高温空气气化炉的气化效率探讨

广西轻工业2009年7月第7期(总第128期)GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY化工与材料高温空气气化炉的气化效率探讨李敬,邓元望,刘彧,羊涛,黄志诚(湖南大学机械与运载工程学院,湖南长沙410082)[摘要]根据高温空气气化炉的物料平衡原理,建立了基于研究高温生物质气化效率的理论教学模型, 并根据高温生物质气化效率的理论数学模型进行计算。结果表明,采用高温空气对生物质进行气化理论气化效率可达33.51%。[关键词]气化炉;干燥;裂解;气化;高温空气;生物质;气化效率[中图分类号] TK229.92 [文献标识码] A [文章编号] 1003 -2673(200907 -21-02 :世界.上生物质资源十分丰富,目前全球每年生物质产量约等动力装置的燃料,或用于生活需要。为全球总能耗量的6-10倍左右。据统计,生物质资源潜力可群中气达100亿吨,仅森林、草原和耕地这三项的产量就达50亿吨千施化风网生物质,相对于20亿吨标准煤。我国可以开发利用的生物质能源有:各种农业废弃物(秸秆和谷壳等)、薪柴、林业废弃物(树, $6h[叶和枝娅等)、有机垃圾和人畜粪便等。专家研究指出,我国仅has现有的农林废弃物实物量就为15亿t,约合7.4亿t标准煤,可开发量约为4.6亿↑标准煤。然而,生物质的利用仅占可用生物UJ质资源的1/3%。我国西部地区国土面积占全国的2/3,生物质储备亦相当丰富,占全国储量的1/3以上,但广大西部地区经济不发达,生产方式落后,大量生物质资源被抛弃、或被野外焚團1生物质高温空气气化炉工作原理圈烧、或被热效率低下的炉灶烧掉,这不仅是对生物质能源的严重浪费,更造成了环境污染。而生物质气化技术作为生物质能2生物质高温气化计算源利用的重要方式,不仅能高效地利用生物质能源,更能很好生物质高温气化计算主要有实际数据计算法和综合计算的解决环境污染问题，正受到广泛关注。法等两种方法"。实际数据计算法是根据气化炉的工业实验,通过实际测定值,求得可燃气体的组成,并在实测数据的基础上，1生物 质高温气化系统的组成及工艺流程进行全炉的物料平衡计算和能量平衡计算,并确定各项气化指生物质高温空气气化炉工作原理图如图1所示。生物质高标。综合计算法是在一-定的理论基础上,结合应用实际数据及温空气气化系统主要由高温空气发生器、卵石床气化炉、余热假设进行计算的方法。以下采用综合计算法对生物质高温空气回收装置、气体净化及干燥装置、汽轮机等动力供应装置及空气化过程进行分析,从而得到其气化效率。气压缩机等辅助装置组成。空气压缩机将常温空气经四通阀压2.1假设入高温空气发生器中,与蜂窝陶瓷蓄热体进行热交换,空气温对干燥和裂解过程中的几点说明及假设如下:度迅速升温到1000以上。获得的高温空气分成两部分, - -小( 1 )由于气化炉在运行过程中需要密闭，因此在干燥及裂部分用于高温空气发生器另-侧燃气的燃烧。其余大部分进入解过程中产生的水分和挥发分均留在气化炉内,裂解去发生的卵石床气化炉。生物质与高温空气同时进入气化室中,以反应如下网:0.3-0.5的化学计量速率气化，同时亦与水蒸气发生重整副反CHyOo +O65Cs+044H2+0.15H.0+0.17C0+0.17C0+0005CH,应。气化所得的燃气及液态熔渣夹带部分未气化完的碳粒从卵裂解反应中产生的其他烃类物质很少,在此忽略不计。石间的缝隙中流过,熔渣及碳粒被卵石捕获,沿卵石表面下滑。(2 )裂解过程中的可燃气体在气化炉内均发生氧化反应碳粒得以在足够长的时间内气化完全，熔渣则滴入下部的集灰生成CO2和HO。器中排出气化室。高温燃气与熔渣分离后输出气化炉进人余热(3)由于高温低氧的环境可以大大抑制NO,的生成,使锅炉1水冷装置,释放显热,产生100C的水蒸气,添加到预热NO,排量下降到100mg/ m'以下,因此在此选用含氧量11%的前的常温空气中。冷却后的燃气进入气体湿式净化装置中净高温空气,其NO,的排放量约为40mg/ m'。化,净化后的清洁燃气又分成两部分,一部分用作高温空气发2.2 各反应过程计算生器的燃料,另-部分用作工业上汽轮机、燃气轮机蒸汽锅炉气化炉的气化强度因气化炉的结构和运行条件的不同而不同一般为2100~300Kg/( m*h),在此假设为150 Kg/(m2h)=[作者简介]李敬(1986-).女,河北石家庄人,湖南大学热能与动力工程专业本科生。[基金项目]湖南大学国家SIT项目资助41.7 g(m2h),稻草的工业成分如表1所示R。即:表1稻蕈的工业成分[CO)+(CO]=0.448mol+0.558mol(1)成分水分灰分挥发分固定碳含星(2 )氢平衡方程:含量/% 4.97 13.86 65.116.06可燃气体与未分解的水蒸气中的氢均来自干燥及裂解区中产生的水蒸气因此有:由表1可知:气化炉每秒单位m2产生的各成分的质量及[H]+ [H20]=[ H2O}物质的量为:其中,H20]JH2Ob分别代表未分解的H2O和来自干燥及固定碳:41.7x 16.6%=6.7(g)裂解区中生的水蒸气的物质的量。则:C]= 0.558mol([H}+{H20]=0.9963mol2)水分:41.7 x 4.97%=2.072(g)(3 )氧平衡方程:则:[H20]= 0.115mol参加反应的氧是来自高温空气和水蒸气，产物为CO2和其中[C]、[H20]分别代表C、H20的物质的量,下同。CO,则:2.3 裂解阶段计算[CO3] +([CO] + [H2O]=[H2Ob+ [03]由方程:在生物质气化过程中,氧气用量通常是理论上生物质完CHL2Oo +0.65Ce+0.44H2+0.15H20+0.17C0+0.17CO2+全燃烧所需氧量的20%-40%。假设采用理论最佳当量比为0.005CH。0.28日,则由:计算可得:CH2,Oas+ 1.0502 +CO2+0.7H2O[H] = 0.646mol可知完全燃烧的理论氧气用量为1.5435mol,因此采用含[H20]= 0.2205 mol氧21%的空气完全燃烧时所需的理论空气量为:[C0]= 0.2599molV快=。 1.5435 x22.= 1435x224= 164.64(L) ;[CO]= 0.1911mol即V ra =164.64 x 0.28= 46.10(L)[CH]= 0.0074 mol假设高温空气气化时也采用46.10L,则含氧量为:因此裂解时的各气体组成如表2所示。表2裂解后的各气体组成Vo=46.10x 11% =5.07(L)则:气体H2CO2 CH,H2O[0]=5.07/22.4 mol =0.226 mol物质的量/mol 0.646 0.2599 0.1911 0.004 033552[CO]+CO)+{H20]=0.9963mol+2 x 0.226mo (3)在高温空气气化过程中,高温干馏是一个边裂解边燃烧的(4 )平衡常数方程:过程,并且温度很高,其中可燃气体发生分解和燃烧，因此在裂[C0 1[H0 ]K,=-[CO, ][](4)解最后得到的气体成分如表3所示。表3裂解最后得到的气体成分其中,[C03]、[C0].[H].[H2O]分别代表CO2、CO、H2未分H2 coCO2解的HO的物质的量,单位mol。物质的量/mol00 0.44840.9963影响平衡常数因素较多,主要是温度、各个反应物的初始浓度。在研究的范围以内,温度是最重要的因素。气化温度取2.4高温气化过程计算1300C ,解平衡常数K=2.35。在高温空气气化的过程中,气化阶段的反应物主要是裂解解由(1)、(2).(3)、(4)组成的方程组得气化区生成的各成区反应中产生的固定碳气化剂中的氧气、干燥及裂解区中产分的摩尔量 如表4所示。生的水蒸气,反应后的产物由CO、CO2H2CHN组成。表4气化区生成气体成分(1 )碳平衡方程气体成分co二CO2一H;H2O_物质的量/mol 0855 0.151 0.705 0.2913由上可知进入气化阶段的固定碳为0.558mol,还原区的反标状下体积/ 19.12 3.382 15.792 6525应为:C+CO2-+2C0可以计算得气化剂中其他气体在标准状况下的体积为:H20+C- +C0+HsV= 46.10x 89% =41.092 (L)2H20+C- +CO:+2H2燃气的体积:H20+CO- +CO:+H2Vex =19.152+3.382+15.792+6.525=38.3264(L)氧化区的反应为:所以可燃气体中各可燃成分所占百分比如下表5所示。C+02→+CO2表5可燃气体中可燃成分气信成分2C+0r +2CO体积百勿比(9412988由此可知,C-CO2或C-C0,因此有:[CO]+ [CO,HC](下转第24页)机械杂质容易成为蜡结晶的核心，使蜡沉积强度增大。要较高的温度,在石蜡沉积部位较深和对温度有限制的情况下1.4.5 管壁材质的影响有显著地特点。水基清蜡剂的主要成分是水和石蜡分散剂,水试验表明,管壁的材质和粗糙度对蜡沉积有显著影响。在中有时还加入甲醇.乙醇、异丙醇、二乙二醇单丁醚、环乙醇及石蜡结晶过程中,内壁所提供的结晶核心的多少和结晶的难易甲基环乙醇等互溶剂以提高原油和水的互溶作用,也有将对沉程度就不同。管壁的粗糙度越大，越易产生蜡沉积。积石蜡溶解性较好的溶剂油与水和石蜡分散剂混配制成乳液1.4.6结蜡层厚度与运行时间的关系型水基清蜡剂的。水基清蜡剂清蜡的原理是利用石蜡分散剂对随着管道运行时间的延长,蜡沉积速率逐渐减缓。当管道沉积石蜡的软化、渗透去除作用以及水流的冲刷作用将沉积石输量比较稳定且大于某一范围时 ,刚清管后蜡沉积层厚度增长蜡从管道表面除掉。其作用效果受使用温度的影响较大,温度较快，以后逐渐减慢,最终趋于某- -稳定值, 在运行参数上表现愈低效果愈差。为摩阻不再继续增大。因为随着蜡沉积层厚度的增加,油流与除了上述方法外,还有一些其他方法如超声波清蜡法和微生外界换热的热阻增大,蜡沉积层表面温度上升,与油流的温差物清蜡法电加热法、化学放热法等等。可根据具体情况来选择。减小，使蜡沉积速率减小。3结论2清蝗( 1 )原油中蜡的沉积物主要由石蜡C16~C3s的正构烷烃组2.1热油处理法成,并且石蜡主要为片状结晶,易结成大块。给热油管道的输将原油加热到110C以上注人管道中,热油直接与管壁上送带来困难。沉积的石蜡接触使之熔化。这种方法的特点是除蜡效率高,成( 2 )引起管道结蜡的主要原因是原油与管壁间的温差。影本较低,但在加热油品过程中有轻馏分损失并且不安全。晌结蜡的因素包括原油的油温、流速、组成等方面。2.2热水处理法(3)目前作用清蜡的主要方法有热油处理法、热水处理其处理原理与热油处理法相同。热水处理法的特点是比较法机械处理法和清蜡剂法。安全,但是水对石蜡和沥青的溶解和携带的能力较小，操作条件控制不好时可能导致从管壁上熔化下来的沉积石蜡发生再参考文献沉积。[]杨筱蘅输油管道设计与管理[M.山东:中国石油大学出版社:2006.2.3机械处理法2潘永梅.长榆管线析蜡特点分析及应用D).油气田地面工程2001.20机械处理法就是用清管器刮蜡刀、刮蜡钩将管壁上沉积(6):28-30.闪李露,李艺明,林森原油生产中石蜡沉积厦其控制D.油气田地面工的石蜡刮掉。但有时会出现清蜡量不够的情况。程2001.20(3):82-83.2.4清蜡剂法清蜡剂有水基和油基两种。油基清蜡剂清蜡法的原理是将[{蒲欢,梁光川.集输油管道中的结蜡与防蜡[].石油化工腐蚀与防护，对沉积石蜡具有较强溶解和携带能力的溶剂分批或连续注入2008,25(6):53-55.管道内将沉积石蜡溶解并携带走。这种方法处理效果好,不需(上接第22页)3生物质高温气化效率4结论则气化效率η为:对生物质高温空气气化进行了理论探讨,并对生物质高温_QGL(S)气化各阶段的理论计算进行了分析。结果表明，当高温空气发生器产生的预热空气温度达到1000C时，以稻草作为气化的式中,Q为冷气体热值,kJ/m';G,为干冷气体率, m2/kg;生物质,其系统气化效率可达33.51%。Q,为原料热值,Q= Eq(CC}+4.187 x (3020[C0]+2570(H2)，kJ/kgo单位可燃气体的低热值为:Q;=4.187 x (3020 x[1]邱钟明,陈励.生物质气化技术研究现状及发展前景D]可再生能源，0.2412+2570 x 0.1988)-5588.66 kJ/m’.2002,(4):16-19.查资料可知稻草的热值Q,为13977 kJ/m',则气化效率(2]《谋气设计手册)编写组煤气设计手册[M.北京中国建筑工业出版η为:社,1986.[3]马隆龙吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用[M].北京化学工业出58866x224x 10 x1.56 x 100%0 3.51%5.版社,2003.13977x41.7gx 10”[4]《化学工业设计手册>编写组.化学工业设计手册[M]北京:化学工业出版社,1985.