下吸式固定床气化木薯茎秆试验研究

通过气化炉内的温度测点，测得气化炉整个运行过程的温 度场分布如图４所示。
５０ ４５ ４０
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ｍ，Ｏ
空气流量柑 图３空气流量与产物组分含量关系图
Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ａｉｒ ｆｌｏｗ ａｎｄ
ｃｏｎｔｅｎｔ
ｒｌ—气化还原层与氧化层之问的温度；呲化还原层的温度；
１２
ＣＨ４＋２０２＝Ｃ０２＋２Ｈ２０＋８９２
ｉｎ ｔｈｅ ｇａｓｉｆｉｅｒ ｗａｓ
ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ
ｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅ
ｐｒｏｄｕｃｔ ｇａｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｉｒ
１０～３０ ｒｎ３／ｈ，ｔｈｅ ｇａｓｉｆｉｅｒ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ｇａｓ
ＥＬ，元素分析仪
１．２实验装置
本实验采用的气化系统装置如图１所示，该系统主要包括 空气压缩机、固定床下吸式气化器、喷淋净化器和气水分离器 四部分。气化器总高１５００ ｌＴｌｌｎ，上部内径为４００ ｒａｍ，下部隔 热套内径为５００ ｎｌｌｎ。反应原料由顶部的进料口投入，在反应
器内部的不同部位以及反应器出口安装的热电偶，用以测定不 同气化反应层和出口气体的温度。喷淋净化器中气体与水逆向 流动，以脱除气体中的焦油、灰分等杂质。气水分离器中放置 团状金属丝，用以脱除产品气体中的水分。
伸化热解层的温度
ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔ Ｆｉｇ．４
图４气化炉温度场变化
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｅａ ｏｆ ｇａｓｉｆｉｅｒ
从图３可以看出，各组分的含量和热值均不随空气流量 的变化而有规律的变化，而只是在一小范围内波动。这是由于 生物质气化是一系列复杂的反应：
Ｃ＋０２＝Ｃ０２＋４０８ ｋＪ ２Ｈ２＋０２＝２Ｈ２０＋４８４ ｋＪ
此，本试验采用下吸式固定气化器对木薯茎秆进行气化研究， 为木薯茎秆的高效利用提供实验依据。
后为短圆柱状或块片状，长度为３０～４０ ｍｒｎ，含水量在１０％～ ２０％之间。其工业分析和元素分析如表ｌ和表２所示。实验 原料的堆积密度在９０～１３０ ｋｇ／ｍ３之问，这较麦秸、稻秆等原
１实验部分
１．１实验原料
ｃａｓｓａｖａ
Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ
ｓｔａｌｋ
注：测试仪器：ＷＧＲ—ｌ（氧弹）微电脑热量计等
表２木薯茎秆的元素分析结果
Ｔａｂ．２ Ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｃａｓｓａｖａ ｓｔａｌｋ
％
注：测试仪器：德国Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ
ｖａｒｉｏ
由图４可以看出，在恒定的空气流量下（１５ ｍ３／ｈ），冷启动 时整个炉内温度场的初始温度水平较低，点火之前只有２５℃
（１） （２）
ｋＪ
左右，但点火之后温度上升迅速，在短时间内（５ ｍｉｎ左右）气 化区中部（还原层和氧化层的交界处）的温度ｔ１从２５℃上升到 １０００℃左右，而还原层中部的温度ｔ２也上升到９００℃左右， 在Ａ点开始产生可燃气体，气化炉进入正常运行阶段。到Ｂ 点，由于不再向炉内加料，料层逐渐降低，此时气化炉不再产 生燃气。而热解区温度ｆ３上升至平稳状态则相对缓慢，到
ＬＨＶ ｏｆｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｇａｓ ｗａｓ ３６９５～３９７４
ｍ３／ｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ
ｗａｓ ２．０４～３．３２ ｍ３／ｋｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍａｓｓ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｄｏｗｎｄｒａｆｔ；ｃａｓｓａｖａ ｓｔａｌｋ
木薯（ｃａｓｓａｖａ），是热带和亚热带多年生、温带一年生薯属 灌木。木薯是全球产量过亿ｔ的七大农作物之一【ｌ Ｊ。全世界共 有９０多个国家栽培木薯，种植面积逾２．１亿亩，２００１年全球 产量共１７７８７万ｔ【２Ｊ。２００１年，我国木薯种植面积４３．７万公顷， 鲜木薯产量５９１万ｔ，其中广西种植面积达２７万公顷，产量达 ３８４万ｔ【ｊＪ，广东种植面积达１１．６３万公顷，产量达１９６万ｔ。 木薯是重要的能源作物，其块根淀粉含量高，一般可达到 １０％～３０％【４】，是生产燃料乙醇的理想原料。木薯地面上的茎 秆和地下块根产量基本持平，但是木薯茎秆利用率很低，基本 上是作为低热值的燃料加以利用，或者直接在田间焚烧，这样 就导致了资源浪费和环境污染。生物质气化技术作为处理农业
料高，并且在原料流动性方面，圆块状的物料要远优于长条丝 状的物料。从以上几方面来说，木薯茎秆原料是固定床气化的 良好原料，有利于保持气化过程的连续性和稳定产气。
新鲜木薯茎秆直径约为２０～３０嗍，含水量约为６０％～
７０％。实验所用的原料为经自然风干的木薯茎秆，经过破碎 表１
Ｔａｂ．１
木薯茎秆的工业分析结果
（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ
Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｆｏｒ Ｇｒｅｅｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ＆Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０６４０，Ｃｈｉｎａ）
ｌ—物料捣杆及手柄；２一投料Ｅｌ盖；３一传感器套管； ４—炉盖；５—进风ＩＺｌ；６一压盖；７一安全阀；８一出气口；
ＣＯ，ＣＨ４，Ｃ０２组成。
卜喷嘴；１０—炉篦；１１－－清灰炉门
图２下吸式固定床气化器
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｄｏｗｎｄｒａｆｔ ｇａｓｉｆｉｅｒ
２结果与讨论
本实验采用空气作为气化剂。空气流量对气化炉的稳定运 行有重要的影响，空气流量过小，会造成原料的过度缺氧燃烧， 反应温度低，氧化反应和还原反应均不充分，使气化气中的可 燃成分含量下降；而且反应温度低会造成气化气中的焦油含量 高，容易堵塞后续管道。空气流量过大，则反应速率快，产气 量高，但易造成过氧燃烧，使气化气中可燃成分含量减少，空 气流量过大还会导致气体流动速度快，将大量未经反应的炭粉 颗粒和炉灰带到后续设备中，不仅造成能源浪费，也使后续处 理设备负担增加，影响处理效果。初步实验表明，空气流量在
１０～３０ ｍ３／ｈ时，气化炉能比较稳定地产气，本实验主要研究
气化器由上部的装料炉膛和下部的喉口部分及外围隔热 层构成，设计尺寸包括炉膛的直径以及高度，喉口段的直径以 及深度，气化剂喷嘴尺寸等。 炉膛的尺寸作为装填容积对反应影响不大，而喉口部分是 发生氧化反应的中心，其尺寸直接决定了气化器的产气能力。 实验所用的木薯茎秆的堆积密度适中，处于秸秆类原料与木质 原料之间，而可流动性要优于片状或条丝状原料。从初步小型 化实验的角度来看，选择的反应器既应适合于小型实验的需 要，也要为进一步放大提供基础。因此，喉口尺寸采用口
气化剂喷嘴与喉口成一定角度倾斜，使空气进入喉口后形 成旋风式动力场，保证空气与物料的良好混合，使氧化反应充 分。这样的送风方式可以减少气化器预热升温的产气准备时 间，同时也对气化原料具有良好的适应性。 在喉Ｅｌ以下，炉膛截面突然扩大，有利于降低气速以延长 停留时间，既可使还原反应更充分，从而增加可燃气体的含量，
热电偶
空气
安全魈
溉≥
排污
进
口
一水
流
生物质燃气
ｌ一空气压缩机；２一固定床下吸式气化器；３一喷淋净化器；４—气水分离器
图１气化系统装置
Ｆｉｇ．１ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｂｉｏｍａｓｓ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ
１．３气化器设计
生物质气化过程是一个复杂的热化学反应过程，气化器各 部分的结构尺寸对热效率、产气组分和产气品质有显著的影
废弃物的一种手段在我国北方推广较多，处理的原料包括玉米 芯、玉米秸秆、小麦秸秆等，而处理南方的木薯茎秆则未见有 报道。基于此，笔者考虑先将木薯茎秆气化制成可燃气，然后 再加以利用，可成为木薯茎秆资源利用提供一个较佳途径。木 薯茎秆原料多来自于南方农村，原料的供应具有间歇性的特 点，而且原料为长条状，需要经过初步的破碎处理。从服务农 村的角度来看，采用固定床气化器是一个理想的选择，其设备 简单，投资少，适合小型化的阶段性生产，而且对原料粒度的 要求较低，一般在２０～１００ ｍｍ之间【５】。有利于减少原料预处 理能耗。在生物质固定床气化器中，下吸式气化器以其结构简 单、工作稳定性好、产气含焦油少等优点而得到重点推广。因
【收稿日期】２００８—０４．１７ 【基金项目】广东省科技攻关项目（２００２ｃ２０８０９）（２００４８５０１０１００１） 【作者简介】骆伟蜂（１９７７．），男，广东人，硕士研究生，主要研究方向为可再生资源理论与技术。
万方数据
广东化工
・１４・
Ｗ＇ＷＷ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ
２００８年第６期 第３５卷总第１８２期
２００ｘ２００ ｍｌｎ，而装料炉膛尺寸为＇；甜ＯＯｘ８００
了空气流量在１０、１５、２０、２５、３０ ｍ３／ｈ下的产气特性。
ｍｍ。
２．１实验结果
在五个不同空气流量下分别对木薯茎秆进行气化实验，实 验结果见表３。从表３可以看出，气化气中，Ｈ２的含量在１２％～ １４％之间，ＣＯ的含量在１４％～１６％之问，ｃＨ４的含量在 １．２％～１．６％之间，可燃成分占总体积的３０％，低位热值的计 算值在３６９５～３９７４ ｋＪ／ｍ３之间，而气体中实际上还含有二碳等 多碳烃类，因此实际值要比该计算值要高。
响。根据木薯茎秆的特性，实验组自行设计了适合木薯茎秆气 化的下吸式固定床气化器，如图２所示。
万方数据
２００８年第６期 第３５卷总第１８２期
广东化工
ＷＷＷ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ
・１５・
又可使焦油进一步裂解成可燃气体，提高气体的品质扣Ｊ。
１．４实验方法与分析
实验时，首先在气化器底部加入适量的木炭，然后在加料 口投入少量已点燃的木薯茎秆预热气化器，最后加入经过破碎 的木薯茎秆，关紧投料口盖和清灰炉门，启动空气压缩机，控 制空气流量，进行气化实验。实验过程中，物料在气化器的喉 口处与空气发生剧烈氧化反应，反应所放出的热量提供给其上 部的热解层和干燥层，以及其下部的还原层。气化生成气从底部 出来，经喷淋净化器和气水分离器冷却净化，用气体取样袋收集， 其余部分直接燃烧掉。一般实验开始３～５ ｍｉｎ后，气化反应达 到稳定状态，此时每隔４～５ ｍｉｎ取一次样，一直到反应结束。 采用ＧＣ９５０气相色谱仪（上海海欣色谱仪器有限公司），氩 气作载气，ＴＤＸ一０１色谱柱，ＴＣＤ检测器分析气体由Ｈ２，Ｎ２，