上吸式生物质秸秆气化炉的设计与试验研究

上吸式生物质秸秆气化炉的设计与试验研究杨少鹏 ,薛勇 ,牛广路(西南科技大学 固体废物处理与资源化省部共建教育部重点实验室 ,四川 绵阳 621010 )摘要 :设计一台上吸式生物质秸秆气化炉 ,并进行热解气化试验 ,分析不同气化剂量对炉内温度的影响以及温度和秸秆种类对产气成分的影响 。试验结果表明 : 气化剂量对炉内温度及炉内温度对产气成分 含量的影响均较大 ;秸秆种类也对产气的热值有较大的影响 ,稻草热解可燃气热值 411MJ /m3 ,油菜秆热解可燃气热值 419MJ /m3 ,玉米秆热解可燃气热值 515MJ /m3 。关键词 :上吸式气化炉 ;炉内温度 ;燃气成分中图分类号 : X712 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 7948 ( 2009) 09 - 0006 - 033引言生物质气化是最早实现商业化应用的生物质能 转化技术之一 。 20 世纪 70 年代 , Gah ly等 1 首次提出了将气化技术用于能量密度较低的生物质燃料 ,使生物质气化的研究重新活跃起来 。不同学科的相 互渗透 ,使这一技术发展到新的高度 。生物质作为 一种相对稳定的可再生资源已经成为世界大多数国家研究利用的焦点 2 。生物 质 热解 气化 技 术的 发 展 ,对于解决能源与环境这一世界突出问题具有重 要意义 3 - 4 ,也为我国生物质能源的利用提供了理 论基础 。所谓生物质热解气化技术 ,就是将生物质固体 原料置于高温环境 ,通过热分解和化学反应将其转化为气体燃料和化学原料气体 (合成气体 ) 等气态 物质的过程 ,生物质固体原料转化的气体称为燃气 。在我国 ,目前常用的生物质固定床气化炉按照 鼓风方法不同和燃气相对于燃料流动方向不同 ,通 常分为上吸式 、下吸式和平吸式 5 。本文在比较了 3种气化炉的优缺点之后选择设 计上吸式气化炉 。1 试验气化炉的设计111 设计依据 该气化炉在设计上以国家农业部秸秆气化验收规范和技术条件 (N Y / T443 - 2001 )的指标为设计依 据 ,其具体指标为 : 气化效率 70 % ,燃气热值 416MJ /m3 。因此 ,取气化炉的气化效率 = 70 % ,燃气热值Q0 = 416MJ /m 。各种生物质的低位热值如表 1 所示 ,取其平均值 Q1 = 141931MJ / kg;根据生物质秸秆在炉体压实后取其密度 = 50 kg /m3 。表 1 生物质秸秆工业分析挥发分 / % 灰分 / % 固定碳 / % 水分 / % 热值 /MJkg - 1名称79185681247919141228715110173516181618917114101161713691550141619161672131502油菜秆玉米秆 稻草 6 112 炉体结构根据标准状态下单位质量生物质热解气的气化效率 = Q G /Q , 可知炉内膛的容积为 :01VL T = VQ Q0 / (Q1 )33式中 : VL T 炉内膛容积 , m ; VQ 气体产量 , m ;33Q0 冷气 体 热 值 , MJ /m ; G冷 气 体 产 率 , m / kg;Q1 原料热值 , MJ / kg; 秸 秆 在 炉 体 压 实 后 的 密度 , kg /m3 。3= 01039m 。由此得 到 的 炉 内 膛 的 容 积 为VL T根据炉膛计算容积 , 设 计气 化炉 的 外径 D = 36 cm ,高度 H = 80 cm ,壳体为钢板 ,内壁涂敷耐火材料 ,内 膛的容积约为 0104m3 。图 1所示为试验用气化炉的炉体结构示意图 。113 气化炉气化剂需用量的计算11311 生物质秸秆完全燃烧所需要的空气量 V生物质秸秆含有碳 、氢 、氧 、氮 、硫等元素 ,各种 秸秆元素分析如表 2所示 。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 。碳完全燃烧的反应 : C + O2 = CO2基金项目 :教育部固体废物处理与资源化重点实验室基金 (项目编号 : 08 zxgp02 )12 kg2214m 32009年第 9期(总第 326期 )节能EN ERG Y CON S ERVA T ION 7 氧量的 20 % 30 % 。图 1气化炉体结构示意图图 2 燃气成分和空气量的关系表 2生物质秸秆元素分析名称C含量 / %H 含量 / %N 含量 / %O 含量 / %S含量 / %考虑到实验装置漏气和气体分布不均等因素 ,41128411823814940153615215152561103610500132018301570157337127944123534141438164301211012230113801191油菜秆玉米秆 稻草平均值取当量比为a = 013 ,则气化所需用的空气量 : V =003a0 V = 013 3199 = 11197m / kg。气化剂流量直接影响气化炉产气量的多少与质 量 。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 8 。 目前大多数气化炉的供风系统的送风口都是在炉体的侧面 ,在原料下落和气化过程中灰分会将通 风口堵塞 ,气体在炉内的分布也不够均匀 ,造成气化 剂不能够均匀地与原料接触 。该气化炉采用特殊供风方式 ,避免了原料和灰分与进风口直接接触 ,使得 气化剂能够均匀地在炉内分布 。2 试验分析211 试验材料与设备 试验使用自行设计的上吸式气化炉 (见图 1 ) 。原料是油菜秆 、玉米秆 、稻草 。其工业和元素分析如 表 1、表 2 所示 。物料称重采用 TGT - 100 型台秤 , 秸秆 破 碎 用 9 FQ - 20 多 用 粉 碎 机 , 气 体 采 样 用100m l全玻璃注射器 ,供风采用 CZR 型 120W 离心 式交流鼓风机 ,管道风速测定采用 QD F - 2A 型热球式电风速仪 ,炉内温度测定用 W RN 型热电偶和电 子式温度 指 示 控 制 仪 , 气 体 成 分 分 析 采 用 Q F 型1901 - 1904 型奥式气体分析仪 。212 试验步骤( 1 )检查试验装置的气密性 , 保证气化炉和管 道系统的密闭性 ,检查各个仪器能正常使用 ,将原料破碎到粒径小于 1 cm。( 2 )加入炉 体 一 些 引 燃 物 ( 015 kg原 料 燃 烧 ) ,升高气化炉的温度 ,然后将 4 kg原料填入炉体内部 ,1 kg碳完全燃烧需要 119m3 氧气 。氢完全燃烧的反应 :4H + O2 = 2H2 O1 kg氢完全燃烧需要 516m3 氧气 。 原料中已经含有 O ,相当于已经供给 O 2214 /32 = 017 O m3 氧气 ,按氧气占空气的 21 %计算 。则生物质秸秆完全燃烧所需用的空气量为 :V = ( 1 /0121 ) ( 119 O + 516 H - 017 O )由表 2给出的生物质秸秆所含的主要元素含量 为 : C = 40153 % , H = 610505 % , O =381643 % 。生物质秸秆完全燃烧所需用的空气量 :V = ( 1 /0121 ) ( 119 O + 516 H - 017 O )= ( 1 /0121 ) ( 119 40153 + 516 61050 - 017 381643 ) = 3199m3 / kg。11312 生物质秸秆气化所需用的空气量 V0图 2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 7 。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 H2 、CO、CH4 等可燃气成分 ,但是产气中的焦油含量会很高 ,且占 物料质量 30 %的碳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 012013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4 kg2214m 3节能2009 年第 9期(总第 326期 )EN ERG Y CON S ERVA T IO N 8 图 4 所示为气化量为 214m3 / h时热电偶温度随时间的变化情况 。此气化剂量符合气化比的要求 。1号热电偶的温度先升高后略有下降 , 2 号热电偶温 度在后期超过 1号热电偶 ,此时燃烧层向上移动 ,两 个热电偶升温速率都较快 ,短时间就到达了热解所 需要 的 温 度 400 , 达 到 的 最 高 温 度 也 超 过 了700 ,可以产生较好的热解效果 。图 5 所示为气化剂量为 313m3 / h时热电偶温度 随时间的变化情况 。此 1 号 、2 号热电偶的温度随 时间先升高后下降 , 2 号热电偶的温度在后期也超 过了 1 号热电偶的温度 ,两个热电偶升温速率升温 速率较快 ,达到的最高温度也超过了 700 。从图 35的热电偶温度对比可以知道 :气化炉 内温度均随着时间的增加而增加 ; 在达到最高温度 后 ,图 4、图 5 所示的温度略有下降 , 图 5 所示的温 度在后期下降的速率较大 ; 图 3 的温度没有明显的 下降趋势 ,说明在低的气化剂流量下 ,需要达到最高 温度的时间较长 ,影响热解气化效果 。气化剂的流量对升温速率影响比较大 ,升温速率随气化剂流量 的增多而增大 ;然而气化剂量过大会使得实验后期 温度下降较快 ,同样影响了热解气化效果 。此外 ,气 化剂的流量大小对其最高温度也有影响 ,气化剂量 大 ,达到的最高温度 也 高 ; 在低 的气 化 剂量 的情 况 下 , 2号热电偶的温度一直低于 1 号 ,升温速率相差 较大 ;在较高的气化剂量的情况下 , 1 号和 2 号热电 偶升温速率较大 ,也比较接近 。21312 气化剂量 、温度对可燃成分含量的影响从图 35中的气体成分对比还可以知道 :气化 剂量小时 ,氧气含量相应减少 ,造成燃烧效果差 ,燃 气中的 CO2 含量少 ; 气化剂量大时 , 氧气含量相应 增大 ,燃烧产生的 CO2 含量亦会提高 ; 燃气中 H2 和CO 的含量不仅和气化剂量有关 ,和温度也有密切关 系 。在试验过程中 , H2 和 CO 的含量随时间的延长 先增加后减少 ,其规律和温度变化趋势相近 ; CO2 的 含量则随时间的延长先减少后增加 ,其规律和温度 的变化趋势相反 ; 在高温时 , H2 、CO、CH4 的含量较 低温时高 , CO2 和 O2 的刚好相反 ,在高温时含量比并压实 ,同时将两个热电偶从下到上依次从测温孔(见图 1 )插入炉体内部 ,记录热电偶的初始温度 。( 3 )打开鼓风机 ,调节风速仪阀门 ,使风速保持 在一定值 (根据进风管径换算成流量 ) ,将空气送入 炉体内部 。( 4 ) 此 后 , 每 5 m in 记 录 热 电 偶 的 数 值 , 每10 m in收集气体一次 ,并进行分析 。213 试验结果图 3、图 4、图 5 反映了在不同的气化剂量的情 况下 ,气化炉内部下层温度和气体的成分在开始试 验 1 h内的变化 。21311 气化剂量对炉内温度的影响图 3所示为气化剂量为 118m3 / h时热电偶温度 随时间的变化情况 。此气化剂量下 ,升温速率低 ,达到较高的温度需要的时间长 ,尤其是 2 号热电偶升温速率更低 ,达到的最高温度不到 300 ,对热解产 生很大的影响 ,达不到好的热解气化效果 。低温时低 。但是 O 、CH 的含量的变动范围较小 ,24其值约在 2 %左右 。由此可知 ,气化剂量小 ,造成燃烧不充分 ,温度升高慢 ,使得炉内温 度 较低 , 热 解气 可 燃成 分含 量 低 ;气化剂量大 ,虽然可以升至较高的温度 ,但是空2009年第 9期(总第 326期 )节能EN ERG Y CON S ERVA T ION 9 经济实用高效型日光大棚的蓄热保温性能分析洪丽华 ,阎军显(营口市中等专业学校 ,辽宁 营口 115000 )摘要 :为研究经济实用高效型日光大棚的蓄热保温性能 ,对大棚墙体 、前底角 、室体 、地表的温度变化及所适应经济作物进行了生产实验 ,生产实验结果及记录数据说明 :白天大棚砖土混合墙体及地表接受太 阳辐射而蓄热 ;夜间随室外温度的降低棚内墙体及地面温度高于棚室内温度时开始放热 ,砖土混合墙体具有非常好的蓄热保温性能 ,完全能够满足冬 、春两季经济作物生长的温度需要 。关键词 :日光大棚 ;经济实用 ;蓄热保温 ;砖土混合墙体 ;经济作物中图分类号 : TU855 文献标识码 : B 文章编号 : 1004 - 7948 ( 2009 ) 09 - 0009 - 03引言经济实用高效型日光大棚利用棚内墙体及土壤 吸热保温来为棚内经济作物生长提供温度条件 ,并很好地解决了北方因冬春季温差大引起的问题 。采用砖土混合墙体作为日光大棚的主体结构 ,建造简 单 ,造价低 ,节省墙体占地面积 。利于机械化操作管理 ,其吸热蓄热能力强 。加之科学种植 ,可取得很好的经济效益 。多年生产实验研究结果及记录数据表 明 ,该大棚种植的经济作物比同地区大棚的早成熟2030天 。1 经济实用高效型日光大棚简介 日光大棚位于辽宁营口市 ,该地冬季平均日照气过量容易形成局部烧穿现象 ,影响传热 ,使得热解过程不能持续进 行 , 也造 成 可燃 气成 分 含量 较低 。 因此气化剂量是热解气化的关键因素 。21313 秸秆种类对热解气热值的影响表 3所示为不同种类秸秆热解后的可燃气成分 及热值的测定结果 。表 3 生物质秸秆热解气化产生的主要气体成分分析和热值解气化的关键因素 ,温度的提高和升温速率的加快促进了气化的过程 。由于不同秸秆的元素含量 、挥 发分等不同 ,热解产生的可燃气体成分差异较大 ,导致产气的热值不同 ,所以选择不同的原料是产生高 热值气体的基础 。有些秸秆 (如稻草 ) 由于其灰分 较大 ,产生的气体热 值 低 , 不适 合单 独 作为 气化 原 料 ,可以和其他原料配合使用 。参考文献 1 Gah lym , P reko rz J. The hyd ro ga sifica tion of wood J . IndEng Chem R e s, 1988 , 27: 256 - 264. 2 Chen G, A nd rie s J , Sp lien thoff H , e t a l. B iom a ss ga sifica tion in tegra ted w ith p yro lysis in a c ircu la ting flu id ized bed J . So la r Ene rgy, 2004, 76: 345 - 349. 3 邱钟 明 , 陈 砺 . 生 物 质 气 化 技 术 研 究 现 状 及 发 展 前 景 J . 可再生能源 , 2002 , ( 4) : 16 - 19. 4 M an ia tis. K, B eenacke rs AACM. IEA b ioene rgy ga sifica tionta sk A . B iom a ss and b ioene rgy C . Po land: Krakow,2000, 1 - 4. 5 Zhang Q uanguo, e t a l. Study of the p u rifie r of b iom a ss ga sifi2ca tion system A . In te rna tiona l Confe rence on A gricu ltu ra lEnginee ring C . ( 99 - ICA E) , 1999. 12: 59 - 61. 6 李鹏 ,吴杰 ,王维新 . 户用型上吸式生物质气化炉的改进设计 J . 农机化研究 , 2008, ( 5 ) : 76 - 78. 7 宋秋 ,任永志 ,孙波 . 生物质气化炉设计要点 J . 可再生能源 , 2002 , ( 2) : 49 - 51. 8 陈家仁 . 固定床水煤气气化炉产气量选择刍议 J . 全国造气技术通讯 , 2005 , 13 ( 2 ) : 12 - 16.作者简介 :杨少鹏 ( 1983 - ) , 男 , 河南郑州人 , 硕 士 在 读 , 研 究方向 :固废污染控制与大气污染控制设备 。收稿日期 : 2009 - 08 - 09;修回日期 : 2009 - 08 - 20低位热值/MJM - 3CO2 / %O2 / %H2 / %CH4 / %名称CO / %151513141312211119119151218122012131216121816212215215411419515稻草油菜秆 玉米秆由表 3可以得出 ,稻草 、油菜秆 、玉米秆中玉米秆的热值最大 ,稻草的最小 。3 结论目前我国还没有气化炉的设计手册 ,该课题是 按照国 家 农 业 部 秸 秆 气 化 验 收 规 范 和 技 术 条 件 (N Y / T443 - 2001 )的指标为设计依据 ,设计了秸秆 气化实验装置 ,并在其上进行了生物质秸秆的热解气化试验 。实验表明 :气化剂量的确定是热解气化的关键 , 它直接影响到炉内的温度和升温速率 ,并影响炉体 不同位置的温度变化情况 。而温度和升温速率是热节能2009 年第 9期(总第 326期 )EN ERG Y CON S ERVA T IO N 2 and sav ing the am oun t of coa l. M eanw h ile, because of the dec line of s team p rov ided to gene ra ting un its and the hea t and p ow e r ra tio, the coa l consum p tion w ill inc rease, and the d iffe rence be tw een bo th is the a2 m oun t of ne t2sav ing coa l af te r the use of w as te hea t. A cco rd ing to theca lcu la tion, cons ide ring the im p ac t of use of w as te hea t recove ry to p ow 2e r p lan t, it w ill take 3 yea rs to recove ry the inves tm en t, w h ile the p rev i2 ous m e thod jus t needs 1 yea r, and the resu lt of its da ta a re no t a reasona2 b le resp onse to the ac tua l s itua tion. The refo re, it is necessa ry to cons ide r m any d iffe ren t im p ac ts on the en te rp rise ana lyz ing p rac tica l p rob lem s inthe use of w as te hea t recove ry.Key word s: com b ined hea t and p ow e r; the rm a l econom ics ana lys is;w as te hea t u tiliza tion; ene rgy2sav ingCO NTENTS2009 V o l. 28, N o. 09 To ta l Issue N o. 326S tudy on the re s istan ce of A NJ. S IC rem ova lm an gan e se wh ich in the groun dwa terCH EN H a i2b o, CU I Yu a n 2fa n, L IU G u a n g2ju n, e t a l.( S c h o o l o f M u n ic ip a l a n d E n v iro nm e n ta l E n g in e e r in g, S h e n ya n g J ia n zh u U n ive rs ity, S h e n ya n g 110168, C h in a )A b stra c t: The s tudy of effec ts on rem ova l m anganese w h ich in the g roundw a te r by AN J. S IC and m anganese sand w as ca rried ou t. Tes ts show ed tha t AN J. S IC have be tte r resu lts in rem ova ling m anganese w h ich in the g roundw a te r, w hen the raw w a te r concen tra tion range 2.06m g /L 22. 34m g /L , ve loc ity range 5. 2m / h216. 11m / h changes, the re2m ova l ra te of be tw een 100 % 294 % , the sam e c ircum s tances of the re2 m ova l of m anganese sand in be tw een 43 % 232 % . C hanges in ve loc ity, AN J. S IC m a in ta inS the s tanda rds of the tim e change in w a te r f low ra te the g rea te r the AN J. S IC sa tu ra ted abso rp tion, the sho rte r the tim e. AN J.S IC a t a ll leve ls of the m anganese rem ova l ra te m ono ton ic dec line ove r tim e, and the trend of s low dec line. R em ova l ra te of rem ova l is no t con2 cen tra ted in a ce rta in p a rt of the p henom enon, a t a ll leve ls have the ab ili2 ty to rem ove ce rta in.Key word s: g roundw a te r; rem ova l of m anganese; AN J. S IC; adso rp tion f ilte rS ep.D e s ign an d te st study of up suck b iom a ssstra w ga s if ica t ion stoveYAN G S h a o 2p e n g, XU E Yo n g, N IU G u a n g 2lu( S o u thw e s t U n ive rs ity o f s c ie n c e a n d Te c h e n o lo gyE d u c a t io n p r io r ity k e y la b o ra to ry o f S o lid w a s te t re a tm e n ta n d th e re s o u rc e 2r iza t io n o f p ro v in c e M in is t ry b u ild to ge th e r, M ia n ya n g 621010, C h in a )A b stra c t:D es igned one up suck b iom ass s traw gas if ica tion s tove, and ca rry ou t p y ro lys is gas if ica tion tes t. A na lys ised d iffe ren t gas if ica tion d id on im p ac t of gas if ie r tem p e ra tu re, tem p e ra tu re on im p ac t of gas com p o2 s ition, d iffe ren t s ta lks on im p ac t of gas p roduc tion. The resu lt show s tha t, d iffe ren t does of gas if ica tion and the tem p e ra tu re on g rea t im p ac t of the gas com p os ition, d iffe ren t s ta lks on g rea t im p ac t of gas ca lo rif ic va l2ue ( s traw p y ro lys is gas ca lo rif ic va lue: 4. 1 M J /m 3 ; rap e s traw p y ro lys isgas ca lo rif ic va lue: 4. 9 M J /m 3 ; co rns ta lk p y ro lys is gas ca lo rif ic va lue:5. 5 M J /m 3 ) .Key word s: up suck gas if ica tion s tove; gas if ie r tem p e ra tu re; gas com 2p os itionRe sea rch on the en ergy sa v in g inn ova t ion of com b in edcoo l in g hea t in g an d power on power p lan tL IAO A i2qu n, YAN G M o, LU M e i, e t a l.( S c h o o l o f E n e rgy a n d P ow e r E n g in e e r in g, U n ive rs ity o f S h a n gh a i fo r S c ie n c e a n d Te c h n o lo gy,S h a n gh a i 200093, C h in a )S tudy on hea t in g eff ic ien cy of a porou s an dpa ss ive so la r co llec torYAN M in, Q IU L in, R EN G e n g, e t a l.(B e ijin g U n ive rs ity O f C iv il E n g in e e r in g A n dA c h ite c tu re, B e ijin g 100044, C h in a )A b stra c t: s tud ied the rm a l p rop e rty of a p ass ive so la r co llec to r w ith p o rous and line2b roken, d iscussed the the rm a l eff ic iency fo rm u la in fo rced convec tion. In trans ition season, m easu re ou tle t tem p e ra tu re and in le t w ind ve loc ity of co llec to r, so la r irrad iance. A na lyzed and com p a red the reason of the the rm a l eff ic iency of co llec to r w ith the change in these th ree fac to rs. The exp e rim en t com es to the the rm a l eff ic iency of th is line 2typ ed so la r co llec to r reached 59. 4 % , and it rose as the inc reased ofin le t w ind ve loc ity and so la r irrad iance. The the rm a l eff ic iency of so la r co llec to r reachs the m ax im um of the day befo re the so la r irrad iance. Key word s: p ass ive so la r ene rgy; p o rous and line2b roken; the rm a l eff i2 c iencyA b stra c t:M ade a d isse rta tion on feas ib ility and ra tiona lity of deve lo2 p ing the com b ined coo ling, hea ting and p ow e r ( CCH P ) gene ra tion based on CH P of p ow e r p lan t acco rd ing to the com p a rison of ene rgy consum p 2 tion be tw een CH P and CCH P. It illus tra tes its econom y, ene rgy sav ing and env ironm en t p ro tec tion base on rea l op e ra tion da ta, p rop oses sugges2 tion fo r ene rgy sav ing of o the r hea t p lan ts.Key word s: com b ined coo ling hea ting and p ow e r; ene rgy consum p 2tion; ene rgy sav ing; econom ics; env ir