生物质气化特性的实验研究

第23卷第6期电站系统工程VolL.23 No.62007年11月Power System Engineering12文章编号: 1005-006X(2007)06-0012-04生物质气化特性的实验研究*李延吉'李润东'李爱民’冯磊'姚伟'( 1.沈阳航空工业学院清洁能源辽宁省重点实验室，2.大连理工大学动力工程系)摘要: 在小型固定气化炉和中型气化炉内对典型生物质进行气化实验，分别采用空气、氧气及水蒸气作为气化介质。实验分析了物料、气化温度、气化剂及气化剂流量等影喻因素发生变化时对气化产气特性的影响。研究表明，物料含可燃质高时，产气品位也好:随着气化温度的升高，产气中可燃气含量增加;空气作气化剂时产气的热值低于氧气作气化剂时的产气热值;气化剂的流量发生变化时，气化产气成分也相应改变。关键词:生物质:气化;产气特性中图分类号: TK16文献标识码: AExperimental Study on Characteristic of Biomass GasificationLI Yan-ji, LI Run-dong, LI Ai-min, et al.Abstract: Typical biomass gasification in pilot fixed and suffer type gasifier is studied using the air and oxygen andsteam as gasification medium respectively. When the factors, such as the material, gasification temperature, gasificationmedium and the flux of the gasification medium are changed, the infection to the gasifcation charaterstic is analyzed.The experimental results indicate when the flammable component in the material is high, the gas quality is good. Whenthe gasification temperature is increased, the fammable component in the gas is increased. The calorific power is lowerwhen using air as the gasification medium. When the fux of the gasification medium is changed, the gas component ischanged correspondingly.Key words: biomass; gasification; performance of production气化是在气化介质的参与下，通过部分氧化或还原反应一3将有机原料转化成为载能气体的过程，它可以对废物进行分解破坏，实现快速、显著减容的同时可以实现资源化利用。可生物质气化技术作为-项可再生能源利用技术,引起了国内外学者的普遍重视。本文实验基于自行设计的小型固定气化炉和中型气化炉(移动床),实验用物料中混有生物质、纸张、废轮胎、橡胶等多种物料，为了研究与煤混合使用的效11果，也加入部分煤.影响有机固体废弃物气化特性的因素众多，如炉型、气化温度、气化剂、物料以及气化剂/物料等，图1生物质固定床 气化实验系统图把每种因素做详细分析是不现实的。本实验目的就是以不同1.物料2.固定床3.采样装置4烟邋5.电控装置6.流量计7.减压阀的混合物料在不同的气化剂、气化温度、气化剂流量条件下8.氧气瓶9.导线10.热电偶11.支架对气化产气组分的变化进行实验性研究，从而得到规律性结论与数据，可供实际工程应用参考1-5。1实验实验采用小型固定床批量实验(见图1)和中型规模移动床连续式气化实验(见图2).气体分析仪器使用岛津公司生产的GC-14B 气相色谱1仪。其工作条件为:热导检测器(TCD)，载气为热导率较ie高的He气，固定相为碳分子筛，流量为20 mU/min,初温为130C,终温180C,升温速率5C/min,桥流为60mA,图2生物质中型移动床连续气化实验 系统装置图TCD温度为180 C,检测器温度为180 C.1.风机2.阀门3.臧压阀4.流量计5.气化炉6.料斗7.绞龙收稿日期: 200704178.烟邋9.导线10热电偶 11.集气袋12.燃烧器13.引|风机李延吉(1974-).男，硕土，讲师。沈阳，11003414.烟道15.烟道分析仪16.二次焚烧室17.电控箱18.电子秤*国家自然科学基金资助项目(50606028);辽宁省教育厅计划项目19蒸汽发生器20.氧气瓶(0SL323);学院自选课题(200614Y)第6期李延吉等:生物质气化特性的实验研究13实验选用典型有机生物质组分，其具体成分分析结果见2.2气化温度对气化特性的影响表1,混合物料组成见表2.气化反应活性可以定义如下，见式(1);表1部分物料的工 业分析和元素分析Rma=Wxa(1)My'% V2w% Aw% FCW% Qx/MJ.kg稠壳17.18 38.98 17.38 26 4616.02式中: Rmx-气化反应活性，g/gmin; Wo一样 品最初质废纸4.11 22.47 66.39 7.035.29 75.01 2.06 17.6413.91量，g; dW/dt- - 最大质量损失率，g/min.干树枝20.06 63.15 10.09 6.7013.56气化温度是一个重要的参数,因为温度的高低-方面影树枝7.700 77.62 13.93 0.7508.47响物料的反应速率，同时对一些吸放热的可逆反应也能起到果皮10.40 69.60 17.20 2.8007.29稻秆28.08 36.05 1054 25 3314.68- -定的控制作用，从而可以改变最终产物的分布。在整个气20.80 50.52 9.41 19273.76轮胎0.99 62.49 17.44 19.0830.0化反应中，气化层中的燃烧速度较快,同时干馏速度也比还剪料3898.000.3014244.15原反应的速度要快，所以整个气化反应的速度瓶颈在还原层表2混合 物料的物料质量配比(%)中的反应速度，因此CO2还原成Co的量，主要取决于还原和壳纸居树叶萬草内胎木屑橡胶煤层的化学反应速度。因为反应C+C02-2C0-162 kJ/mol 是物料A的成分12.915.817.524.829.0-一个明显的吸热过程，所以升高反应温度有利于CO2的还物料B的成分9.0058.0 33.0原，有利于制得含CO更多的煤气;同时温度的升高，将促物料C的成分6.30413 10.6 41.8进气化过程中产生的焦油在高温下发生裂解反应，生成小分2实验结果分析子气体。气化温度的升高，会导致物料表面产生更多能量大于气化反应所需活化能的碳分子,这些碳分子将和气相的其2.1不同物料的产气特性它生成物发生更激烈的碰撞，从而加大气化反应的速事，同.物料的反应活性、热稳定性、粒度等物理及化学特性也时温度的升高也会加快物料中心水分及挥发分的析出,导致将直接影响产气组分。对固定床来说，水分进入炉膛内，一物料破碎而增加了参加气化反应的物料的表面积，提高了产部分会发生气化反应，另一部分会干燥蒸发,蒸发的水分冷气率。从表4可以看出,温度增加，气化反应活性增加,有却后将会产生废液:干馏后的物料中的主要成分是固定碳，利于气化反应的进行。其结构多样，可能是致密的，也可能是轻质多孔状的，其与表4反应活性随气化温度变化趋势H2O、H2和CO2的活性不一样，这与物料性质、压力以及反温度S00C600C700C800C应温度有关(4-6。反应活性g(gmin 0.042 0.062 0.085 0.093表3不同物料在不同工况下气化产气组分变化随气化温度的升高，气化燃料中- -氧化碳和氢气的含量气化温度500 c. O,流量为0.1 m'h(%)增加，也有利于甲烷的生成反应发生，使得产气中可燃气组物料CoHCO2其他分增加，燃料的热值升高。从图3中可以看出，随者温度的8.769.114.2622.8 5.0726.1318.524.3132.44 18.61升高，CO的含量由41.57%升高到43.52%, H2 由21.19%升气化温度750C、空气流蟹为3mh (%)到23.26%.焦碳燃烧过程中，由于扩散阻力增加，随着反COCHLH2_CO2其他_应温度的变化，活化能也跟着变化41.当温度高于700 C以15016468623 0810. 5853501823上时，气相扩散率就控制着动力反应，因此CO2应该缓慢增22.365.5101 18025.02 45.93加，但由于温度提高，使得反应速率增加更快，所以共同作从表3可以看出，果皮气化生成的CO高达58.76%，用的结果是CO2有所下降。而CH气体有所下降是因为甲而树枝的仅为26.13%; CO2的变化也很大;甲烷气体也不烷化反应减弱，导致浓度有所下降，但对产气热值来说略有尽相同，由于加入反应的水非常少,可以认为甲烷生成主要增加;这都说明了气化温度的提高使得碳的转化率提高，气是从热解得到的";热解过程中生成的H2含量都比较高，化反应速度加快，气化过程得到强化[7~9].而两种物质气化反应生成的H2的含量都少于5%,这可能是2.3气化剂流量对气化特性的影响由于生成的H2与O2反应生成水分而蒸发:从生成的可燃气气化剂流量不同将影响到参与反应的气化剂的浓度而(仅指co、CH4、H2)比例来看，果皮(72.13%) >树枝影响到CO2的还原率，直接影响产气组分。氧气流量发生变(48.96%)，果皮的效果好于树枝。化后，也会引起0O/物料比的变化。流量增加会增强气化层同时可以看出，3种混合物料产气成分差别不大，特别底部燃烧反应，气化炉温度水平提高:然而也应看到，由于是对CO气体,相对来说，CO2 气体变化要大一些，混合物氧气供应量的增加，燃烧反应加剧，挥发份释放的Co和料C的CO2气体含量相对要高-一些，可见在此状态下,混H2以及CH4可能与过剩的O2反应燃烧掉了:氧气流量的增合物料C的气化活性相对差-一些;物料B的H2含量相对很加会使碳燃烧转化成CO2的量增加，结果一方面给CO2气高，说明在此温度下产物中发生的二次反应程度要深一一些，体还原反应提高了反应物的浓度，增加了CO2还原反应的机结果使得H/CO的值提高，必然提高产气质量:而物料A、会，减少了CO2的量，但另一方面也可能导致没有来得及参B的CH4含量都要比物料C的要高一些，也说明物料A、B加还原反应的CO2气体份额增加，所以最终生成的气体中的气化效果优于物料C.CO2的含量是这两方面综合作用的结果问。一14电站系统工程2007年第23卷随着氧气流量的增加，Co的含量逐渐增加，但效果不从图4可以看出，当氧气的流量从1 m/h变化到6 m/h太显著，这说明虽然氧气浓度增加了,生成的CO2必然增多，时，Co从30.58%变化到36.94%,而CO2也从20.91%增加但CO2还原反应的化学反应速度不是很大,效果不理想。可到27.59%，说明随着氧气的增加导致参加燃烧反应的氧以以看出H2气体含量变化明显降低，从0.1 m'/h时的11.24%及碳也将增加，必然产生更多的CO2,这使得参加还原反应变化到0.4 m'/h时的7.05%， 这可能是由于过剩的氧气与的CO2浓度增加，提高了其还原率; CH,气体的含量有所降H2发生了反应: CH4气体的变化趋势基本上变化很小。总的低; H2的含量基本保持不变，但这些变化并不能保证CH4来说，随着流量增加，燃烧加剧，温度可能提高，根据气化和H2对氧气流量增加没有反应，如果氧气量增加太多，势原理可知，甲烷生成减弱，而重整反应会加强,所以趋势应必将增加过剩氧气与CO、CH4、H的反应机会。随氧气流该是降低的。量的增加，产气的热值有一一个最大值，说明增加氧气流量必从表5中可以发现，随着氧气流量的增加，气化反应活须综合考虑，力求寻找最优流量0.11。性提高，而可燃气组分和气体热值的变化不是十分明显。2.4不同气化剂对气化产气特性的影响表S 600C时不同氧e气流量下树枝的气化产气组分及热值由于空气中的N2参入必将影响各组分的含量，从而影氧气流量O/mh0.10.2 0.3 0.4响到产气的质量，使用O2做气化剂可提高产气中可燃成分反应活性g. (g min)"0.042 0.062 0.064 0.089的含量，同时在温度高于8S0 C下通入水蒸气参与反应的气体组分1%69 7068热值MJ. Nm11.010.561.1510.85话，可使产气效果更显著。50卜10 HC8500900C1coCH4CO2omenCO02othricomponent图3气化剂为氧气+水蒸气,氧气流量为3m'h,水蒸气流图5 800C, 气化剂分别为空气和氧气，量为53 g/min时物料A在不同温度下的气化产气组分变化流量为3 m/h下物料A的产气组分10,H,0- CHt - othersflow tate (m'th)20CHeHIhen图6900 C，气化剂分别为氧气和氧e +水蒸气,流量为3 m'/h下物料A的产气组分从图5可见，氧气做气化介质时，产气热值要明显高过空气做气化介质的热值，CO的含量明显增多，这可能是由于参与燃烧的氧气量增加，从而使得参与还原反应CO2气体浓度增加，提高了CO的含量，同时也增加了CO2的含量:CH4气体的含量有所下降，原因可能是由于部分与过剩的O2发生燃烧反应，同时N2的加入稀释了其浓度，最后影响Flow rate of oxygon (m'M)产气热值.图4物料A在850C氧气流量分别为1. 3. 6 m'h时产气组分从图6中可以明显发现气化介质为氧气(下转第24页)24电站系统工程2007年第23卷机叶轮车削、叶型改进等，使泵或风机在高效区运行。6结论4.3大型电动机调速或变频技术应用的研究因设计选型容量偏大,加之变工况运行,造成能耗升高，通过分析国华电力俄制机组经济性方面存在的问题，通变速运行是实现动力设备节能潜力的措施。变速设备有双速过加强节能管理，技术经济指标管理体系分析，优化运行，电机、液力偶合器调速、变频调速等，其中变频调速容量可强化设备治理，提高检修质量，加强燃料管理，进行技术改满足电站所有容量的需要，优先选用.经测算俄制机组降低造，俄制机组经济性一定能够得到进一步提高,预测到2010年盘山公司和绥中公司供电煤耗率分别能够达到321和324厂用电率潜力为0.5%~1.0%.gkW.h,将为实现国华电力的节能规划目标(318 g/kW.h)5充分认识煤质对机组经济运行的影响做出贡献。充分认识煤质对机组经济性的影响.例如入厂与入炉煤参考文献发热量差值、入厂与入炉煤水分差值、煤量的计量、煤的发[1] 西安热工研究院有限责任公司，北京国华电力技术研究中心有限热量和挥发分等。煤质影响锅炉效率、制粉系统的单耗、辅公司.国华电力发电技术经济指针评价研究报告[R].2006.助设备单耗等。目前存在的问题是入厂与入炉煤水分差值过编辑:巨川大，入炉煤高于入厂煤，主要是输煤廊道除尘所致。(上接第14页) +水蒸气时，气化产气热值明显高过氧气做气体; CH4气体有所降低，原因是甲烷化反应能力减弱，导气化介质时的产气热值，CO、 CH4、 H2 三种气体的含量要致最后产气的热值增减缓慢。C比气化介质为氧气时对应成分高很多，特别是H2的含量从8.31%提高到23.26%，CH从9.32%提高到16.68%, CO也从34.61%提高到43.52;产生这种现象的主要原因是发生了([1]苏学泳, 王智微，程从明，等.生物质在流化床中的热解和气化研生成水煤气(粗煤气)的反应:究[J].燃料化学学报, 2000, 28(4): 298- -305.C+H20→CO+H2(2)2] 李延吉，李爱民李润东等基于灰色关联度和BP神经网络研C+2H,0→CO, +2H2(3)究生物质热解产气待性[J.太阳能学报，2003, 246); 776- -780.同时一些碳氢化合物也会参与反应，如:3] Wurzel T, Malcus s, a1 al. Reacting egineeing invsigaions ofCO2refoming in a fuidizod-bed rector [n] Chem. Eng Sci, 2000, 55(18):C,H, + 2H2O→2CO+ 3H,4)3955~3966.这些反应作用的共同结果使得产气中可燃气成分如4] 吴创之，股秀丽，等生物质富氧气化特性的研究0.太阳能学报CO、CH4、 H2 等含量增多，特别是H2的含量增加的效果最1997, 18(3); 237~242.明显，说明水蒸气是很重要的气化介质，通常水蒸气包括了I5] Ng K L Chadwick D. Toselad B A, a al. Kinetis and modeling of物料中的水分以及外部加入系统的水蒸气,其作用结果是除dim etyl ether synhesis from synthesis gas 小Chem. Eng Sci,了可以提高碳的转化率外，还可以有效地调节产气组分21。1999, 54(5): 3587~3592.6] R VPindoria Comparison of the prolysis and gasifcaion ofiomass:3结语effet of reacting rs atmnosphere and pressure on eucalypus wood凹Fuel, 1998, 7:247~-1251.(1) 通常情况下，含有可燃物成分高的物料所产生的燃[7] Tum s, Kinoshia C, Zhang z, et al. An experinental ivestigtion of气热值相应较高。lydrogen production from biomass gasication仍Imt J. HydrogenEnery, 1998,8: 641~648.(2)空气做气化剂时， 产气中可燃气的含量普遍低，原[8] 张济字,等福建无烟粉煤催化气化[U燃料化学学报999,9 27因是N2的加入稀释了可燃气的浓度:与空气相比使用氧气(6): 238~244.做气化剂，可明显提高产气质量，但CO2的浓度也会增大;9] 杨松华，等加热速度对煤的气化反应性的影响刀东北大学学报,实验系统中加入水蒸气后，CO、CH4、H2的含量明显增加,1998, 19(2):128~130.热值也相应有很大的提高:而且与氧气做气化剂相比，H2[10] M Kumar, R C Gupa Inluence of carbonization conditions om the含量提高的更多，这是由于发生了粗煤气反应的结果。gasification of acacia and cucalyptus wood chars by carbon dioxide贝Fuel, 1994. 73: 1922~1930.(3)当氧气流量增加时， Co的含量增加，产气热值应11] Wu Jianzhi. Performance analysis of a biomass circulation fuidizad存在- -最大值.bed gaifir [小] Biomass and Biocnergy. 1992, 32);105~110.0.(4)随著反应温度的提高， CO、H2的含量有所增加，.[12] Javier G, Jose C. Biomass gasification in atmospheric and bubbling而CO2的含量有所降低;同时热解在气化中仍占有相当的比fluidizd bed: efet of the type of gasifying sgent 明n the product例，温度的升高有利于热解中挥发分的释放，更会降低焦油distribution [I]. Biomass snd Bioenergy, 999, 17: 389~403.的生成量，促进焦油的二次裂解反应，以生成更多的可燃性编辑:闻彰