2009年7月廣西輕工業(yè)第7期(總第128期)GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY化工與材料高溫空氣氣化爐的氣化效率探討李敬,鄧元望,劉彧,羊濤,黃志誠(湖南大學機械與運載工程學院,湖南長沙410082)【摘要】棖墕高溫空氣氣化爐的物料平衝原理,建立了基于研究高溫生物質(zhì)氣化效率的理論數(shù)學模型,并根據(jù)高溫生物質(zhì)氣化效率的理論數(shù)學模型進行計算。結(jié)果表明,采用高溫空氣對生物質(zhì)進行氣化理論氣化效率可達3351%【關鍵詞】氣化爐;干燥;裂解;氣化;高溫空氣;生物質(zhì);氣化效率【中圖分類號】TK92【文獻標識碼】A【文章編號】1003-2673(200907-21-02世界上生物質(zhì)資源十分豐富,目前全球每年生物質(zhì)產(chǎn)量約等動力裝置的燃料,或用于生活需要為全球總能耗量的6-10倍左右。據(jù)統(tǒng)計,生物質(zhì)資源潛力可達100億噸,僅森林、草原和耕地這三項的產(chǎn)量就達50億噸干生物質(zhì)相對于20億噸標準煤。我國可以開發(fā)利用的生物質(zhì)能源有:各種農(nóng)業(yè)廢棄物(秸稈和谷殼等)薪柴、林業(yè)廢棄物(樹葉和枝婭等)、有機垃圾和人畜糞便等。專家研究指出,我國僅現(xiàn)有的農(nóng)林廢棄物實物量就為15億t約合74億t標準煤,可開發(fā)量約為46億t標準煤。然而,生物質(zhì)的利用僅占可用生物質(zhì)資源的1/3。我國西部地區(qū)國土面積占全國的23,生物質(zhì)儲備亦相當豐富,占全國儲量的1/3以上,但廣大西部地區(qū)經(jīng)濟不發(fā)達,生產(chǎn)方式落后,大量生物質(zhì)資源被拋棄、或被野外焚圖1生物質(zhì)高空氣氣化爐工作原理圖燒、或被熱效率低下的爐灶燒掉,這不僅是對生物質(zhì)能源的嚴重浪費更造成了環(huán)境污染。而生物質(zhì)氣化技術作為生物質(zhì)能2生物質(zhì)高溫氣化計算源利用的重要方式,不僅能高效地利用生物質(zhì)能源,更能很好生物質(zhì)高溫氣化計算主要有實際數(shù)據(jù)計算法和綜合計算的解決環(huán)境污染問題,正受到廣泛關注法等兩種方法實際數(shù)據(jù)計算法是根據(jù)氣化爐的工業(yè)實驗通過實際測定值求得可燃氣體的組成,并在實測數(shù)據(jù)的基礎上,1生物質(zhì)高溫氣化系統(tǒng)的組成及工藝流程進行全爐的物料平衡計算和能量平衡計算,并確定各項氣化指生物質(zhì)高溫空氣氣化爐工作原理圖如圖1所示。生物質(zhì)高標。綜合計算法是在一定的理論基礎上,結(jié)合應用實際數(shù)據(jù)及溫空氣氣化系統(tǒng)主要由高溫空氣發(fā)生器、卵石床氣化爐、余熱假設進行計算的方法。以下采用綜合計算法對生物質(zhì)高溫空氣回收裝置、氣體凈化及干燥裝置、汽輪機等動力供應裝置及空氣化過程進行分析,從而得到其氣化效率。氣壓縮機等輔助裝置組成?？諝鈮嚎s機將常溫空氣經(jīng)四通閥壓21假設入高溫空氣發(fā)生器中,與蜂窩陶瓷蓄熱體進行熱交換,空氣溫對干燥和裂解過程中的幾點說明及假設如下:度迅速升溫到1000℃以上。獲得的高溫空氣分成兩部分,一小(1)由于氣化爐在運行過程中需要密閉,因此在干燥及裂部分用于高溫空氣發(fā)生器另一側(cè)燃氣的燃燒。其余大部分進入解過程中產(chǎn)生的水分和揮發(fā)分均留在氣化爐內(nèi),裂解去發(fā)生的卵石床氣化爐。生物質(zhì)與高溫空氣同時進入氣化室中,以反應如下嗎03-05的化學計量速率氣化,同時亦與水蒸氣發(fā)生重整副反CHOa065cs+044H2+015H2O+017C0+Q17CO2+0005CH4。氣化所得的燃氣及液態(tài)熔渣夾帶部分未氣化完的碳粒從卵裂解反應中產(chǎn)生的其他烴類物質(zhì)很少,在此忽略不計石間的縫隙中流過,熔渣及碳粒被卵石捕獲,沿卵石表面下滑。(2)裂解過程中的可燃氣體在氣化爐內(nèi)均發(fā)生氧化反應碳粒得以在足夠長的時間內(nèi)氣化完全,熔渣則滴入下部的集灰生成CO2和H:O。器中排出氣化室。高溫燃氣與熔渣分離后輸出氣化爐進入余熱(3)由于高溫低氧的環(huán)境可以大大抑制NO,的生成使鍋爐/水冷裝置釋放顯熱,產(chǎn)生100℃的水蒸氣添加到預熱NO,排量下降到100mg/m3以下,因此在此選用含氧量11%的前的常溫空氣中。冷卻后的燃氣進入氣體濕式凈化裝置中凈高溫空氣,其NO的排放量約為40mg/m3化凈化后的清潔燃氣又分成兩部分,一部分用作高溫空氣發(fā)22中國煤化工生器的燃料,另一部分用作工業(yè)上汽輪機、燃氣輪機、蒸汽鍋爐CNMHG構(gòu)和運行條件的不同而PUNy(m n,假設為150Kg(m2h)=【作者簡介]數(shù)196石家莊人向大熱能與動力工程業(yè)本科生【基金項目】湖南大學圖家SIT項目資助417g/(m2h),稻草的工業(yè)成分如表1所示。即表1稻草的工業(yè)成分[CO][CO F-0.448mol+0.558 mol水分灰分開發(fā)分固定碳含量(2)氫平衡方程含量(%497138665.11可燃氣體與未分解的水蒸氣中的氫均來自干燥及裂解區(qū)中產(chǎn)生的水蒸氣因此有由表1可知:氣化爐每秒單位m2產(chǎn)生的各成分的質(zhì)量及[H F[H, OJ=H, OK物質(zhì)的量為:其中田H2O1H2O分別代表未分解的HO和來自于燥及定碳:417×166%=67(g)裂解區(qū)中生的水蒸氣的物質(zhì)的量。則:[C}0.558mol[H HH 01=0.9963mol水分:417×4.97%=2072(g)(3)氧平衡方程則:[H2O=0.115mol參加反應的氧是來自高溫空氣和水蒸氣,產(chǎn)物為CO2和其中[C]田H2O分別代表CH2O的物質(zhì)的量,下同Co,則23裂解階段計算[CO +CO]+[H,01=(H 0L+[O]由方程在生物質(zhì)氣化過程中,氧氣用量通常是理論上生物質(zhì)完CH1O0.65C6+044H2+015H2O+0.17C0+0.7C02+全燃燒所需氧量的20%~40%。假設采用理論最佳當量比為0005CH028,則由:計算可得:CH1AOa6+10502CO2+0.7H20[H4]=0646mol可知完全燃燒的理論氧氣用量為15435ml,因此采用含[HO]=02205mol氧21%的空氣完全燃燒時所需的理論空氣量為=15435224=16464(L)[Co-1=0. 1911 molCH4]=0.0074mol即V氣=16464×028=4610(L)因此裂解時的各氣體組成如表2所示假設高溫空氣氣化時也采用4610L,則含氧量為表2裂解后的各氣體組成Va=4610×11%=507(L)H, C0 CO, CH, HO物質(zhì)的量mol06460.2599019110007403355O小507/224mol=0226mol2 CO-HCOK+H2O=0.9963m+2x0226m(3)在高溫空氣氣化過程中高溫干餾是一個邊裂解邊燃燒的(4)平衡常數(shù)方程:過程,并且溫度很高其中可燃氣體發(fā)生分解和燃燒因此在裂ICo I[(4)解最后得到的氣體成分如表3所示表3裂解最后得到的氣體成分其中CO小[CO]HJ[HO分別代表CO2COH2未分COz CH, H20解的H2O的物質(zhì)的量,單位mole物質(zhì)的量ml000.448400.9963影響平衡常數(shù)因素較多,主要是溫度、各個反應物的初始濃度。在研究的范圍以內(nèi)溫度是最重要的因素。氣化溫度取24高溫氣化過程計算1300℃,解平衡常數(shù)K=235在高溫空氣氣化的過程中氣化階段的反應物主要是裂解解由(1)、(2)、(3)、(4)組成的方程組得氣化區(qū)生成的各成區(qū)反應中產(chǎn)生的固定碳氣化劑中的氧氣、干燥及裂解區(qū)中產(chǎn)分的摩爾量如表4所示。的水蒸氣,反應后的產(chǎn)物由CO、CO2H2、CH4、N2組成表4氣化區(qū)生成氣體成分(1)碳平衡方程氣體成分由上可知進入氣化階段的固定碳為0558mol,還原區(qū)的反物質(zhì)的量/mo108550.1510.7050.2913標狀下體積兒19.1523.38215.7926525應為C+CO2→2C0可以計算得氣化劑中其他氣體在標準狀況下的體積為:H2O+C→CO+H2V=4610×8%=41092(L)2H2O+C→CO2+2H2燃氣的體積:H2O+CO→CO2+H2o1cn:∠5=383264(L)中國煤化工氧化區(qū)的反應為:士分比如下表5所示。CNMH成分2C+03→2C0體些百分比(%由此可知,C-CO2或C-CO,因此有:[COF[ COHC]下轉(zhuǎn)第24頁)機械雜質(zhì)容易成為蠟結(jié)晶的核心,使蠟沉積強度增大要較高的溫度,在石蠟沉積部位較深和對溫度有限制的情況下145管壁材質(zhì)的影響有顯著地特點。水基清蠟劑的主要成分是水和石蠟分散劑,水試驗表明,管壁的材質(zhì)和粗糙度對蠟沉積有顯著影響。在中有時還加入甲醇、乙醇、異丙醇、二乙二醇單丁醚、環(huán)乙醇及石蠟結(jié)晶過程中,內(nèi)壁所提供的結(jié)晶核心的多少和結(jié)晶的難易甲基環(huán)乙醇等互溶劑以提高原油和水的互溶作用,也有將對沉程度就不同。管壁的粗糙度越大越易產(chǎn)生蠟沉積積石蠟溶解性較好的溶劑油與水和石蠟分散劑混配制成乳液146結(jié)蠟層厚度與運行時間的關系型水基清蠟劑的。水基清蠟劑清蠟的原理是利用石蠟分散劑對隨著管道運行時間的延長,蠟沉積速率逐漸減緩。當管道沉積石蠟的軟化、滲透去除作用以及水流的沖刷作用將沉積石輸量比較穩(wěn)定且大于某一范圍時,剛清管后蠟沉積層厚度增長蠟從管道表面除掉。其作用效果受使用溫度的影響較大,溫度較快,以后逐漸減慢最終趨于某一穩(wěn)定值在運行參數(shù)上表現(xiàn)愈低效果愈差。為摩阻不再繼續(xù)增大。因為隨著蠟沉積層厚度的增加,油流與除了上述方法外還有一些其他方法如超聲波清蠟法和微生外界換熱的熱阻增大,蠟沉積層表面溫度上升,與油流的溫差物清蠟法、電加熱法化學放熱法等等?？筛鶕?jù)具體情況來選擇。減小使蠟沉積速率減小。3結(jié)論2清蠟(1)原油中蠟的沉積物主要由石蠟C16-C3的正構(gòu)烷烴組21熱油處理法成并且石蠟主要為片狀結(jié)晶,易結(jié)成大塊給熱油管道的輸將原油加熱到110℃以上注入管道中,熱油直接與管壁上送帶來困難。沉積的石蠟接觸使之熔化。這種方法的特點是除蠟效率高,成(2)引起管道結(jié)蠟的主要原因是原油與管壁間的溫差。影本較低但在加熱油品過程中有輕餾分損失并且不安全。響結(jié)蠟的因素包括原油的油溫、流速組成等方面。22熱水處理法(3)目前作用清蠟的主要方法有熱油處理法熱水處理其處理原理與熱油處理法相同。熱水處理法的特點是比較法、機械處理法和清蠟劑法。安全,但是水對石蠟和瀝青的溶解和攜帶的能力較小操作條件控制不好時可能導致從管壁上熔化下來的沉積石蠟發(fā)生再參考文獻沉積。楊莜蘅輸油管道設計與管理M]山東:中國石油大學出版社200623機械處理法2潘永梅長輸管線析蠟特點分析及應用油氣田地面工程,2001,20機械處理法就是用清管器、刮蠟刀刮蠟鉤將管壁上沉積6)28-30的石蠟刮掉。但有時會出現(xiàn)清蠟量不夠的情況?！估盥妒滤嚸髁稚蜕a(chǎn)中石蠟沉積及其按制團油氣田地面工24清蠟劑法程,2001,20382-83清蠟劑有水基和油基兩種油基清蠟劑清蠟法的原理是將{蒲歡梁光川集輸油管道中的結(jié)婚與防蠟石油化工腐快與防護200825(6)53-55對沉積石蠟具有較強溶解和攜帶能力的溶劑分批或連續(xù)注入管道內(nèi)將沉積石蠟溶解并攜帶走。這種方法處理效果好,不需上接第22頁3生物質(zhì)高溫氣化效率4結(jié)論則氣化效率η為:對生物質(zhì)高溫空氣氣化進行了理論探討,并對生物質(zhì)高溫QG(5)氣化各階段的理論計算進行了分析。結(jié)果表明,當高溫空氣發(fā)生器產(chǎn)生的預熱空氣溫度達到1000℃時,以稻草作為氣化的式中Q1為冷氣體熱值kJ/m3;Ca為干冷氣體率mkg;生物質(zhì)其系統(tǒng)氣化效率可達3351%。Q為原料熱值,Q1=Σ qC.C,H+4.187×(3020cO+2570H2)門,k/k參考文獻單位可燃氣體的低熱值為:Q=4187×(3020×年鐘明陳勵生物質(zhì)氣化技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景可再生能源02412+2570×0.1988)=558866kJ/m32002(4)16-19查資料可知稻草的熱值Q,為13977k/m,則氣化效率2《媒氣設計手冊》躺寫組煤氣設計手冊M北京:中國建筑工業(yè)出版為中國煤化工3]馬隆在用M]北京:化學工業(yè)出558866×224×10×156×100%=3351%CNMHG3977×41.7g×I04《化學工業(yè)設計手冊)編寫組化學工業(yè)設計手冊M北京化學工業(yè)