（环境工程专业论文）上吸式秸秆热解气化装置的试验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师薛勇指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：亦勿步滞日期：加办多。7 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：栖步运鸱导 嗍一卜夕) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文利用生物质热解炉模型试验的方法，对农作物秸秆的热解特性进行 了试验研究，以探讨提高秸秆气化效率、降低焦油含量的方法和途径。根据 国家标准和相关设计规范，设计了一个小型上吸式秸秆气化试验测试系统( 包 括焦油去除设备) 。选用油菜秆、稻草秆和玉米秆破碎后作为试验原料，采用 奥式气体分析仪对热解后的气体进行分析，测定其成分和含量。采用重量法 测定过滤前后气体中的焦油含量，并计算出焦油去除设备的净化效率。试验 还采用热解气质联用仪( p y - g c m s ) 对焦油的热裂解产物进行了测试和分析。 本文着重在不同原料、粒径、供风量及不同滤料的试验条件下，试验测 试并分析了气化炉内温度、热解产生的气体成分及含量、焦油含量及焦油去 除率与不同试验条件的关系，得到了该气化炉的最佳工作条件。研究结果表 明：在本试验条件下，该气化炉的最佳供风量为2 4 m 3 h ，最佳原料粒度 1 c m ， 最佳炉内原料密度为1 0 0 k g m 3 ( 炉内一次加料量为4 k g ) ；用玉米芯过滤焦油 的试验表明：在滤料不压实且填满过滤设备的情况下，滤料粒度 1 c m 时具有 较好的过滤效率。 关键词：生物质热解气化上吸式气化炉焦油 西南科技大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t t h i sp a p e ru t i l i z e st h eb i o m a s sp y r o l y s i sf u r n a c em o d e lt e s tm e t h o dt os t u d y t h ep y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c so fc r o ps t r a w ，w h i c he x p l o r e st h ew a y sa n dm e a n so f i m p r o v i n gg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h et a rc o n t e n to f t h es t r a w b a s e d o nn a t i o n a ls t a n d a r d sa n dd e s i g ns p e c i f i c a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g nas m a l lu ps u c k g a s i f i c a t i o nt e s ts y s t e m ( i n c l u d i n gt h et a rr e m o v a le q u i p m e n t ) t h i st e s ts y s t e m t o o kt h er a p es t r a w ，r i c es t r a wa n dc o r ns t a l ks t a l kb r o k e na st e s tm a t e r i a l s ，w h i c h m e a s u e st h e i rc o m p o s i t i o na n dc o n t e n tb yu s i n gt h eo r s a tg a sa n a l y z e rt oa n a l y s i s t h ep y r o l y s i sg a s a n di tm e a s u r e sb e f o r ea n da f t e rf i l t r a t i o no ft h et a rc o n t e n to f g a sb yw e i g h tm e t h o da sw e l la sc a l c u l a t i n gt h ec l e a n i n ge f f i c i e n c yo f t a rr e m o v a l e q u i p m e n t t h et e s ta l s oa d o p t e dp y r o l y s i s g a sc h r o m a t o g r a p h y ( p y - g c m s ) o n t e s t i n ga n da n a l y s i s i n gt a rp y r o l y s i sp r o d u c t s i nt h i sp a p e r ，i tf o c u s e so nt e s t i n ga tt h ed i f f e r e n tm a t e r i a l s ，p a r t i c l es i z e ， a i rv o l u m ea n dd i f f e r e n tf i l t e rm e d i ae x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，w h i c ha n a l y s i s i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg a s i f i e rt e m p e r a t u r e ，t h ep y r o l y s i sg a sc o m p o s i t i o n a n dc o n t e n to ft a ra n dr e m o v a lw i t hd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，a n dg e tt h e b e s t w o r k i n gc o n d i t i o n s o ft h eg a s i f i e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ：i nt h i s e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h eb e s ta i rv o l u m ef o rt h eg a s i f i e ri s2 4 m 3 h ，t h eb e s t r a wm a t e r i a l p a r t i c l e s i z e lc m ，t h eb e s tf u r n a c er a wm a t e r i a ld e n s i t y 10 0 k g m 3 ( o n c et h eq u a l i t yo fs t a l ki s4 k g ) ；t h ee x p e r i m e n tu s e i n gc o r n c o bf 0 rt a r f i l t r a t i o ns h o w e dt h a t ：i nt h ec a s eo ff i l t e rm a t e r i a li sn o tc o m p a c t e da n df i l l e dt h e f i l t r a t i o ne q u i p m e n t ，f i l t e r p a r t i c l e s i z e 5 0 0 时， 温度变化对焦炭的产量没有明显影响，随着温度的升高反而焦炭产量略有降 低【舢挖】。在研究农业秸秆的热解( 3 0 0 - - 9 0 0 ) 时发现，热解温度的升高会降 低焦炭的产量，提高气体产量，焦油在6 0 0 时产量最大1 1 3 1 。当热解温度 5 0 0 时，c h 4 和 h 2 逐渐产生，其产量随着温度的升高而增加，c o 的产量也增加，而c 0 2 的 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 产量则减少。在轮胎废弃物快速热裂解过程中发现在温度( 7 0 0 - - - 8 5 0 ) 和 停留时间( 0 3 1 4s ) 时，几乎不产生液体油，主要产物是气体( c o 、h 2 、 c 0 2 、c h 4 等) 1 7 1 。 升温速率。升温速率对热解也有重要影响，一般有正反两方面的影响。 慢加热速率会延长热解物料在低温区的停留时间，导致炭产量的增加。气体 和焦油的产量在很大程度上取决于挥发物生成的一次反应和焦油的二次裂解 反应。较快的加热方式使物料在达到热解所需要的温度的时间变短，有利于 物料热解迅速，挥发分释放集中，但同时，由于物料内部的传热效率较低， 使得物料内外温差过大，影响物料的内部热解。高温下升温速率快使物料热 解迅速，挥发分释放集中【m ：。 停留时间。固相的停留时间越短，固相的产量越大，气相的停留时间 越长，气体发生二次裂解的反应增大，气体产量越大。在3 5 0 时，研究了 停留时间对热解产物的影响，发现焦炭、焦油和气体的总量没有明显变化， 但是水蒸气随着停留时间的延长而明显增加，不稳定的有机物也会发生二次 裂解成为气体产物【s 1 。延长挥发分的停留时间可导致二次反应彻底，增加气体 产物，焦油可在高温下快速裂解，再延长停留时间对焦油裂解没有意义f 2 2 1 。 总之，如果热解气化的目标是可燃气体产量的最大化，则较高的温度( 9 0 0 ) 、较低的升温速率和较长的气体停留时间有助于提高可燃气体的产量和热 值【2 3 】。 1 3 国内外生物质热解气化技术及装置的发展状况 1 3 1 国外生物质热解技术及装置的发展状况 生物质气化技术是一种重要的能量转化技术，2 0 世纪7 0 年代，g a h l y 等 首次提出了将气化技术用于生物质固体废物 2 4 1 。随着各个国家的重视和关心， 生物质气化技术在2 0 世纪8 0 年代以后得到了较快发展，目前已经成功开发 出固定床和流化床生物质气化技术，先后开发出生物质气化发电系统以及生 物质气化供热系统 2 5 - 2 8 1 。一些研究院所和大学开展了生物质气化合成甲醇、二 甲醚等液体燃料和制氢等技术方面的研究工作，并取得一些成果【2 9 - 3 5 1 。 瑞典、美国、意大利、德国等国家在生物质气化技术领域具有领先水平。 建成以生物质为原料的气化供热、供气和发电系统，应用在不同场合，取得 了不错的的社会和经济效益。发达国家在生物质气化发电、生物质气化联合 循环发电技术方面，达到了4 6 3 m w 的规模水平，发电效率达到3 5 4 0 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 以上【，们。欧盟在生物质气化合成甲醇方面，建立了4 个4 8 1 2t d 的示范 工厂。意大利成功开发了水泥厂供燃气与发电并用的生物质气化站 3 7 1 。芬兰 成功开发了生物质气化合成氨技术生产化肥，用于区域供热的生物质气化设 备在瑞典和芬兰已经达到了商业化水平。 国外对反应器的研究主要有美国、加拿大、芬兰、意大利、英国、瑞典 等。代表性工艺为t w e m e ，g i t ，e n s y n ，g i e c ，n r e l ，l a v a l 等d s 。其中荷 兰t w e n t e 大学开发的旋转锥式反应工艺不用载气，不仅大大减少了装置体积， 而且减轻了冷凝器负荷；但生产规模小，能耗较高；美国g e o r g i a 工学院( g i t ) 开发的携带床反应器，内部高温燃烧气将生物质快速加热分解，可得到5 8 的液体产物，但需要大量高温燃烧气，而且还产生大量低热值的不凝气；加 拿大e n s y n 工程师协会开发研制的循环流化床工艺设备小巧，气相停留时间 短，防止热解蒸汽的二次裂解；但主要缺点是需要载气对设备内的热载体及 生物质进行流化；其他的还有美国国家可再生能源实验室( n r e l ) 开发了涡 旋反应器；加拿大l a v a l 大学开发的多层真空热解磨反应器。热等离子体快 速热解液化是最近出现的生物质液化新方法，它采用热等离子体加热生物质 颗粒，使其快速升温，然后迅速分离、冷凝，得到液体产物 3 9 1 。其他的还有 s b a s t i e nb a u m l i n 等对自我搅拌反应器应用的研究【o 】，a b r o s s 等对g c m s 应 用的研究 4 h 。 国外生物质气化装置一般规模大、自动化程度高、工艺复杂，以发电和 供热为主，如美国标准固体燃料公司( s t a n d a r ds o l i df u e l si n c ) 设计制造的 炭化气化煤气发生系统、加拿大摩尔公司( m o o r ec a n a d al t d ) 设计和发展的固 定床湿式上行式气化装置、德国茵贝尔特能源公司( i m b e r te n e r g i e t e c h n i k g m b h ) 设计制造的下行式气化炉一内燃机发电机组系统、加拿大通用燃料气 化装置有限公司( o m n i f u e lg a s i f i c a t i o ns y s t e ml i m i tr e d ) 设计制造的流化床 气化装置等等，气化效率可达6 0 9 0 ，可燃气热值可达1 7 2 5 1 0 4 k j m3 。 目前，在该领域具有领先水平的国家有瑞典、美国、意大利、德国等。美国 近年来在生物质热解气化技术方面有所突破，研制出了生物质综合气化装置 ( 燃气轮机发电系统成套备) ，为大规模发电提供了样板。 1 3 2 国内生物质热解技术及装置的发展状况 从8 0 年代初开始，经过近2 0 年的努力，我国生物质气化技术也日趋完 善。我国自行研制的集中供气和户用气化炉产品已进入实用化试验及示范阶 段，形成了多个系列的炉型，可满足多种物料的气化要求，在生产、生活用 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 能、发电、干燥、供暖等领域得到利用。目前，我国已进入实用阶段的生物 质气化装置种类较多，用途广泛，取得了良好的社会、经济效益。 国内进行研究的反应器结构有：流化床 4 2 1 ( 4 3 、固定床f 。4 【”1 、循环流化床 1 4 6 4 7 、层流炉【柏】、旋转锥形反应器等，它们都有各自的优缺点。目前，用于商 业运行的只有固定床和循环流化床系统【一。】。除了开发反应器装置来研究生物 质热解特性之外，谢克昌等利用热解快速装置c d s 2 0 0 0 红外联用仪 ( p y f t i r ) 对热解反应进行快速检测【如】。唐兰等采用高频电容耦合等离子体 热解技术对生物质原料进行了热解气化试验，研究气体产物、产率及成分随 反应条件的变化规律【s l 】。 目前，我国已应用或商品化的生物质热解气化炉主要有以下几类： ( 1 ) 中国农业机械化科学研究院能源动力所的n d 系列、h q 一2 8 0 型生 物质气化炉以及1 0 g f 5 4 生物质燃气柴油双燃料发电机组； ( 2 ) 山东能源研究所的x f l 系列生物质气化炉系统； ( 3 ) 中科院广州能源研究所的大型生物质气化系统( g s q 1 1 0 0 ) 和木 粉循环流化床装置等。 尽管各国研发的生物质热解气化系统不尽相同，但是目前国内外对热解 反应器的研究主要集中在提高可燃气产量和消除焦油方面【s ：】。 1 4 本文的研究内容 根据以上分析，结合四川地区农村剩余农作物秸秆大部分为油菜秆、稻 草、玉米秆等实际情况，本文设计制作了上吸式气化炉系统( 包括焦油去除 装置) ，通过调节气化剂流量、原料粒度、原料的质量等试验影响因素，分析 试验后的产物灰分中炭元素含量，探索该气化系统产生的可燃气气量大、热 值高时的最佳工作条件，包括焦油最佳去除效率时除焦设备的运行条件。利 用热裂解一气相色谱法，对试验产生的焦油进行热裂解产物分析。具体的试验 内容如下： ( 1 ) 就近选择具有代表性的农作物秸秆作为试验原料，如油菜秆、稻草、 玉米秆等。 ( 2 ) 对试验用秸秆进行元素分析，工业分析，热值测量( 氧弹法) 。 ( 3 ) 设计并制作上吸式秸秆气化炉系统( 包含焦油去除装置) 。 ( 4 ) 热解可燃气的试验研究：按照n y t1 0 1 7 2 0 0 6 一秸秆气化装置和系 统测试方法进行秸秆热解气化的试验研究；着重研究分析气化炉内温度、产 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 气成分、各气体含量与气化剂量、原料种类、粒度、炉内原料加入量的关系； 按照g b l 2 2 0 8 1 9 9 0 城市燃气中焦油和灰尘含量的测定方法测得秸秆气化 炉产生可燃气中的焦油和灰尘的含量，探讨在不同滤料条件下焦油含量和焦 油去除率随时间的变化关系。 ( 5 ) 试验后产物灰分中炭元素含量的分析，焦油热裂解产物的分析。 ( 6 ) 在此基础上，探讨热解气化装置的改进建议。 1 5课题来源 本课题来源为： 四川省教育厅重点科研项目：生物质固体废物热解可燃气的影响因素研 究( 2 0 0 6 a 1 0 1 ) 。 教育部固体废物处理与资源化重点实验室基金项目：有机废物热解技术 的研究开发( 0 8 z x g p 0 2 ) 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 上吸式秸秆气化炉试验系统的设计 本文研究的是适合农村应用的小型气化炉及其净化装置。 2 1气化炉的选择与设计 生物质热解气化装置主要有循环流化床气化炉和固定床气化炉，其中， 循环流化床气化炉的优点：物料受热均匀且充分，气化反应速度快，产气率 较高，炉内温度高且稳定，可燃气中焦油含量较少，可燃气热值较高；缺点： 流化床气化炉结构复杂，原料需要粉碎，产生的可燃气中飞灰量大，运行费 用高。固定床气化炉的优点：制造简便，运行简单，处理量小；缺点：焦油 含量高，燃气产量较低。因此农村户用的小型秸秆气化炉只能选择固定床气 化炉。 2 1 1 气化炉的分类及其特点 固定床气化炉可以分为上吸式气化炉，下吸式气化炉和平吸式气化炉 【5 3 。5 5 1o _ _ - 淼- 一j - 童一耋：主主羔 一 图2 1上吸式气化炉工作原理图 f ；g 2 1p r i n c i p l ed i a g r a mo fu ps u c kg a s i f i e r 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 1 ) 上吸式气化炉：如图2 1 所示，物料由气化炉的顶部加入，气化剂 ( 空气) 由底部进入气化炉，热解产生的气体通过气化炉的各个反应区，从 气化炉的上部排出。在上吸式气化炉中，气体流动的方向与物料运动方向恰 好相反，向下流动的生物质原料被向上流动的热气体干燥脱去水分，干物质 进入裂解区后获得更多的热量，发生一次裂解反应，分离出挥发分。产生的 炭进入还原区，与氧化区产生的热气体发生还原反应，生成一氧化碳等可燃 气体，一次裂解物发生二次反应。反应中没有消耗掉的炭进入氧化区，炽热 的炭与进入氧化区的空气发生氧化反应，灰分则落入灰室。在氧化区、还原 区、热解区和干燥区生成的混和气体，即生物质气化燃气，自下而上的向上 流动，排出气化炉。 上吸式气化炉的优点：产出的热气体在炉内的上层直接同物料接触，使 得上层物料处于干燥状态，同时降低了产出气体的温度，使气化炉的热效率 有所提高，而且上层的物料有一定的过滤作用，因此排出气化炉的产出气体 中焦油和灰尘含量减少；上吸式气化炉还可以使用较湿的物料，并对原料尺 寸要求不高；热气流向上流动，炉排可受到进风的冷却，工作比较温度可靠。 上吸式气化炉缺点：不利予连续加料，在裂解区生成的焦油没有通过气 化区而直接混入可燃气体排出，这样会使得产出的气体中焦油含较高，需要 增加焦油的去除设备。 图2 - 2下吸式气化炉工作原理图 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 2 ) 下吸式气化炉：如图2 2 所示，同上吸式气化炉一样，进入到下吸 式气化炉内的生物质最初在物料的最上层，然后随着物料的热解反应消耗向 下移动进入裂解区，裂解区的温度高，生物质物料的挥发分开始析出，产出 热解气体，物料逐渐分解为炭、挥发分及焦油等。热解生成的炭随着物料的 消耗而继续下移落入氧化区。由裂解区生成的炭与气化剂中的氧进行燃烧反 应生成二氧化碳、一氧化碳，并放出大量的热，这些能量保证了生物质原料 的热解气化全过程的顺利进行。没有在反应中消耗掉的炭继续下移进入还原 区，在这里，与裂解区及氧化区生成的二氧化碳发生还原反应生生成一氧化 碳，炭还与水蒸汽反应生成氢气和一氧化碳，焦油等一次裂解产物发生二次 裂解反应，降低焦油的含量并提高了燃气的产量，灰分和没有反应的炭则落 入灰室中。 下吸式气化炉的优点：结构比较简单，加料方便，产出气体中焦油含量 少，由于下吸式气化炉是在负压下运行，因此，操作方便，运行安全可靠。 下吸式气化炉的缺点：产出气体流动阻力大，消耗电功率增多，产出气 体中含灰分较多，温度较高，必须用水冷却。 图2 - 3平吸式气化炉工作原理图 f ig 2 - 3p rin cipiedia g r a mo fh o riz o n t als u c kg a sif ie r 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 3 ) 平吸式气化炉：如图2 3 所示，物料同样从炉顶部加入，灰分落入 下部的灰室。气化剂由气化炉的侧向提供，空气或空气和物料干燥出来的水 蒸汽的混合气从位于炉体一定高度处的喷嘴送入炉内，产出气体从对侧流出， 气流横向通过氧化区，氧化区及还原区进行热化学反应，反应过程与其它固 定床气化炉相同，但是反应温度较高。 平吸式气化炉的优点：燃料层温度较高，炉子结构紧凑，启动时间短， 负荷适应能力强，焦油等产物的一次反应较彻底。 平吸式气化炉的缺点：气体在炉内的停留时间变短，使c 0 2 还原成c o 的机会减少，热解产物二次反应不彻底，从而使燃气质量较差。由于炉体中 心温度高，容易使灰熔化，造成结渣。所以该种气化炉一般用于灰含量很低 的料，如木炭和焦炭等。 2 1 2 气化炉的定型 由于小型生物质气化装置主要在农村推广使用，因此要求生物质燃气质 量较好，发热量高，适于炊事、供热等；杂质含量低，燃气灶不易堵塞，干 净卫生；炉体结构简单，成本低，操作及维修方便；通用性好，适于挥发分 含量高的农林废弃物。由于上吸式气化炉可以进行间歇式加料，对原料的尺 寸和水份的要求并不苛刻，热解气化效率高，燃气发热值较高，故本文采用 上吸式气化炉作为试验模型。 对于上吸式气化炉，生物质气化的基本热化学反应如图2 4 所示，生物 质从上部加入，空气从底部吹入，气化炉中参与反应的物料自下而上分为氧 化区、还原区、热分解区和干燥区【”1 。 ( 1 ) 氧化区：气化剂( 空气) 由气化炉的底部进入，与热的灰分进行热 交换，被加热的气体进入气化炉底部的氧化区，在这里炽热的炭发生燃烧反 应，生成二氧化碳，同时放出大量的热量。由于氧化区的氧气供给是不充分 的，因而不完全燃烧反应同时发生，生成一氧化碳，同时也放出热量。反应 方程式有： c + 0 2 = c 0 2 2 c + 0 2 = 2 c 0 在氧化区进行燃烧反应，放出热量，这部分反应热为还原区的还原反应、 物料的裂解和干燥提供了热源。在氧化区中生成的气体( 一氧化碳和二氧化 碳) 进入气化炉的还原区，灰分则落入下部的灰室中。 ( 2 ) 还原区：在氧化反应中生成的二氧化碳在这里同炭及物料干燥后的 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 水蒸汽发生还原反应，生成一氧化碳( c o ) 和氢气( h 2 ) 。其反应方程式有： c + c 0 2 = 2 c o h 2 0 + c = c o + h 2 2 h 2 0 + c = c 0 2 + 2 h 2 h 2 0 + c o = c 0 2 + h 2 还原区的主要产物为一氧化碳( c o ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 和氢气( h 2 ) ， 这些热气体同氧化区生成的部分热气体进入上部的裂解区，而没有反应完的 炭则落入氧化区。 i ，_ p i ，l - _ _ 俐 。钧怫钧髫 谚、啊_ 簇努孵缓 2 耪 徽譬 蝌 一o _ 洲 獭 7 秘 _ 一 删 燃 甄缓弑 豢隔镯“扣譬 鹭霸喊 饿謦h 瓣勉黪 簇貉蹶豢纛鼍孙麓 c + c o l - - , ：x ：o e 啭妒薰k 斌黪 移髓一溉 图2 - 4上吸式气化炉气化原理图 f i g 2 - 4p r i r c l p i ed ia g r a mo fu ps u c kg a s j f i e rg a s i f i c a t i o n ( 3 ) 热分解区：在氧化区和还原区生成的热气体，在向上流动的过程中 经过裂解层，生物质物料受热后发生裂解反应。在反应中，生物质中大部分 的挥发分从固体中分离出来。由于生物质的裂解消耗大量的热能，裂解区温 度己降到2 0 0 5 0 0 。 在裂解反应中还有少量饱和或不饱和烃类物质的产生。裂解区的主要产 物有：炭、氢气、水蒸汽、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油及其他烃类物 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 质等，这些气体继续上升，进入到干燥区，而炭则进入下面的还原区。 ( 4 ) 干燥区：气化炉的最上层为干燥层，从炉顶加入的生物质物料直接 进入到干燥区，湿物料在这里同自下而上的热气体进行热交换，使原料中的 水分蒸发出去，原料转变为干物料。干燥区的产物为干物料和水蒸汽，水蒸 汽随热气体排出气化炉，而干物料则落入裂解区。 以上分层在理论上是成立的，但是在气化炉内实际情况上并不如此。一 个区可以局部的渗入另一个区，气化过程实际上总是兼有燃料的干燥裂解过 程的。气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸等有机物。 在气化炉出口，产出气体成分主要为c o 、c 0 2 、h 2 、c h 4 、焦油及少量饱和 或不饱和烃类有机物( c n h m ) ，还有水蒸汽及少量灰分。这也是实际气化产生 的可燃气的热值总是高于理论上纯气化过程产生可燃气的热值的原因。 2 1 3 气化炉的设计 农作物秸秆是我国农村最常见的农业废弃物，分布广，成本低，因此本 文的气化炉拟用农作物秸秆作为气化原料( 结合本地区的农作物，暂选用油 菜秆，稻草，玉米秆) 。部分生物质元素分析见表2 1 ，其工业分析及热值见 表2 2 。 表2 - 1生物质秸秆元素分析 t a b 2 1s t r a wb i o m a s se i e m e n t a ia n a i y s is 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 气化炉气化剂需用量的计算 ( 1 ) 生物质秸秆完全燃烧所需要的空气量v ( m 3 k g ) ： 生物质秸秆含有碳、氢、氧、氮、硫等元素，由于氮和硫的含量非常低， 所以在计算中不考虑氮、硫的燃烧反应。 碳完全燃烧时的反应：c + 0 2 = c 0 2 1 2 k g 2 2 4 m 3 l k g 碳完全燃烧需要1 9 m 3 氧气。 氢完全燃烧的反应：4 h + 0 2 = 2 h 2 0 4 k g 2 2 4 m 3 l k g 氢完全燃烧需要5 6 m 3 氧气。 l k g 原料中已经含有【o 】k g ，相当于已经供给 o x 2 2 4 3 2 = 0 7 0 】m 3 氧气， 按氧气占空气的2 1 计算。则生物质秸秆完全燃烧所需用的空气量为： v = i 0 2 1 ( 1 9 0 】+ 5 6 h 】一0 7 o 】) 由表2 1 给出的生物质秸秆所含的主要元素含量为： 【c 】_ 4 0 5 3 ，【h 】_ 6 0 5 0 ，【o 】= 3 8 6 4 3 。 生物质秸秆完全燃烧所需用的空气量： v = i 0 2 1 ( 1 9 0 】+ 5 6 h 】- - 0 7 【o 】) = i 0 21 ( 1 9 x 4 0 5 3 + 5 6 x 6 0 5 0 - - 0 7 x 3 8 6 4 3 ) = 3 9 9m 3 k g ( 2 ) 生物质秸秆气化所需用的空气量v o ( m 3 k g ) 图2 5 中的曲线是生物质气化时空气的当量比与产气成分之间的关系曲 线，由此图得出1 5 6 ： 当量比为0 时，没有氧气输入，直接加热原料的反应属于热分解反应， 虽然可以产生h 2 、c o 、c h 4 等可燃气成分，但是产气中的焦油含量会很高， 且大部分的的炭不能同时转变成可燃气体；当量比为1 时，原料与氧气完全 燃烧，不能产生可燃气体；只有当量比为0 2 0 3 时，产出的气体成分比较理 想，即气化反应所需用的氧仅为完全燃烧时耗氧量的2 0 3 0 。 考虑到实验装置漏气和气体分布不均等因素，取当量比为a o = 0 3 ，则气 化所需用的空气量： v o = a o v = 0 3 x 3 9 9 = 1 1 9 7m 3 k g 由于气化剂流量直接影响气化炉产气量的多少与好坏。气化剂流量大， 产气量大，但易造成过氧燃烧，致使可燃气体成分减少，燃气热值低；气化 剂流量小，则造成缺氧燃烧，氧化和还原反应均不充分，产气中可燃成分少， 使产气质量下降1 5 7 1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 糯o 7 0 ；燃 气热值4 6 m j m 3 。因此，取气化炉的气化效率t 1 = 7 0 ，燃气热值q o = 4 6 m j m 3 。 各种生物质的低位热值如表2 2 所示，取其平均值q l = 1 4 9 3 1 m j k g ；根据生 物质秸秆在炉体内的状态取其密度p = 5 0 k g m 3 。 根据标准状态下单位质量生物质热解气的气化效率r l = q o g q l ，可知炉 内膛的容积为【铀】： v l t = v q q o ( n q i p ) 式中：v o气体产量( m 3 ) ； q o冷气体热值( m j m 3 ) ； g 冷气体产率( m 3 k g ) ； q l原料热值( m j k g ) ； p秸秆在炉体压实后的密度( k g m 3 ) 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 由此得到的炉内膛的容积为v l t = o 0 3 9m 3 。对于上吸式固定床气化炉， 由于具体结构不同，所生产的生物质燃气会有一定的差异，而且同一气化炉 由于使用不同的物料所产生的生物质燃气也会有较大的变化。为了满足结构 探讨改进的条件，将内胆直径d 取0 2 5 m ，气化炉外炉直径d 取o 3 6 m ，保 温层5 0 m m 。因此，该气化炉内胆直接由保温层做炉壁，气化炉外炉壁用5 m m 厚度铁板卷制焊接而成。由于炉子点火还需要一定量的秸秆，这些燃料燃烧 后占用一定高度，故本文设计的气化炉内筒高度h 为o 8 0 m ，则内膛的容积 约为0 0 4m 3 ，满足设计要求。 图2 - 6炉体结构示意图 fig 2 6s c h e m a ticdia g r a mo ff u r n a c es t r u c t u r e 为了测试炉内整体温度对气化效果的影响，热电偶直径是1 5 m m 。因此， 气化炉四周布1 8 个直径1 6 m m 的测温孔，用来安装热电偶测试炉内温度。热 解气从互成1 8 0 度的径向气孔排出，由连接管道汇聚到一起进入焦油净化装 置。没有插入热电偶的测温孔用螺丝缠绕石棉绳密封，防止气体泄露。为了 使气化剂均匀进入热解物料，气化剂喷口设计成小孔向下开口( 一是为了均 化气流，二是防止落灰堵塞喷口) 。为了使气化炉结构简单、操作方便，本课 题设计的气化炉采取较简单的水密封。为保证炉盖与炉体的密封性，必须有 足够的负压防止气体从炉盖溢出，因此，炉盖高度设计为1 5 0 m m ，水密封槽 1 4 0 m m 。炉盖、炉体外壁、法兰盘均是用5 m m 钢板制作而成，测温孔和出气 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 孔使用1 6 2 无缝钢管制作。灰室高度选取为2 7 5 m m ，以保证有足够的储 存炉灰的空间。最后确定气化炉炉体的总高度为1 2 0 0 m m ，下法兰盘至气化 炉炉体炉栅的高度为8 0 0 m m 。保温层由耐火泥填充。炉体结构如图2 - 6 。 2 2 除焦器的选择与设计 固定床上吸式气化炉产生的生物质热解气中杂质含量较大，且成分比较 复杂，主要是焦油和灰分，它们的存在对气化有多方面的不利影响：降低了 气化效率；易堵塞输气管道及灶具、气表等，使气化设备的运行发生故障； 杂质在燃烧时易产生炭黑等颗粒，对灶具损害相当严重，所以有必要对杂质 成分进行分析1 5 4 1 5 7 1 。 固定床上吸式气化炉热解生物质过程中产生的杂质成分和危害如下： ( 1 ) 焦油和灰分。焦油的成分非常复杂，主要是多环芳香族成分。目前 能分析出的成分有2 0 0 多种，主要成分不少于2 0 种，大部分是苯的衍生物( 苯、 甲苯、二甲苯等) 。焦油的特性是低温下( 2 0 0 ) 以液态存在，高温下发生 裂解，分解成小分子稳定的气体。焦油的成分与反应温度、加热速率和气体 在高温区停留时间的长短等有关，通常5 0 0 * c 时焦油产量最高。焦油和灰分如 果不能有效净化，将会沉积在输气管道中和燃气灶具孔内，时间长了就会造 成管道堵塞。 ( 2 ) 有机酸。气化气中含有一定量的以蒸气形式存在的有机酸，如乙酸、 丙酸等，这