生物质高温气化实验研究

生物质高温气化实验研究 蒋绍坚. ， 张 灿，匡中付， 林 竹， 蒋受宝 ( 中南大学能源科学与工程学院， 长沙， 4 1 0 0 8 3 ) 摘 要: 提出 一种生物质高 温气化新 方法。 选取木屑为气化物料， 在7 0 0 C . 8 0 0 和1 0 0 0 进行高 温气化实验。 实验表明: 高温气 化有利于提高合成燃气热值， 强化气化反应; 合成燃气中 C 0 2 和 C . H y 含 量 及 热 值 随 温 度 的 变 化 规 律 与 理 论 结 果 基 本 吻 合 : 获 得 的 燃 气 热 值 达 到6 . 1 9 M J /m 3 . 证 实 了 生物质高温气化技术的可行性。 . 关键词:生物质:高温空气气化:卵石床; 热值 0前言 高 温空 气 气化技术a . 2 1 ( H i g h T e m p e r a t u r e A i r G a s i f i c a t i o n , H T A G ) 是 上 世纪9 0 年 代发展 起来 的能源利用领域的高新技术。 H T A G 气化系统由 于采用了 高温空气气化工艺和新型的 气化炉， 可处理 各类热值的燃料，包括低热值煤、工业废弃物、城市生活垃圾以 及生物质等，而且产出的燃气热值 较高; 燃气中焦油含量少和灰尘含量低; 反应的二口 恶英和N O x 生成受到抑制; 结构简单、 经济性好 等3, 4 1 . 我国 是农业大国， 生物质燃料分布极 其广泛， 总量也十分巨 大， 仅农 村每年产生的生物质燃料 就可 折合为2 . 7 X 1 0 9 t 标准煤， 占 农村总 能 耗的4 0 % 左 右， 其中 秸秆 产 量 超 过7 X 1 0 t ， 谷壳4 X 1 0 t。 但是，目 前生物质的利用程度并不高， 利用率也很低， 大量的生物质燃料被白白 浪费。气化将 成为今后生物质燃料利用的发展趋势。 利用高温空气气化技术处理诸如城市生活垃圾、 部分工业垃 圾、 医疗垃圾、生物质废料、造纸厂污泥以 及低热值煤等固体废弃物，不仅可有效地处理这些废弃 物， 而且 可以 实 现资 源优化 利 用， 变 废为 宝5 1 。 高 温空 气 气化技术 具 有结 构简 单、 紧凑， 操作 灵 活， 气化效率及系统热效率高， 经济性好等特点， 是一项值得推广应用的新气化技术。可以 预测该技术 的使用将缓解环境污染压力，提高我国低品位、低密度、低热值固体燃料能源集中利用的水平。 本课题组致力于对高温气化可行性的研究，且己申请了 “ 一种处理低热值燃料的气化方法及其 装置” 发明专利，并已 建起高温空气发生器中试装置，积累了可靠的高 温气化剂生成运行经验。 本 文借助研制的高温气化器中 试装置进行实验， 探讨高温气化技术的 优势， 获得高温气化反应的有效 数据，从定量分析的角度说明高温气化技术的可能性和可行性. 1实验装置 高温气化实验系统主要包括高温空气发生器、卵石床气化器、测试系统和动力系统四个部分。 该系统的关键设备为卵石床高温气化器，图 1 为气化实验简图。发生器利用高温空气燃烧技术产生 高温空气，物料与高温空气在卵石床气化器中发生气化反 应， 物料中可气化成分由 于气化变为气体， 即 产生了 可燃气 体: 其余成分经反应加热到熔融状态， 与可燃气体一起通过 卵石床， 进入熔渣室， 在熔渣室内 气固两相分离。 燃气经过 侧部管道被引用， 经冷却净化后经风机送至用户。 熔渣则经 底部排渣管道排出。 实验步骤为: 选取木屑作为气化原料。 布置整个气化系 统的管路、线路，安装测量仪器设备， 调节好鼓风机、 排烟 机及燃气引风机开度， 启动高温空气发生器。 发生器产生的 高温空气和气化炉自 身加热器对气化炉加热， 当气化炉各点 的温度达到一定程度时， 用与热电偶相连的数字显示仪表记 录下来。此时，关闭气化炉自 身加热器，只供入高温空气， 艘气琴发扳RM 排波+ 困 !商 沮 气化 实 珍 简 图 w F i g u r e . 1 H T A G S k e t c h 同 时将称量后的 木屑从加料口 投入到 气化器中。 利用K M 9 1 0 6 型 气体成分分析仪 对合成燃气进行采 样分析，测定其成分。 2气化器的优势 气化器里发生高温气化反应。 气化器压力为常压， 气化温度始终保持高于灰熔点。 操作时控制 高温空气流量，实现低空气系数条件下发生气化反应. 气化主反应为C + CH 2 + 2 + O 2 + N 2 - + C O + C O 2 + H 2 + H Z O + N 2 + Q 1 ，气化副反应为 C + q热， : + H 2 O - i C O + H : 一 坯. 主 反 应 放 热Q ; 要 超 过 副 反 应 吸 热必， 以 维 持 高 于 灰 熔点 的 气化温度，使得灰渣以熔融状态流出气化器。 3实验条件 进 行 生 物 质 高 温 空 气 气 化 时 ， 选 取 木 屑 为 气 化 原 料 。 经 分 析 后 ， 木 屑 组 成 及 热 值 如 表1 所 示。 表 1 木屑的元素分析及热值 原 料 元素成分/ % H 2 0 y / %Q l / k J k g C 0H aN “S 0O aA S H 0 木 4 8 . 96 . 5004 3 . 70 . 91 3 . 11 8 3 0 5 为了 验证高温 对气化效 果的 影响， 分别在气化器内 温度大约为7 0 0 1C , 8 0 0 和1 0 0 0 三个工况 下 进行投料 气化实 验。 真实 温度则通 过测温系 统得到。 卵石床气化器各段温度采用3 根S 分度号 铂 锗 一 铂热电 偶测量 ( 测温范围0 - 1 3 0 0 C ， 允许 偏差为士 1 .5 * C ) 。 补偿导线和显示仪 表保持一致， T , , 几和乃即3 个M C T 1 0 0 型 数字显示仪表显示的 温度， 如图1 示。 各工况下 气化器内 温度见表2 0 表2 气化器内 各段温度测量值 实验 温度/ 投料量瓜 9 T , TT 3 工况 1 工况 2 工况 3 7 9 2 7 8 2 9 1 18 8 5 9 7 8 - 9 0 2 7 4 57 0 2 1 0 0 7 - - 7 8 4 1 0 5 1 - 9 8 3 5 2 3 5 0 8 6 2 4- 5 7 1 6 2 8 5 8 7 1 . 0 1 . 0 1 . 0 4实验数据处理与分析 4 . 1实验分析基准 在实 验前有必要对整个气化系统进行理论分析， 得到准确的 理论结果， 将其作为实验结果的 对 照， 以 验证实验的 准确合理性。 研究假定合成 燃气组成为C O , C q、 C H O氏、 珑O , S 0 2 N 从; 气 化过程只 考虑主要的 化学反 应;空气组成为2 1 % 0 : 和7 9 % N 2 : 气化炉密封良 好， 没有气体泄漏; 反应压力为1 a t m ; 气体为理想气体。 对生物质气化过程进行物料平衡、 化学平衡和能量平衡分析， 对气化炉建立输入与输出 之间的关系。 通过物料平衡分析得到碳、 氧、 氢、 硫和氮元素的平衡方程。 化学平衡只考虑四个关键反应: 布 多 尔 反 应 : C (s ) + C 0 2 ( g ) 4* 2 C O (g ) 一 1 6 0 1 4 0 k J / k m o l 水 煤 气 反 应 : C (s ) + H 2 0 (g ) a C O (g ) + H 2 仓 卜1 1 8 8 3 0 k J / k m o l 甲 烷 化 反 应 : C (s ) + 2 H 2 ( 9 ) q C H 4 ( g ) + 7 5 6 3 0 k J / k m o l 水 煤 气 变 换 反 应 : c 试 9 ) + 热。 坛 ) 。C 仇 仓 ) + 热( 9 ) + 4 1 3 0 0 叼k m of 通过进一步分析得到化学平衡条件方程组。能量平衡综合考虑了固体燃料化学热、高温空气显 热、高温水蒸气热烩、 合成燃气化学热和合成燃气显热， 得到气化的能量平衡方程。具体分析见文 献间 。 丛田朽犯苏刃器ZQ行ID 飞赴妇余知余忆丫获侣巾 工况1 中TI 二 8 00， T 户 7 00， T a 二 5 00; 工 况 2中 TI 二 9 00， 毛 二 9 00，Ta 二 6 00;工况 3 中T : = 9 5 0 ， T Z 二 1 0 0 0 ，T . 二 6 0 0 。 4 . 2实验结果及分析 将三个工况下数据采集整理和理论数据进行 比 较， 得到图2 、 图3 和图4 。 从图中可看出， 合 成燃气成分中 C 压含量与文献 6 中 理论分析结 果相比 偏大: C 扎含量较大， 但与理论值相比 还 是偏小: 两者的伟 含量吻合得很好; C O 和H Z 含量 比理论值小。实验还得到合成燃气热值比理论值 分别低2 0 ， 9 8 % ， 2 5 . 7 7 % ，1 9 . 5 1 % 。实验结果与理 论结果大体上是吻合的. 合成气体各成分的含量及热值均随温度变化 而有所变化。 当 高温空气温度从工况 1 的7 on 升高到工况3 的1 0 00时， 得到的C 伍含量变化 总趋势是逐渐减少的，C xH， 含量有增大的趋势。 图2工况1 实验和理论结果对比 F i g u 传 .Z E x pe ri m e ntc omP 耐ngw ithth coretic al r e s u l t i n C a s cl 、芯妇余如余侣丫获忆巾 、名习余知余侣丫获整巾 9 砂 低J以 瓜 J .对 :CO+H J 图3 工况2 实验和理论结果对比 F i 四re . 3 E x per i m e ntcom P ar i n g w i t h 山加化t i ca】 戏 活 u l t i nC a s CZ . .C O 二 。么几J : N二C O 冲 Ht， 图4 工况3 实验和理论结果对比 F ig u 茂4 E x peri m ent c omp arin g w ith thooret i c ai戏 污 u l t i nC a . 3 这与理论计算结果的变化趋势是一 样的。 而随 着高 温空 气温度的 提高，实验获得的 合成然气热值从 5 . 16盯/m， 提高到6 . 19M J /m， 与理论分析得到的 变化 趋势也是一致的. 由 实 验 结 果 可 知 ， 合 成 气 体中 的 可 燃 气 体C 西 、 C o 和H : 含 量 有 待 提 高 . 因 实 验 装 置 不 够 密 封， 通入的高 温空气量较难控制为所需量， 存在空气 过剩的情况， 最终的合成气体中c q 和从含 量仍然很大，且含有不少氧气。 5结论 1)气化温度对气化效果有较大的影响。 在所研究的7 00 1 0 0 0 范围内， 合成燃气热值、 气化效 率随着气化温度提高而提高， 说明了 高温有利于气化的进行。 2)采用木屑作为气化物料，在三种工况下进行气化实验，得到实验值与理论值能较好吻合，证明 了实验的有效性。 3 )气化反 应温度为1 0 0 0 时， 获得了 热值为6 . 1 9 M J / N m 的 合成 燃气， 证实了 生 物质高 温气化技 术是可行的。 . 参考文献 H K o b a y a s h i , K K a w a i , K Y o s h i k a w a G a s i fi c a t i o n P o w e r G e n e r a t i o n S y s t e m a n d B o i l e r P e r f o r m a n c e U s i n g H i 沙 T a r rp e r a h n e A i r 囚. H s ia o T C , K Y o s h ik a w a H ig h T e m p e r a t u re A i r C o m b u s t i o n S y m p . C . B e ij i n g , 1 9 9 9 . 9 0 - -1 0 0 . K Y o s h ik a w a P r e s e n t S t a t u s a n d F u t u re P l a n o f C R E S T MEE T P r o j e c t A . P r o c . o f t h e 2 0 0 I n t . H ig h T e m p e ra t u r e A ir C o m b u s t io n S y m p . C . T a i w a n , 1 9 9 9 . p A l - 1 - A 1 - 7 . K Y o s h ik a w a H i g h t e m p e r a t u re a ir g a s if ic a t i o n o f w o o d - b a s e d b io m a s s b y a p e b b le b e d s l a g g i n g g a s if ie r A . 5 e C R E S T I n t . s y m p . o n H ig h T e m p e r a t u re A i r C o m b u s t i o n a n d G a s if ic a t io n C . T o k o y o , J a p a n : T o k y o I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y , 2 0 0 2 . E 1 - 1 4. Wu W , K Y o s h i k a w a P e r f o r m a n c e o f P y r o l y s i s a n d H i g h T e m p e r a t u re s t e a m / A i r R e f o r m i n g P r o c e s s e s f o r S o l i d Wa s t e G a s i f ic a t io n A . 4 m I n t . S y m p . o n H ig h T e m p e r a t u re A i r C o m b u s t i o n a n d G a s if i c a t io n C . R o m e , I t a ly : I t a l i a n N a t i o n a l A g e n c y f o r N e w T e c h n o l o g y E n e r g y a n d t h e E n v i r o n m e n t , 2 0 0 1 . 2 A 9 - 1 - 8 . 蒋绍 坚 ， 艾元方 ， 彭好义 . 高 温空 气资 源的 开发与 应用 j . 冶金能 源 ， 2 0 0 0 , 1 9 ( 4 ) : 4 0 - 4 4 林 竹. 生物质高 温气化 数学 模型 及热 态实 验 网. 长沙: 中 南大学能 源 与动力工 程学院， 2 0 0 5 111121134516 R e s e a r c h o n B i o m a s s H i g h T e m p e r a t u r e A i r G a s i f i c a t i o n J i a n g S h a o- j i a n , Z h a n g C a n , K u a n g Z h o n g - f u , L i n Z h u , J i a n g S h o u - b a o ( S c h o o l o f E n e r g y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , C e n t r a l S o u t h U n iv e r s i t y , C h a n g s h a , 4 1 0 0 8 3 ) n e w p r o c e s s o f h i g h - t e m p e r a t u r e a i r g a s i f i c a t i o n t o u s e t h e b i o m a s s e n e r g y i s p u t p i n e s a w d u s t i s c h o s e n a s t h e g a s i f i c a t i o n m a t e r i a l a n d t h e g a s i f i c a t i o n e x p e r i m e n t s a r e c a r r i e d o u t t h e c o n d i t io n s o f g a s if i c a t i o n t e m p e r a t u r e a b o u t 7 0 0 C , 8 0 0 C a n d 1