生物质气化影响因素的分析

208年第3期新疆农机化农村新能源生物质气化影响因素的分析车丽娜,王维新(石河子大学机电学院新疆石河子832000)摘要:阐述了生物质气化的原理及有关生物质气化技术,分析了物料、气化反应器、气化温度和气化剂对生物质气化特性的影响,指出了生物质气化技术中的关键问题关键词:生物质能;生物质气化;生物质气化技术中图分类号:S21文献标识码:A3影响生物质气化的主要因素文章编号:1007-7782(2008)03-0041-033.1气化温度的影响生物质能气化技术在生物质气化过程中,气化温度是一个很重要的参数温度的高低不但会影响产气的速率,而且对生物质能转化技术主要包括生物质气化、液化、物料反应过程中的吸放热等可逆反应也一定的影固化以及直接燃烧技术等几大类。作为能量转化的响,从而最终影响到气化产物分布、产品气的组成主要手段之一,生物质气化技术将生物质转化为气产气率热解气热值。宿凤明等吧在100c0℃体燃料是目前生物质能利用技术研究的热门方向。300℃,400℃,500℃,600咒℃,700℃,800℃,900℃下干典型的气化技术有以下3种:干馏工艺快速热解工馏松树锯末和棉秆等得出随着温度的升高固体产艺、气化工艺。其中前两种工艺适用于木材或木屑的率下降,而气体产率增加,液体产率在600-700℃达热解;后一种适用于农作物如玉米、棉花等秸秆的气到最大值,说明在这一温度有很强的裂解反应发生化。生物质气化技术的一般工艺过程主要由四大系陈蔚萍等研究了在流态化状态下不同生物质原料统组成,分别为进料系统、气化反应器(气化炉)气的气体产物产率成分随反应温度的变化规律,得出化气体净化系统和气化气体处理系统如发电系统。随着温度的升高,生物质热解气化产物的产率增加,2生物质气化的原理热值降低;H2在气体产物中的体积百分率增加,而生物质气化是指以固体生物质(秸秆锯末等)CO0和CmHn的含量则有所下降,这样不利于产品为原料,以氧气(空气富氧或纯氧、水蒸气或氢气气热值的提高,但有利于产气率及碳转化率的增加等作为气化剂(或称气化介质)在高温条件下通过CH和CO含量减小归因于CH、CO和水生成CO2热化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气的和H,高温提供了热裂解和蒸汽气化的适宜条件。过程。其原理如图1所示。生物质气化时产生的气赵俊成等研究了稻壳在管式热解炉中气化时温度的体主要有COH2和CH等称为生物质气体"影响,得出随着温度的升高,CO、CH4、O2的百分含量基本不变,CO2的百分含量明显下降H2的百分含量HO, COCO,, H,, CH4, 0急剧上升;气体的热值也增加,但是增加的幅度越来大分子有机物H.CH越小,温度到了700℃左右,再提高温度没有太大意(烃,芳香化合物)义;众多学者的研究表明,随着温度的升高,产气率增加,反应速率增大,对产气成分的组成则随着实验条件的不同而不同。在热解的初始阶段温度增加气无机物灰分体产率增加,归因于挥发物的裂解。其次,焦油的裂2解也中国煤化工主物质气化过程中图1生物质气化原理CNMH(生成小分子气体如CmHn、UU、H2H4收稿日期:200805073.2气化剂的影响41农村新能源新疆农机化2008年第3期目前生物质气化技术中采用的气化剂主要有3表1不同物料在相同工况下的燃气成分种:空气气化、富氧气化和空气-水蒸气气化。气化气化温度500℃、O2流量为olmh例剂不同,气化炉出口产生的气体组分也不同。氧气物料 CO CH H2Co2其它做气化介质时,CO的含量要明显高过空气做气化果皮50758769.1142628介质时CO的含量,这可能是由于参与燃烧的氧气树枝186126.1318524313244量增加,从而使得参与还原反应CO2气体浓度增从表1可以看出,果皮气化生成的CO高达加,提高了CO的含量,同时也增加了CO2的含量;58.76%,而树枝的仅为2613%;CO2的变化也很CHL气体的含量有所下降,原因可能是由于部分与大;甲烷气体也不尽相同,由于加入反应的水非常过剩的O2发生燃烧反应,同时N2的加入稀释了其少,可以认为甲烷生成主要是从热解得到的;热解过浓度,最后影响产气热值。气化介质为氧气+水蒸气程中生成的H2含量都比较高,而两种物质气化反应时,CO、CH4、H2三种气体的含量要比气化介质为氧生成的H2的含量都少于5%这可能是由于生成的气时对应成分高很多,特别是H2的含量从831%H2与02反应生成水分而蒸发;从生成的可燃气(仅提高2326%,CH从9.32%提高1668%,CO也从指CO、CH、H2)比例来看,果皮(72.13%)>树枝3461%提高到4352%。产生这种现象的主要原因(4896%),果皮的效果好于树枝。是发生了生成水煤气(粗煤气)的反应:C+HO→34气化反应器的影响CO+H2(1),C+2H4O→CO2+2H2(2),同时一些碳氢生物质气化技术的核心是气化设备(气化炉)。化合物也会参与反应,如:C2H2+2H2O→2CO+3H2根据炉型的不同,大致可分为固定床气化炉和流化(3)。这些反应作用的共同结果使得产气中可燃气床气化炉。固定床气化炉适用于物料为块状及大颗成分如CO、CH、H2等含量增多,特别是H2的含量粒原料。它结构简单,制作方便,具有较高的热效率,增加的效果最明显,从而导致产气热值提高,这说明但内部过程难以控制,内部物料容易搭桥形成空腔水蒸气是很重要的气化介质。通常水蒸气包括了物且处理量小。流化床气化炉适合含水分大、热值低、料中的水分以及外部加入系统的水蒸气,其作用是着火困难的细颗粒原料,原料适应性广,可大规模、除了可以提高碳的转化率外,还可以有效地调节产高效率利用。流化床还具有气固充分接触、混合均匀气组分,从而得出纯氧-水蒸气气化有利于合成甲的优点,是唯一的恒温床上反应的气化炉,反应温度醇。空气-水蒸气气化结合了空气气化设备简单操般为700-850℃,其气化反应在床内进行焦油也作维护简便以及水蒸气气化气中H2含量高的优点,在床内裂解。生物质气化过程中产生的可燃气的特用较低的运行成本得到H2与CO含量高的气体。此性受到气化炉的形式与运行方式等因素的影响。不可燃气热值髙,运行和生产成本较低,适合于其他化同气化设备可燃气热值的区别见表2。由表2可以学品的合成,是较理想的气化介质。看出流化床气化炉的产气热值总体上高于固定床气33气化物料性质的影响化炉。物料粒度大小、总表面积及其含水量等对于燃表2不同气化设备可燃气热值料层中的气化过程均具有很大的影响,物料粒径越类型下吸式上吸式横吸式鼓泡床循环床双流床携带床小,其总表面积越大,热交换和扩散过程就进行得越空气△△△△激烈,使整个气化过程进行得越激烈和越完全。并氧气 oOO O C且物料粒径小,其热阻力也小,气化炉内的温度分布水蒸汽也就越均匀,气化结果好。水分的影响主要体现在△为低热值气体;O为中热值气体两个方面:一方面蒸发需要消耗气化过程中燃烧反35压力的影响应所放出的热量;另一方面,由于水是一种气化剂,Encinar等在研究草本植物的水蒸气气化时能与C发生水煤气反应生成H和CO2进而提高气温度V凵中国煤化工体的产率和转化气的质量。化率CNMHG在水蒸气气化过程中,水气迁移反应是主要反厘控制着气体的2008年第3期新疆农机化·农村新能源产生,也是氢气的主要来源。压力增高氢气的产率提高;而且与氧气作气化剂相比,H2含量提高的更也增高。所以,在水蒸气气化时,可以通过调节水蒸多,这是由于发生了粗煤气反应的结果。气的压力来调节氢气的产率,亦适应不同的需要。(3)通常情况下,物料粒径越小,其总表面积和Pasban n等四在一空气鼓泡加压流化床中气化木质含有的水分越大,热交换和扩散过程就进行得越激生物质,压力在5063-2065kPa,得出压力增大,烈使整个气化过程进行得越激烈和越完全,生成的脱挥发分的速度减慢而加强了裂解反应,产生的焦可燃气也就越多。油量和气相浓度都减小。操作压力提高,一方面能(4)在一定的情况下流化床生物质气化炉比固提高生产能力,另一方面能减少带出物损失。从结定床生物质气化炉产生的可燃性气体热值较高构上看,在具有同样的生产能力时,压力提高,气化(5)气化反应器内压力增加,生物质气化的产炉容积可以减小,后续工段的设备也可减小尺寸,而率增加,有利于生成可燃性气体。且净化效果好。所以流化床目前都从常压向高压方向发展,但压力的增加也增加了对设备及其维护的◆考文献:要求[姚向君,田宜水生物质能资源清洁转化利用技术围M,化学工业出版社,2004结论2]宿凤明,孙绍增等生物质空气气化机理和燃气品质影响(1)气化温度的提高使得碳的转化率提高,气因素研究哈尔演滨工业大学学报20031:18981902化反应速度加快,气化过程得到强化;反应温度提陈蔚萍陈迎伟等生物质气化工艺技术应用与进展,河南大学学报,2007,37(1):35-41高,使得生物质热解气化产物的产率增加,热值降4]李延吉李润东等.生物质气化特性的实验研究门,电站低,H2的含量有所增加,而CH4的含量有所降低,原系统工程,2007,23(6):12-15因是CH4CO和水生成CO2和H2;同时温度升高促魏敦崧,李芳芹等生物质固定床气化试验研究,同济进焦油的裂解,生成小分子可燃性气体。大学学报,2006,34(2):256-259(2)空气作气化剂时,产气中可燃气的含量普6 Encinar J M, Gonzalez, Gonzalez JSteam gasification of遍低,原因是N2的加入稀释了可燃气的浓度;与空Cynara cardunculus L influence of variables [). Fuel Processing Technology, 2002, 75: 27-43气相比使用氧气作气化剂,可明显提高产气质量,但[7] Panban N, Wang W Y, Ye Z C Tar formation in pressurizedCO2的浓度也会增大;实验系统中加人水蒸气后,fluidized bed air gasification ofwoody biomass (J). Energy&FuCO、CH4、H2的含量明显增加,热值也相应有很大的els2000,14(3):603-6l1+““““““““““““““(上接第38页)(3)对棉花纤维品质的关系:脱叶处理多数可从1958-1972年在7个单位使用效果看氯酸提高衣分率0.3%-1.45%,提高纤维的细度(公支镁有良好的脱叶效果,对棉花纤维品质没有显著影数),从而提高纺纱价值。纤维长度略有减少,减少响,仍符合纺织工业要求也不影响收购价格。其中0.23-1.68cm,基本上不影响等级。其他物理性能可在二十团、车排子第二农场的数据都是从大面积整维持一般手工采棉水平满足纺织工业要求块条田的棉田上取得的,有代表性(4)对棉籽品质的关系:喷药脱叶对棉籽千粒(1)脱叶效果:喷药后到第15天脱叶率可达重有些影响。减轻多少与喷药时间及棉铃着生部位85%~99%,比对照未喷药的提高53%-62%有关,一般减轻2-647g脱叶喷药对棉籽发芽率也催熟效果:使霜前花达到83%-97%,比对照的有些影响。又据国外中亚棉区生产经验,各种脱叶剂增加89%-37.27%。在平均每株棉花吐絮1-2个棉铃时喷药脱叶的,会(2)对产量的影响:只喷药脱叶,在正常棉田不减中国煤化工9%),而在吐絮2会减产。喷药催熟后对产量有些影响,但减产的主3个CNMHG均不大于2-5g要是占比例很小、价值低的霜后花和桃子花而占绝对含油率无明显影响在正确喷药脱叶时,还可促进大部分的优质、价值高的霜前花产量却普遍提高。棉籽后熟提高发芽率。