（热能工程专业论文）多级送风对稻壳旋风气化特性影响的研究.pdf

国内图书分类号：x382.1 学校代码：10213 国际图书分类号：628.54 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 多级送风对稻壳旋风气化特性影响的研究 硕 士 研 究 生 ：张天鹏 导 师 ：赵广播 教授 孙绍增 教授 申 请 学 位 ：工学硕士 学科 ：热能工程 所 在 单 位 ：能源科学与工程学院 答 辩 日 期 ：2012 年 7 月 授予学位单位 ：哈尔滨工业大学 classified index: x382.1 u.d.c.: 628.54 dissertation for the degree of master in engineering study on cyclone gasification characterization of multi-stage air of rice husk candidate: zhang tianpeng supervisor: prof. zhao guangbo prof. sun shaozeng academic degree applied for: master of engineering specialty: thermal energy engineering affiliation: school of energy sci. when the temperature exceeds 800 , the rate of pyrolysis is in a rapid increase. as the particle size decreases, the rice husk pyrolysis rate to accelerate, especially when the particle size is less than 1mm, the reaction is controlled by dif- fusion into dynamics control, pyrolysis reaction rate is in a rapid increase. in order to explore the operation regulation and gasification effects of cyclone gasifier, multi-stage air gasification is come up with to rice husk cyclone cyclone gasifier., which is mainly research on air equivalence ratio, the secondary air rate, the location of the secondary air, multi-stage air gasification characteristics. in the classification air experiment the air equivalence ratio of 0.2-0.29 , 0%-40% of the secondary air rate, secondary air location in the cyclone furnace thermocouple t5, t6, t8s location are selected, multi-level air supply using secondary air position t5, third air position t6, t8 ,the results of which show that: as the air equivalence ratio is 0.2-0.26 range, with the development of air equivalence ratio, carbon conversion and gasification efficiency increased, and tar content decreased; when the air equivalence ratio is 0.29, the gasification is ineffective; when the secondary air rate 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iii- is in the range of 0%-30%, with the development of secondary air, gas low heating value ,carbon conversion and gasification are increased, but tar content is decreased and then secondary air rate is 40% , the gasification is ineffective. when the sec- ondary air is at t5 position, the effect of gasification is best. the multi-stage air gasification effect is just the same as the classification gasification, but the decline in the amount of tar. compared with multi-stage air gasification and non-stages gasification, gasification effects has been greatly enhanced: low heating value of gas increases from 3.92 mj/nm3 to 4.56 mj/nm3, the carbon conversion rate in- creases from 44.3% to 55.4%, gasification efficiency increase from 28.7% to 36.4%, the tar content decreased from 4.55g/nm3 to 3.35g/nm3. keywords: rice husk; pyrolysis; multi-stage air; cyclone gasification 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iv- 目 录 摘 要 . i abstractabstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 稻壳资源特点 . 1 1.1.1 稻壳资源分布特点 . 1 1.1.2 稻壳理化特性 . 1 1.1.3 稻壳热化学特性 . 2 1.2 稻壳热化学转化形式 . 3 1.2.1 直接燃烧技术 . 3 1.2.2 热解技术 . 3 1.2.3 气化技术 . 3 1.3 稻壳热化学转化研究进展 . 4 1.3.1 层燃炉 . 4 1.3.2 流化床 . 6 1.3.3 旋风炉. 9 1.4 课题研究内容 . 9 第 2 章 稻壳快速热解试验研究 . 11 2.1 引言 . 11 2.2 试验内容及方法 . 12 2.2.1 试验物料 . 12 2.2.2 试验仪器介绍 . 12 2.2.3 试验内容 . 13 2.2.4 试验方法 . 13 2.3 快速热解实验结果与讨论 . 14 2.3.1 温度对失重的影响 . 14 2.3.2 粒径对失重的影响 . 15 2.4 热解动力学参数的求解 . 17 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -v- 2.4.1 热解动力学方程建立 . 17 2.4.2 8mm 稻壳动力学参数求解 . 18 2.4.3 2mm 稻壳动力学参数求解 . 20 2.4.4 0.5mm 稻壳动力学参数求解 . 21 2.5 本章小结 . 22 第 3 章 多级送风旋风气化方法及试验系统介绍 . 24 3.1 多级送风旋风气化原理 . 24 3.2 试验台介绍 . 25 3.2.1 气化炉本体 . 26 3.2.2 温控系统 . 26 3.2.3 供风系统 . 27 3.2.4 给料系统 . 29 3.2.5 取样系统 . 29 3.3 测量仪器介绍 . 30 3.3.1 红外煤气成分分析仪 . 30 3.3.2 气相色谱仪 . 31 3.4 试验操作介绍 . 32 第 4 章 多级送风稻壳旋风气化特性研究 . 33 4.1 气化过程主要评价指标 . 33 4.2 实验内容及方法 . 33 4.2.1 试验稻壳物性 . 33 4.2.2 试验内容 . 34 4.3 结果与讨论 . 35 4.3.1 空气当量比的影响 . 35 4.3.2 二次风率影响 . 40 4.3.3 二次风位置的影响 . 44 4.4.4 多级送风的影响 . 46 4.3.5 分级送风与多级送风对比 . 48 4.4 本章小结 . 49 结 论 . 51 参考文献 . 53 攻读学位期间发表的学术论文 . 57 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -vi- 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 . 59 致 谢 . 60 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第1章 绪 论 1.1 稻壳资源特点 1.1.1 稻壳资源分布特点 稻壳作为大米加工的最主要副产品，占稻米总量的五分之一左右。世界上 有超过 75 个国家种植水稻，每年生产 5 亿吨。2010 年我国稻米产量为 19575.8 万吨，是世界上种植水稻最早，产量最大的国家。由于农业结构、土地面积、 自然条件等因素影响，我国水稻的各地产量相差很大。我国稻谷产区主要集中 在长江及以南地区和东北地区1，如湖南、江西、黑龙江等省份，据不完全统 计，2010 年产量超过 1000 万吨有九个省，总产量占全国稻米产量的 74.84%； 而华北五省和西北五省产量较少，总产量仅占全国产量的 0.72%和 1.09%，其 他省份产量相差不大，共占 23.34%。主要稻米生产省份及产量表 1-1。 表 1-1 2010 年稻米主要生产省份及产量 省份 湖南 江西 黑龙江 江苏 湖北 四川 安徽 广西 广东 产量（万吨） 2506 1858.3 1843.9 1807.9 1557.8 1512.1 1383.4 1121.3 1060.6 1.1.2 稻壳理化特性 稻壳是农业生产加工过程中的主要副产物，主要由木质素、纤维素等物质 组成，其中木质素约占 20%，纤维素 40%，五碳糖聚合物 20%，及 20%的粗蛋 白、粗脂肪、灰分等物质2。稻壳表面粗糙，呈毛刺状的空心原料，颜色主色 调为黄色，长度在 5-10mm 左右，最大直径为 2-3mm，稻壳形貌见图 1-1。 图 1-1 稻壳外貌 由于稻壳外表毛刺较多、形状不一等特点，导致稻壳流动性不理想。稻壳 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 自然堆积密度较小，在 96-160kg/m3左右，休止角为 42 ，热值范围在 12.6-16.8 mj/kg。总体来说，我国不同产地稻壳基本特性较为相似，大体来讲挥发分占 55-65%，固定碳 10-15%，灰分 15-20% 3。 稻壳中，灰分含量较多，一般充分燃烧后的稻壳灰占原稻壳质量的 20%左 右，而稻壳灰的主要成分为 sio2，含量在 60%-97%左右。而硅本身是一种重要 的工业原料，可广泛应用于各种领域。如制造水泥、吸附剂、水玻璃，白炭黑、 活性炭、碳化硅、硅胶和四氯化硅等。因此对稻壳的充分利用，不仅可以解决 稻壳堆积等传统问题，还可以带来高附加工业产品，是改善农村经济、解决三 农问题的重要方式，具有极高的商业价值。 1.1.3 稻壳热化学特性 挥发分和固定碳是影响燃料热化学特性的主要因素。稻壳挥发分较高，着 火点较低；固定碳较低，稻壳的热值较低。稻壳的气化或燃烧过程可以划分为 两个阶段：其一，挥发分析出阶段。在这一阶段，焦炭表面形成保护层，阻止 焦炭与氧气接触，氧化反应发生较少；其二，是焦炭燃烧阶段。在这一阶段， 挥发分剩余较少，主要发生焦炭的燃烧反应。 稻壳燃烧过程中，易发生结团现象。在 700-800，在稻壳半焦和灰中会 出现蜂窝状的结团，硬度很低，空隙率很大，与正常形成的灰渣相差很多。一 般发生在炉膛底部，特别是在点火之初，床料中有大量石英砂时，更容易发生 结团。l. armesto 等人提到稻壳的熔点与稻壳 k 的含量有关，k 含量越高，熔 点越低；相反 k 含量越低，熔点越高4。在稻壳进行热反应过程中，稻壳内的 k，na 的化合物与 sio2反应，生成熔点为 764的低温共熔体，反应方程如式 (1-1)。 反应同时， 稻壳内部的 fe2o3也与 sio2反应， 生成 k2fe2o4， 熔点在 1135 以上，从而防止稻壳结团现象的发生。 223222 4sio +k cok o 4sioco (1-1) 232224 f e o + k ok f e o (1-2) 23232242 fe o +k cok fe o +co (1-3) 因此在流化床中，由于使用床料为石英砂，主要成分是 sio2，与 k 的化合 物反应， 生成低熔点物质， 导致炉内结团。 许卫国等人指出在 700800， sio2 由体结构向面结构转化，碳原子成为填充原子，形成牢固的碳硅结构，即使在 1200时，也无法将碳氧化。这种碳硅结合，将稻壳灰连接在一起，形成蓬松 的烧结块5。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 1.2 稻壳热化学转化形式 近年来，随着地球化石燃料的急剧减少，世界环境问题的逐步升温，各国 都在开发清洁的能源，其中生物质能备受关注。稻壳作为一种很重要的生物质 能，可以通过多种方式进行利用6。其中主要的方式有两种：生物化学转化和 热化学转化。微生物发酵和分解是化学转化的主要形式；而稻壳直接燃烧、热 解、气化是热化学转化的主要方式。下面介绍稻壳热化学转化的形式。 1.2.1 直接燃烧技术 直接燃烧技术是稻壳利用最简单最原始的方式，即直接将稻壳放入燃烧室 中燃烧，在这个过程中放出的热量用来产生蒸汽或利用蒸汽发电。 稻壳的直接燃烧是把生物质能转换成热能的过程，主要有炉灶燃烧和锅炉 燃烧两种情况。炉灶燃烧是最原始的利用方式，适用于稻壳产量较高的分散家 庭，主要特点是投资少，效率最低，在 15%20%之间。而锅炉燃烧方式采用 现代的锅炉燃烧技术，适用于大量稻壳的利用，效率与炉灶相比较高，缺点是 不适合稻壳产量分散地区的利用。 稻壳直燃技术主要用于蒸汽发电，现在直燃发电技术已经成熟，进入了推 广应用阶段。世界上第一座燃稻壳流化床电厂是印度 bhel tiruchirapalli 公司 的 10 mw 机组；2008 年我国第一座燃稻壳热电联产火电厂在江西施工，预计 年发电量 4200 万千瓦时，节约标准煤约 14 万吨。 1.2.2 热解技术 热解技术即稻壳无氧或缺氧条件下热降解，利用热能断开大分子有机物的 分子键，生成可燃气体、生物油和固体灰的过程。在热解过程中，一般低温慢 速热解即温度低于 500时，产物主要为固体灰；当中温快速热解即温度在 500600时，产物主要为生物油；当高温闪速热裂解即温度在 7001000 时，产物主要是可燃气体7。一般来说，热解一般用于实验室研究。 1.2.3 气化技术 稻壳气化技术的基本原理是将稻壳在高温状态下转化为气态高品位能源 8。根据气化介质的不同主要分为空气气化、纯氧气化、水蒸气气化和氢气气 化等。各种气化方式分别以相对应的空气、氧气、水蒸气、氢气为气化介质， 其中空气气化条件更为简单，适合大规模使用9；氧气气化产生气体热值较高， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 不需要提供外部热源，但由于氧气为气化介质，经济性不高；水蒸气气化产生 气体热值较高，但技术复杂不易操作；氢气气化可以产生高热值燃气，但反应 条件要求较高，不仅需要在高温高压的条件，而且需要充足的氢源10。 稻壳气化技术运用较广，可用于燃烧、发电、生产化工用品等多个方面。 特别在发电方面，可用于燃气内燃机发电、燃气轮机发电、燃气蒸汽循环联合 发电技术中11。 1.3 稻壳热化学转化研究进展 在热化学转化研究中，主要运用的炉型是层燃炉、流化床、固定床和旋风 炉。 1.3.1 层燃炉 在层燃燃烧中，稻壳平铺在炉排上形成一定厚度料层，在固定或移动的炉 排上燃烧，空气从下方通过炉排供给上部的稻壳，经过干燥、干馏、燃烧及还 原等反应，充分燃烧。层燃的燃烧过程见图 1-2。层燃炉的种类很多，有固定 炉排炉、移动炉排炉、振动炉排炉、旋转炉排炉和下饲式炉排炉，一般用于直 燃技术中。 图 1-2 层燃燃烧过程 层燃炉的优点是：结构简单，操作方便，适用于含水量较高、颗粒尺寸变 化较大的生物质，且炉内具有较长的停留时间，有利于稻壳充分燃烧。这种炉 型的缺点是：由于稻壳挥发分析出速度很快，若不及时供应足够的氧气，会影 响燃烧的效率。同样不同稻壳成分不同，当使用成分相差较大的稻壳时，炉排 炉对燃料变动调节能力差的缺点暴露，易发生碱金属问题和燃烧效率过低等问 题，发生对流受热面沉积、炉膛熔渣和高温受热面腐蚀等现象。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 王启民等人采用 20t/h 供暖链条炉，燃烧稻壳成型颗粒。讨论了稻壳颗粒 掺烧比对燃烧情况的影响，并提出炉体改造方案，以达到增加燃烧效率和减排 污染物的目的12。 固定床一般用于稻壳的气化中，气化反应在相对静止的床层中进行，稻壳 经过干燥、热解、氧化、还原等过程，生成可燃气体13。根据气流方向的不同， 固定床分为上吸式、下吸式、横吸式、反向式、同向式、开心式等，其中上吸 式固定床和下吸式固定床14是主要应用的炉型。 1.3.1.1 上吸式固定床 上吸式固定床是最简单、最早的固定床气化器。如图 1-3，稻壳由上部加 入，在重力作用下向下移动，而空气从下部进入炉内，经过各个反应层后，燃 气从上部排除。由于上吸式气化炉的原料方向与空气流动方向相反，因此也被 称为逆流式气化炉。 图 1-3 上吸式气化炉工作原理 固定床的优点是： 气化炉的热效率较高， 一方面燃气经过热阶层和干燥层， 将热量传给物料，用于稻壳的干燥和热解，同时降低燃气温度，另一方面气化 器最下层为氧化层，有充足的空气供燃烧所用，焦炭可以充分燃烧；干燥层和 热解层对燃气有过滤作用，使燃气中灰分较少。这种炉型的缺点是：因为热解 的焦油直接混入可燃气体，因此燃气中的焦油较多；对于稻壳，此炉型不易烧 透。 华中科技大学何广昌等人使用上吸式固定床，将其改进加一自制小型顶部 点火装置，并进行冷态和热态实验研究。冷态实验发现，料层阻力与空气流量 呈正比增加，设计风室和布风板保证布风的均匀性。热态试验从气化指标、炉 内料层温度、产气热值、焦油特性等多方面对气化炉进行全面研究，发现此气 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 化炉在产气稳定性和燃料适应性方面有了很大提升15。梁奎等人利用上吸式气 化炉分析空气当量比对稻壳气化效果的影响，并研究不同反应层气体成分的变 化。实验表明，最佳空气当量比为 0.28，烟气中 co2主要来自氧化层，co 和 h2主要来自还原层，ch4主要来自热解层16。 1.3.1.2 下吸式固定床 下吸式气化器中，如图 1-4，稻壳从上部加入，依靠重力由顶部下落到底 部，依次通过干燥区、热解区、氧化层和还原层，空气从气化器中部氧化区通 入，燃气在下方送出。由于下吸式固定床原料移动方向与气流方向相同，因此 也把它叫做顺流式气化器。 下吸式固定床有以下优点：焦油含量低，气体中的焦油经过高温区裂解成 小分子永久性气体， 热值相对较高；炉型相对简单，运行稳定性好。这种炉型 的缺点：燃气中有较多的灰，影响产气质量；需要在缩口处加强燃烧速率，阻 力较大，不利于设备的放大应用；功率消耗较大，炉内的气体流向由上到下， 而热量方向从下到上，引风机抽燃气需要耗费较大的功率。 图1-4 下吸式气化炉工作原理 lin 等在下吸式固定床上对稻壳进行了气化研究。实验表明，当温度在 760-900k 时，生成大量合成气体，若要生产 10 度电大概需要稻壳 28kg 17。吴 月石等人运用实验方法和软件模拟对下吸式固定床进行了研究。模拟通过 fluent 软件平台，对稻壳在下吸式固定场内的压力、温度、颗粒轨迹及燃气生 成情况进行了数值模拟，并进行实验测试。结果显示，数值计算与实验测试结 果吻合型较好，并发现 co 和 h2在裂解区开始生成18。 1.3.2 流化床 当空气从上向下穿过稻壳填充的料层时，气流速度等于或大于燃料的临界 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- 流化风速时，料层中的颗粒上下翻腾，并有部分颗粒带出料层的状态，称为稻 壳的流化技术。在稻壳的应用中，流化床即可应用于稻壳的直燃，又可用于稻 壳的气化19。流化床主要包括鼓泡床、循环流化床和双流化床20。 1.3.2.1 鼓泡床 鼓泡床只有一个流化床反应器， 空气从布风板送入燃烧室与稻壳进行反应， 燃烧室主要由沸腾段和悬浮段构成，沸腾段提供一定高度范围内足够的气流速 度，保证稻壳良好的流化，防止颗粒分层。而沸腾段上方的悬浮段的作用是将 从沸腾段飞出的颗粒的速度降低而重新回到沸腾段，延长颗粒的停留之间。 鼓泡床的优点是：鼓泡床床内热容量很大，新加入的燃料不到炉内料层的 5%，同时床内气固两相间的传质很好，保证很好的传热强度，因此炉内具有很 好的燃烧强度。由于鼓泡床燃烧温度较低，因此 nox等污染物生成较少，并且 具有很好的负荷调节性，满足不同负荷下的利用。这种炉型的缺点是：由于烟 气中飞灰含量较大，增大烟气净化负担，同时由于飞灰中可燃物较多，影响效 率。由于鼓泡床阻力较大，与其他锅炉相比，多耗电 50%80%。鼓泡床在增 加容量时要增大床的面积，一台 200t/h 工业鼓泡床，需床面积约 80100m2， 因此在锅炉布置等方面需要进一步复杂化21。 初雷哲等人在鼓泡床上进行冷态流态化实验和热态燃烧实验。实验结果表 明鼓泡床压力主要集中在底部密相区，而燃烧效率可达 93.01%，so2、nox 和 烟尘含量满足国家标准22。东北电力大学贾春霞等人利用鼓泡床，用空气作为 气化剂对稻壳气化进行了实验研究。实验以气化温度范围在 400700，空气 当量比 0.16-0.56 为变量，考察对产气率和气化效率的影响。结果表明，气化温 度越高，产物气体的热值和气化效率越高，而空气当量比的增加导致热值和气 化效率的降低23。zheng 利用鼓泡床快速热解制备生物油。研究温度在 420 540之间，结果表明，当温度在 465时，产油率达到最大值 56wt%。制生物 油可以直接用于锅炉燃烧，若汽车中使用，则需进一步提炼24。armesto 等人 利用鼓泡床对稻壳燃烧特性进行研究，特别考察燃烧后灰的特性。结果表明， 旋风分离器中灰的晶体化合物主要成分是氯化钾，会对分离器产生腐蚀。而床 层上的灰的主要晶体化合物是石英和赤铁矿，流化介质中会积累钙钾硅酸盐， 引起结焦。 1.3.2.2 循环流化床 循环流化床是在鼓泡床基础上发展起来的，只是在原鼓泡床烟气出口处， 设置旋风分离器或布袋除尘器， 使烟气中大量的固体颗粒经过料脚返回流化床， 继续进行反应，这样提高碳转化率。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 循环流化床的优点是：循环流化床燃烧温度在 700900之间，属于低温 燃烧，由于床料的存在和流态化的方式使得炉膛温度分布均匀；循环流化床可 以通过改变配风，燃烧成分不同的稻壳，因此具有较强的燃料适应性25；同样 由于床内颗粒扰动剧烈，有利于燃料与气体的混合，具有很高的燃烧效率；燃 烧室温度较低，nox，sox形成较少；占地面积小。这种炉型的缺点是：对于 流化床而言，若出现高温结焦现象，则无法流化，而二氧化硅与稻壳灰中的碱 金属反应，生成硅酸盐化合物，熔点很低，会产生结焦现象。因此应特别注意 二次风位置和底部密相区位置；在 700800，稻壳半焦和灰中会出现蜂窝状 结团，硬度很低，空隙率很大，而床料中的 sio2会促进这种碳硅结构的形成， 形成蓬松结构，破坏正常流化；在反应过程中，由于稻壳蓄热能力差，需不断 加入床料蓄热，以保证稻壳正常反应；产生飞灰较硬，磨损受热面；投资较大， 运行费用高26。 东南大学任强强等人利用循环流化床对稻壳进行了研究，通过实验得到过 量空气系数、一次风率、二次风率、床温等对飞灰含碳量的影响27。伊晓路等 人以循环流化床为载体， 研究气化过程中空气当量比、 温度与燃气成分的关系。 结果表明，空气当量比较好的范围是 0.22-0.28，最佳值为 0.26，温度最佳值为 750。min-hon rei et al.以稻壳为原料，反应炉采用循环流化床，研究不同催 化剂对燃气成分的影响，而燃气产率与气体分布由催化剂确定而不是物料种类 的影响28。 1.3.2.3 双流化床 双流化床系统是鼓泡床和循环流化床的组合，将燃烧过程和气化过程分离 开来，其中燃烧床采用鼓泡床，气化床采用循环流化床，第二级的反应器加热 第一级的流化介质，因此控制好载热体的循环速度和加热温度是双流化床系统 中最难的技术。 双流化床的优点是： 双流化床利用了两个热化学反应床， 对稻壳进行反应， 因此具有较高的燃烧效率和碳转化率， 同时产气热值较高。 双流化床的缺点是： 而双床系统之间需要足够的物料循环量，保证系统运行；同时由于流化床自身 结构复杂，双流化床灰导致难以操作，因此也不利于向大型化发展。 mansaray 等利用双流化床上对稻壳气化特性进行了研究，证明气化方案可 行性，分析流化风速和空气当量比对气化特性的影响。结果表明，当流化风速 0.22m/s，空气当量比 0.25 时，生成气体热值最高，高位发热量为 5mj/m3，碳 转化率在 70%以上29。山东能源所初雷哲等人运用双流化床通过冷态实验得到 双流化床系统的循环和压力分布情况，装置如图 1-5 表明该装置可以实现灰循 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -9- 环并避免两个炉子间的气体掺混。热态试验稳定运行，热值可达 7mj/nm330。 图 1-5 生物质气化燃烧双反应器系统简图 1.3.3 旋风炉 旋风炉利用高速旋转的空气流使稻壳高速旋转，并在圆筒形的燃烧室内发 生强烈的热化学反应。气流的高速旋转将稻壳抛向筒壁，稻壳在内外筒的空间 内进行热化学反应，形成温度很高的区域，有利于稻壳气化效果的提升。旋风 炉即可用于稻壳的燃烧，又可用于稻壳的气化。 旋风炉有以下优点：由于空气和稻壳旋转进入气化炉内，提高炉内停留时 间，气固混合充分，反应剧烈；炉内容积热强度较高，缩小炉内体积；同时炉 内的高温促进焦油进一步反应，减少焦油的形成；可使用稻壳粒径范围较广。 此炉型有以下缺点：此炉热惯性较大，负荷变化速度较慢，且变化范围较小； 需要较高的送风压力，风机耗电较多。 kuprianov 等人研究稻壳在旋风路上的燃烧特性，特别研究了稻壳含湿量 对燃烧效率和有害气体排放量的影响。结果表明：当稻壳含湿量在 20-25%，过 量空气系数在 0.4-0.5 时，烟气中 no 为 130-140 ppm，co 浓度为 350ppm，燃 烧效率在 99%以上31。madhiyanon 等人开发了新式旋风气化炉，研究烟煤与 稻壳的混烧特性。讨论了过量空气系数、掺煤比对燃烧特性的影响。实验结果 表明，燃烧效率可达 97%以上，但由于床层温度高，烟气中 nox浓度较高32。 1.4 课题研究内容 黑龙江农业发达，生物质资源丰富，特别是稻壳资源的产量极其丰富，因 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -10- 此将稻壳转化为清洁、高品位的再生能源具有重要的意义。 本文结合快速热裂解仪和旋风气化炉，对稻壳的热解特性进行了研究，并 对旋风气化技术做出了进一步的改进：采用多级送风技术，该技术加强气固混 合强度，增加稻壳在气化器内的停留时间，达到更好的气化效果。 本文研究的主要内容如下： （1） 利用快速热裂解仪，研究稻壳在 700-900的高温条件下的快速热 解特性，分析不同温度、不同粒径和不同加热时间下挥发分的析出情况，并求 解热解的反应动力学方程。 （2） 利用旋风气化实验系统，考察在分级气化条件下，不同空气当量比、 二次风率、二次风位置对旋风气化效果的影响；同时采用多级配风方式，考察 不同配风方式对气化效果的影响。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -11- 第2章 稻壳快速热解试验研究 2.1 引言 热解是稻壳热转化利用的重要方式，气化、燃烧等利用方式的初期都要发 生热解反应，稻壳热解的研究既是一个独立的过程，也是液化、气化、燃烧的 中间过程。因此，热解机理研究的深入显得尤为重要。 生物质快速热解是指加热速率大于 10000k/s 的热解反应， 目前主要有以下 几种方式对生物质原料进行热解：沉降炉反应器、流化床反应器、管式热解炉 等。 rolando zanzi 等人利用一维沉降炉研究生物质快速热解反应，指出生物质 的快速热解即包含最初的快速热解，又包括半焦化学重组的慢速热解 33。 qizhuang yu 等人利用沉降炉， 对生物质在 700900温度下的快速热解过程中 产生的焦油进行了研究，主要对焦油产率进行了测定和分析，得出其产率随温 度的升高而下降，温度的提升有助于焦油的分解 34。alexander 等人利用携带 流反应器研究了 50m 的纤维素颗粒快速热解反应，由于纤维素颗粒较小，因 此可以将传热控制忽略，认为是热解反应的主要控制因素为加热速率；作者同 时提出测量生物质快速热解的方法，对生物质热解的研究具有意义35。 杨昌炎等人利用流化床反应器研究生物质快速热解，主要研究了热解温度 对热解产物的产率和热解气成分的影响36。nugranad 和 williams 以流化床为 实验依托，研究稻壳在 400600下的催化热解特性37。 卢红伟等人利用管式炉研究催化剂和热解温度对稻壳热解反应的影响。结 果表明：稻壳热解气中 co、h2产率随温度升高而增加， co2、ch4产率随温 度升高而下降；添加 dhc-32 催化剂后，四种气体相对含量有所变化，但每种 气体产率随温度变化趋势不变38。 在国内外文献中，关于稻壳的快速热解研究主要集中在粒径较小的稻壳， 一般在 0.5mm 以下39，如而大粒径、整粒径稻壳研究较少，这是因为当稻壳粒 径较大时，由于重力因素的影响，气固滑移现象严重，导致停留时间无法计算。 在工程运用中，通常使用整粒稻壳，而不使用细稻壳，这样可以降低运行成本。 因此， 本文利用快速热裂解仪研究整粒径稻壳的快速热解挥发分析出情况。 通过试验，可以得到稻壳在不同温度下，