第34卷第2期同濟大學學報(自然科學版)2006年2月JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Feb.2006生物質(zhì)固定床氣化試驗研究魏敦崧1,李芳芹2,李連民3(1同濟大學機械工程學院,上海20002;2.上海電力學院能源與環(huán)境工程學院,上海200003.上海燃氣市北銷售有限公司,上海200434)摘要:根據(jù)生物質(zhì)的氣化原理,利用固定床上吸式氣化的試驗方法,對生物質(zhì)進行氣化研究搭建一小型氣化試驗爐,分析采樣氣,得到氣化氣的熱值利用實測數(shù)據(jù)計算法計算各種氣化指標,同時研究了爐溫原料特性燃料層厚度等操作條件對生物質(zhì)氣化的影響建立了數(shù)學模型,對氣化過程進行模擬進一步研究氣化爐內(nèi)部的反應狀況比較模擬計算得出的燃氣成分、熱值與試驗測得的相應數(shù)據(jù)驗證了上吸式固定床氣化方法的可行性關(guān)鍵詞:生物質(zhì);固定床;氣化;試驗研究中圖分類號:TK6;TQ546.2文獻標識碼:A文章編號:0253-374X(2006)02-0254-0Test Study on Biomass Gasification in Fixed BedsWEI Dunsong', LI Fanggin2, LI Lianmin3(1. College of Mechanical Engincering, Tongji University, Shanghai 200092, China2. Energy and Environment Engineering Institute, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China3. North Shanghai Gas Business Co. Ltd., Shanghai 200434, ChinaAbstract: Based on the principle of biomass gasification, the method, updraft gasification in fixedbeds,is adopted to study the process of biomass gasification. After setting up a small-scale test gasifiand analyzing sampled gases, the heat value of gasified gas is available. Tested data method is used toalculate gasification criterions, and at the same time, the effects of temperature of gasifier, characteristics ofraw manaterials, thickness of fuel on the biomass gasification are discussed. A mathematicalodel is established to simulate the process of gasification and study the chemical reaction in the gasification furnace. Ingredients and heat value of simulated gases are compared with corresponding testeddata. The feasibility of updraft gasification in fixed beds is verifiedKey words: biomass; fixed bed; gasification; test study隨著全球性工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,以煤、石油為主的_1.例如,大部分秸稈被無端燒掉、垃圾被填埋或常規(guī)能源的日益短缺和環(huán)境污染的不斷加劇,促使倒入河海中等,這不僅浪費資源,而且對環(huán)境還造成人們加緊研究各種可替代能源.可再生的生物質(zhì)能嚴重污染.有效利用這些生物質(zhì)的一個有效途徑就在能源結(jié)構(gòu)中占有極其重要的地位我國生物質(zhì)資是把生物質(zhì)氣化成燃氣來加以利用本文利用固定源(木料、秸稈及垃圾等)蘊藏特別豐富,但據(jù)統(tǒng)計,床中國煤化工稈進行氣化研究生物質(zhì)能的利用僅占可用生物質(zhì)資源的三分之YHCNMHG收稿日期:2004-09-22作者簡介:魏敦崧(1944-),男,上海人,教授博土生導師 E-mail: dsweib@ mail, #cdu,cr第2期魏敦崧,等:生物質(zhì)固定床氣化試驗研究氣,通過羅茨鼓風機后,分成兩路:一路旁通,直接排1生物質(zhì)氣化過程放到大氣中;另一路流經(jīng)并聯(lián)的轉(zhuǎn)子流量計和孔板流量計,計量后進入氣化爐,作為氣化劑進入氣化生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有爐的空氣量是通過調(diào)節(jié)閥門來控制的.空氣流量測機物和水分組成生物質(zhì)氣化過程是生物質(zhì)中有機量儀采用兩種并聯(lián)的流量計:低流量時,用轉(zhuǎn)子流量物轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的過程.氣化爐內(nèi)燃料層自上計;高流量時,用節(jié)流孔板流量計而下可以分為三層:干燥層、熱解層和氣化層(包括煤氣出口氧化層和還原層)生成氣干燥的燃料在熱解過程中測溫孔取樣孔產(chǎn)生CO,CO2,H2,N2,H2S,焦油蒸氣及少量的入料口CH4,CmHn等氣體以及焦.隨后,固體焦發(fā)生如下的氧化、還原反應氧化層C+O2=CO2(放熱反應)2C+O2=2OO(放熱反應)還原層C+OO2=2CO(吸熱反應)C+H2O=CO+H2(吸熱反應)CO+H2O=CO2+H2(放熱反應爐門風道C+2H2O=CO2+2H2(吸熱反應)【I可見,生成氣的主要可燃成分為CO和H2圖1試驗用氣化爐示意圖(單位:mm)2試驗裝置及測試系統(tǒng)g 1 Sketch figure of used gasifier(unit: mm)2.3燃氣燃燒器本試驗的氣化試驗裝置2包括氣化試驗爐供本試驗中,設(shè)計了兩個直管式燃氣燃燒器.一個風系統(tǒng)、燃氣燃燒器和測試系統(tǒng)等.試驗爐為上吸式是自然引風擴散式燃燒器,供烘爐及點爐時使用;另固定床氣化爐,爐中的氣固兩相呈逆向流動.與下吸一個是用于燃燒生成燃氣的管式燃燒器,同時也可式固定床相比較,上吸式氣化爐的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,監(jiān)視生成燃氣的質(zhì)量氣化效率高,灰渣含碳率較低;其缺點是氣化燃氣中2.4測溫系統(tǒng)含焦油較多氣化爐內(nèi)床層的最高溫度約1000℃左右,采2.1氣化試驗爐用鎳鉻-鎳硅熱電偶來測量爐內(nèi)溫度,為了測量床氣化試驗爐3如圖1所示釆用耐火磚爐墻既層不同高度的溫度分布,在爐排以上750~1200能耐高溫,又可減少散熱損失試驗時爐門需關(guān)閉,mm之間布置了五個測溫孔.各熱電偶經(jīng)過轉(zhuǎn)換開但由于實驗條件等原因,爐門密封不夠好,所以會有關(guān)接到數(shù)字式毫伏計,可以連續(xù)觀察不同床高的溫少量空氣漏入爐頂左側(cè)為加料口,為防止物料上方度變化有大量空氣漏入,于加料口處又砌有180mm高的2.5取樣裝置及氣體分析儀護磚,形成一個喉頸,加料時此處塞有物料,形成料取樣管采用銅管,斷面切成斜面銅管固定在煙封,可適當減少由此漏入的空氣量.右側(cè)為燃氣出道內(nèi),使斜口斷面向下,正好迎著上升的燃氣流由口,與砌磚煙道相連接在砌磚煙道上方安裝有鐵皮于爐內(nèi)呈微負壓,采用取樣泵將氣樣抽取到取樣袋煙囪砌磚煙道內(nèi)預埋有測溫銅管及取樣管,用來測內(nèi)取樣管還起到冷卻作用,500~600℃的出爐燃量燃氣出口溫度和取燃氣樣取樣管布置在煙囪斷氣,到達取樣泵入口時可降到大氣溫度采用奧氏氣面中心位置處,以保證所取燃氣樣具有代表性為了樣分析儀在常溫下對采樣氣進行分析解整個爐內(nèi)溫度分布情況,在爐墻的不同高度上布置了測溫孔I中國煤化工2.2供風系統(tǒng)CNMHG析本試驗采用空氣作為氣化劑鼓風機采用一臺每次試驗都要從冷爐啟動,所以在氣化前需要出口靜壓為88.26kPa羅茨鼓風機經(jīng)過過濾的空段時間點爐升溫,使爐膛達到適宜氣化的高溫狀同濟大學學報(自然科學版第34卷態(tài)在氣化過程中,灰渣的排除和投料量的調(diào)節(jié)是兩氣作為氣化劑故采用前兩種方法來調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度個特別重要的環(huán)節(jié)灰渣的排除采用人工方法來實加入物料后,將熱電偶插人各測點測量爐膛溫度,每現(xiàn),具體排渣量和排渣時間視試驗具體情況而定.灰5-10min作一次溫度記錄.在氣化穩(wěn)定時,溫度記渣層過厚,將增加上升的氣化劑所受的阻力;反之,錄的時間間隔可適當減少,測定記錄爐膛溫度并進氣化爐的熱容量過低,爐膛內(nèi)溫度達不到氣化要求.行燃氣采樣試驗中,一般控制在20-300mm左右氣化爐操3.1氣化結(jié)果作過程中,控制溫度的方法有改變投料量、調(diào)節(jié)空氣實驗測試的物料元素分析見表1產(chǎn)氣成分及及調(diào)節(jié)蒸氣量三種在本試驗過程中,由于只用空其氣化指標見表2表1元素分析(質(zhì)量分數(shù))Tab 1 Analysis of elements(rate of mass)質(zhì)量分數(shù)/9物料共計木塊45.6619.9925.770.1649.381)A為灰分表2產(chǎn)氣成分Tab 2 Components of gas質(zhì)量分數(shù)/%值/氣化效產(chǎn)氣率/物料木塊11.900.601.9015.802.907.5059.404508.8729296垃圾14.3070,901780.322.360.642.6710.982.1062.793420.964.603.2氣化計算結(jié)果分別見表3圖2計算中帶出物損失忽略不計采用實際數(shù)據(jù)計算法進行氣化過程的計算以由表3可以看出,以100kg燃料為基準,計算所得谷殼為例,其物料平衡熱量平衡以及氣化指標計算的輸入與輸出的物料相差789kg表3元素物料平衡表(100kg燃料)Tab 3 Material balance of elements (100 kg fuel質(zhì)量分數(shù)/%項目A共計谷殼1.88輸人空氣中水蒸氣0.503.9954.7037.606.3498.9182.080.0914.37339.40燃氣182.07輸出燃氣中水蒸氣3.9231.3435.2615.9914.37347.2733氣化過程的影響因素另外,空氣的分布亦對氣化質(zhì)量有影響,如果布331空氣流量及分布的影響風不均勻,將使得同一截面不同位置的氣化速度不空氣流量對氣化質(zhì)量有很大的影響.實驗表明,致,進而影響氣化質(zhì)量本實驗中采用分布板來調(diào)空氣量過大時,氧化層增厚爐內(nèi)溫度下降O2增節(jié)空氣氣流的分布在冷床試驗中通過測定爐內(nèi)各加,CO減少,氣化質(zhì)量降低;反之,空氣量不足時,測中國煤化工最佳布置位置以獲得氧化層變薄,反應不完全,氣化效率降低因此,為了較CNMHG質(zhì)量嚴格控制空氣流量,實驗采用轉(zhuǎn)子流量計和孔板流3.3.2物料層的影響量計計量、調(diào)節(jié)空氣旁通的方式由于加料口設(shè)在爐膛左側(cè),物料在爐排上分布第2期魏敦崧,等:生物質(zhì)固定床氣化試驗研究257很容易不均勻,因而在加料過程中,用釬子撥平物徑小,其熱阻力也小,氣化爐內(nèi)的溫度分布也就越均料,以減少料層分布不均勻的影響勻,氣化結(jié)果好水分的影響主要體現(xiàn)在兩個方面爐內(nèi)氣化層包括氧化層和還原層,從氣化穩(wěn)定方面蒸發(fā)需要消耗氣化過程中燃燒反應所放出的熱后測試的不同料層高度處的溫度分布曲線圖(見圖量;另一方面由于水是一種氣化劑能與C發(fā)生水煤3)上,可推斷出各料層的大致位置此試驗的點火時氣反應生成和CO2,進而提高氣化氣的質(zhì)量間為下午2:30,點火23min后,750~900mm為氧0.849Q4)7.60%(Q)化區(qū),氧化層厚度約為150mm,溫度約為850℃;05296)0.409%(Q900-1150mm為還原區(qū),還原層厚度為250mm,溫度為500~900℃;1150mm以上是預熱區(qū),物料加到1500mm處,預熱層厚大約為350mm.開始14%6(Q)時灰渣層很薄,可以忽略隨著氣化反應的進行,灰5%(Q3)渣層加厚氧化層、還原層上移,氣化層相對厚度減小,點火后65min左右,在料層高約900mm處才輸入熱量輸出熱量進入氧化區(qū),此時溫度為850℃.Q-燃料熱值Q3干煤氣熱值3.3.3氣化物料性質(zhì)的影響燃料物理熱千氣物理熱干空氣物理熱Q一煤氣中水蒸氣物理熱物料粒度大小、總表面積及其含水量等對于燃料Q空氣中水蒸氣物理熱灰渣化學熱Q,一灰渣物理熱層中的氣化過程均具有很大的影響物料粒徑越小,Q10爐墻散熱等損失數(shù)烈,其總表面越大,熱交換和擴散過程就進行得越激圖2熱量平衡圖使整個氣化過程進行得越激烈和越完全并且物料粒Fig 2 Heat balance50點火后23min點火后65min點火后28min火后35m點火后55min點火后86min7008009001000110012000011001200高度/mm圖3不同時刻爐內(nèi)溫度隨料層高度的分布曲線Fig 3 Distribution temp. curves along material height in various hours3.3.4出爐溫度的影響4.1.1假設(shè)出爐燃氣溫度是燃氣質(zhì)量的重要指標之一,又是在不造成失真的條件下,為便于建立模型特作爐內(nèi)氣化情況特別是爐內(nèi)各層次正常與否的重要標以下假設(shè)與簡化:①爐內(nèi)氣固兩相都呈活塞流,反志一般出爐溫度在500-600℃之間屬于正常狀況,應器徑向的非均一性可忽略按一維問題處理;②并且在正常狀況下,爐內(nèi)溫度分布越均勻,產(chǎn)出的燃反應器內(nèi)壓力視為常數(shù);③處于穩(wěn)定氣化狀態(tài),爐氣質(zhì)量也越好這是因為均勻的溫度分布阻止了燒內(nèi)各種參數(shù)不隨時間而變化;④由于徑向擴散遠遠穿、偏爐等情況的發(fā)生,從而使得氣化反應穩(wěn)定大于軸向擴散,且爐內(nèi)對流傳熱遠遠大于輻射傳熱,生物質(zhì)固定床氣化的數(shù)學模型故忽略軸向擴散以及輻射傳熱4.1.2基本方程及其邊界條件4.1模型的建立中國煤化工的不同,把整個氣為進一步從理論上探討氣化爐內(nèi)部的反應過化過CNMHG餾層氣化層灰程本文建立了一維非均相穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型對氣化過渣層因氣化層對于整個氣化過程十分重要,在此對程進行模擬,并與實驗結(jié)果進行比較其進行較詳細的分析,而干燥干餾層和灰渣層內(nèi)過同濟大學學報(自然科學版)第34卷程比較簡單分別對這兩層作整體處理根據(jù)以上假m-3;Aw為單位床層體積器壁內(nèi)側(cè)面積,m2定,建立反應器的數(shù)學模型,如圖4所示邊界條件:在氣化層底部z=L1處,Tg(L1)=物料煤氣T1g,Cg(L1)=C1g;在氣化層頂部z=L2處,TI:+dT, TR+dTg4.1.3灰渣層和千燥、干餾層的計算灰渣層中,認為空氣只與灰渣發(fā)生熱交換而不z+dz發(fā)生任何化學反應,通過灰渣層后,空氣量不發(fā)生變化把整個灰渣層作為研究對象,氣固相傳熱Q應等于固相熱容的減少Q(mào)LyQg=KF△TQs=cpM(TIs- Tos圖4氣化爐控制體△T=0.5[(T1-T1g)+(Tos-Tog)](7)Fig 4 Control body of gasifier式(5)~(7)中:K為氣固相傳熱系數(shù)kJm-2在氣化層內(nèi)取微元段dz,建立物料及熱量平衡s-1K-1;F為氣固相間傳熱面積,m2;△T為氣固微分方程式相平均溫差K;c為灰渣比熱kJkg-1.K-;M為(1)灰渣質(zhì)量流量kg·s1;Tg,Tg為氣相在灰渣層底d部和頂部的溫度,K;To,T13為固相在灰渣層底部dC=∑ARA(2)和頂部的溫度,K在干燥層和干餾層中,假設(shè)物料失去全部的水=-∑Rg·△H分和揮發(fā)分,即進入氣化層的焦只含有灰分和固定碳,這樣就可由投料量計算氣化層頂部碳的摩爾流hS(T。-Tg)+UA(Tw-Tg)(3)量干餾燃氣的組分可以按照通常的熱解模型進行dT計算(41.假設(shè)氣化層所產(chǎn)生的氣體在干餾干燥層不CAm.CpA+分Cm)d2=參與反應,則氣化總?cè)細饬考礊楦绅s氣和氣化層所產(chǎn)生氣體量之和∑R4·△H+hS2(T。-Tg)(4)4.2模型結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的分析式(1)~(4)中:Rk為反應的總床層表觀速率,mol用上述建立的數(shù)學模型,以谷殼作燃料為例進s1m-3;Rk3為反應在固相中的表觀速率,mols-1行計算得到爐子出口處的燃氣成分與熱值(見表m-3;Rg為反應在氣相中的表觀速率,mol,s-1.4)燃氣中O2,OO2,H2和CO各組分隨氣化爐高度m-3;Cg為氣相組分的摩爾流量,mls-2m-3;Aa的分布見圖5.從圖5看出,氣化層內(nèi)隨著氧化反應為組分i在反應k中的計量系數(shù),生成物取正,反應物取負;z為反應器的軸向距離,m;C為固相組分的摩爾流量,ms-1.m-2;A為組分j在反應中的計量系數(shù),生成物取正,反應物取負;c為氣相組分i的恒壓摩爾熱容,數(shù)值參考手冊數(shù)據(jù)選取,kJmol-1.K-1;cm為固相組分j的恒壓摩爾熱容,數(shù)獻爾40值參考手冊數(shù)據(jù)選取,kJmo-1K-1;CAm為灰的質(zhì)量流量,kgm-3.s-1;cpA為灰的恒壓質(zhì)量熱容,數(shù)值參考手冊數(shù)據(jù),取0.934kJmo-1.K-1;△Hk為化學反應的反應焓, kJ. mol-1;h為氣固相間傳熱中國煤化工離/m系數(shù),kJm-2.s-1.K-1;U為器壁總傳熱系數(shù),kJCNMH度的變化曲線K;T。為器壁外側(cè)溫度K;S。為床層比表面積m-2s-1.K-1;T為氣相溫度,K;Ts為固相溫度Fig 5 Variation curve of components ofwith hearths height第2期魏敦崧,等:生物質(zhì)固定床氣化試驗研究表4燃氣成分與熱值Tab 4 Gass ingredients and heat value項目體積分數(shù)/%共計熱值/(km3)試驗數(shù)據(jù)0.642.6710.986.212.1062.79100.03420.00模擬數(shù)據(jù)13.348.322.4361.76100.4030.56偏差/%100.0的進行,OO2的含量增加很快,且有一較明顯的峰之有效的生物質(zhì)處理方法現(xiàn)總結(jié)如下值反應初期,由于部分的CO和H2反應,CO2生成(1)試驗利用一小型的氣化試驗爐實現(xiàn)對生物量逐漸增加隨著溫度的提高,由于CO2的還原反質(zhì)(木塊、垃圾和谷殼)的氣化,其中以谷殼氣化為應,使得CO2達到峰值以后的含量有所減少例,試驗所得燃氣熱值約為3500km-3,燃氣中由表4可以看出除試驗氣體中含有氧氣外(這OO體積分數(shù)較高,約占12%左右是因為在試驗過程中,氣化爐頂部密封不夠好而滲(2)從氣化計算結(jié)果來看,物料平衡的總誤差入空氣所致),試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本吻合在5%左右由于本試驗所采用的氣化爐本身結(jié)構(gòu)按照上述數(shù)學模型進行了模擬計算,根據(jù)模擬所限,散熱損失較大,平均散熱損失占總熱損失的結(jié)果和試驗數(shù)據(jù),作出沿軸向的氣相溫度Tg、固相10%.為提高氣化爐的熱效率,必須加強爐子的保溫溫度Ts和實測溫度的變化曲線見圖6.從圖6可以措施看出氣相溫度Tg、固相溫度T和實測溫度的變化(3)物料層、氣化物料性質(zhì)和出爐溫度等對氣趨勢和大小基本吻合,證明了所建的數(shù)學模型基本化都有影響上能反映秸稈固定床氣化的實際狀況(4)本文建立的數(shù)學模型基本符合氣化爐內(nèi)的反應過程,模擬計算得出的結(jié)果與實際試驗測試的1000實測溫度數(shù)據(jù)基本吻合參考文獻:[1]邱鐘明,陳礪.生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[]可再生能源,2002(4):1600800900100011001200QIU Zhongming, CHEN Li Progress and prospect of biomassz, mmgasification[J]. 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