYH中国煤化工为400mm,其喉部直径为220mm(比计算结果D=试验过CNMH并记录气化炉内183mm要大,下部直径为250mm,上部直径为380mm,的温度。在产气出口处,连接气体采样装置,具体见图1可使气化炉容纳更多的物料,延长气化时间。自动点火所示,产气经过滤除去水分和焦油后,用气袋进行收集,272农业工程学报2011年气体成分采样便携式气相色谱仪(GC3000)进行分析。H2-O. -AN -V-CH试验步骤如下:试验前,向气化炉内加满原料(~89kg),CO.-DC.一★-LHV记录热电偶的初始温度。然后,启动自动点火装置,30~40s后开风机向气化炉内送入空气,空气流量通过一个流量控制阀调节。试验进行的同时,开始实时记录气化炉的温度变化。一般而言,点火约3min后,出口产气可点3结果与讨论叫x对于上吸式气化炉,运行工况的调整主要通过调节入炉空气量/(m3h)入炉空气量来实现,入炉空气量是气化炉在实际运行过图4产气成分和低位热值随入炉空气量的变化程中最重要的参数,它与气化炉内温度分布、产气成分Fig 4 Gas composition and LHv under different air flow rates和热值等密切相关。图2所示为氧化区的温度和气化强度随入炉空气量的变化,其中氧化区温度指图1中热电由图2可知,当入炉空气量由1.1升至3.5m3h时,偶(T2)所测的温度,每个温度点都是在气化炉稳定运行氧化区温度由710℃大幅上升至1129℃,气化反应的强时测得。氧化区的温度可直接反映气化过程的强弱。气度大大增加,由315上升至11.7kg(m2h)。考虑到试验化产气的主要成分为H2、N2、CH4、CO、CO2以及少量用生物质的灰熔点约为1100℃,入炉空气量不应选的过的C2等。图3所示为气体产量与产气率随入炉空气量的高,入炉空气量在17~23m3/之间比较合适,此时气变化。图4所示则为稳态运行时产气成分和低位热值随化强度在50~70kg(m2h)之间,这与设计参数比较吻合,入炉空气量的变化。图4所示该流量范围内气体低位热值较高在383~438MJm3之间,也证实了这一点。由图3可知,气体产氧化区温度量随入炉空气量的增加不断增加,这可能与气化反应加114气化强度强和气体流量增加有关。另外,更多的空气进入气化炉,将有更多的生物质参加反应,气化炉的温度水平提高导致炉内各反应区的大小沿轴向空间扩展,从而导致气体呢900产量增加。然而,产气率曲线在入炉空气量为19m3/h时存在一个明显的拐点,这在图2(温度增加速率)和图4(可燃气成分和低位热值变化趋势)中也同样存在。这表明可能存在一个最佳的入炉空气量,使得气化炉内维081.2162024283.23持合适的温度水平,各反应区的空间分布合理,且具有入炉空气量(m3hr)良好的气化反应效率和稳定性。在入炉空气量较低时,图2氧化区温度和气化强度随入炉空气量的变化氧化区温度很低,如1.1m3h时仅有710℃,在有限的接g 2 Temperature of oxidation area and gasification intensity触时间内生物质与空气不能充分反应,导致产气中的氧under different air flow rates含量很高(见图4)。同时还原区和裂解区的温度降低也使得相应反应区的反应强度减弱,导致生成可燃气(H2、138产气空气流量比气体产量CO和碳氢化合物等)减少。而当入炉空气量增加时,气4.0化炉温度上升,各反应区的气化反应强度增大,产气中可燃气成分和产气低位热值增加。然而,当入炉空气量超过19m3h时,继续增大入炉空气量,则气化炉内的温想128度过高,气化炉内生物质与空气的接触时间太短,难以充分反应,导致产气中的氧含量增加(见图4),气化灯122内各反应区空间扩展太快,迅速上移,气化炉运行工况恶化,从而导致产气中的可燃气成分和产气热值迅速下降结论图3气体产量与产气率随入炉空气量的变化针对当前1中国煤化工设计方面缺乏专Fig 3 Product gas/air ratio and gas production under different air门的手册或规CNMHG式气化炉的设计flow rates步骤,并对其结构进行了优化设计,据此制作出了一台第7期李斌等:上吸式生物质气化炉的设计与试验273生物质气化炉,且以木屑为原料考察了入炉空气量对气京:化学工业出版社,2003化炉运行特性的影响。[6]喻霞,魏敦崧.生物质崮定床气化过程的研究门煤气与试验表明:入炉空气量是上吸式气化炉运行的关键热力,2000,20(4):243-246.参数,直接影响炉内气化温度和反应强度。随着入炉空Yu Xia, Wei Dunsong. Study of gasification treatment of气量的增加,气化炉内温度大幅上升,气体产量急剧增加,biomass in fixed bed gasifier[J]. Gas and Heat, 2000, 20(4)可燃气含量则是先增加后降低,入炉空气量在19m3h附243--246. (in Chinese with English abstract)近为最佳,此时,产气热值有最大值438MJNm3,氧化]雷廷宙,沈胜强,崔俊贞,等.固定床生物质气化机组主要区温度适宜,为960℃,气化强度为578kg/(m2h技术性能试验研究[河南科学,2006,24):118-12Lei Tingzhou, Shen Shengqiang, Cui Junzhen, et al. The参考文献]experimental study on the main technical performance of the[]李斌,陈汉平,杨海平,等.户用型上吸式生物质气化炉fixed bed biomass gasification equipment[J]. Henan Science,的发展与改进[农业工程学报,2011,27增刊1):2052006, 24(1): 118-121.(in Chinese with English abstract)[8]孙仁山,王述洋,董志国.家用生物质气化设备技术的研209Li Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, et al. Development and究.林业机械与木工设备,2003,31(4):7-9aprovement of household updraft biomass gasifier.杨少鹏,薛勇,牛广路.上吸式生物质秸秆气化炉的设计Transactions of the CSAE, 2011, 27(Supp 1 ) 205-209( in与试验研究门节能,2009(9):6-9.Chinese with English abstract)[10] Khummongkol D, Arunlaksadamrong W. 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Research andresearch of graduate students in China, 2007, Guangzhouanalysis of key technology for civil biomass gasifier]Chinese with English abstract)Henan Science,2001,19(4):398-401Saravanakumar A, Haridasan T M, Reed T B,etal.[l3]李鹏,吴杰,干维新.户用型上吸式生物质气化炉的改进Experimental investigation and modelling study of long stick设计农机化研究,2008(5):76-78wood gasification in a top lit updraft fixed bed gasifier]Li Peng, Wu Jie, Wang Weixin Improved design of domesticFuel,2007,86(17/18):2846-2856updraft biomass gasifier[J]. Joumal of Agricultural Mechanization[5]马隆龙,吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用M]北Research, 2008(5): 76-78. (in Chinese with English abstract)Design and experiment on updraft biomass gasifierLi Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, Wang Xianhua, Zhang shihong(State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)Abstract: To guide and modify the design and operation of small biomass gasifier, the design procedure of an updraftfixed bed gasifier was introduced in detail, and its structure was optimized, then a biomass gasifier was produced. Usingsawdust as raw material, the influence of air flow rate on gasification temperature, product gas composition and lowheating value(LHv) was investigated. The results showed that: air flow rate was the key parameter during the actualoperation process of the gasifier, it directly affected the gasification temperature and operation condition. As air flow rateincreasing, the temperature inside the gasifier rose greatly, the gas production increased sharply, and the combustible gascontent first increased and then decreased. The optimum air flow rate was about 1.9m/, where the Lhv of the productgas got the maximum value of 4.38 MJ/m, the oxidation area had a suitable temperature of 960C, and the gasificationintensity was 57. 8 kg/(mh), it can well meet the requirements of user.中国煤化工Key words: biomass, gas fuels, design, gasifier, air flow rate, gas compositieHCNMHG