生物质鼓泡流化床气化特性的空气当量比影响分析

Effects of the Equivalence Ratio on Sa wdust Gasification Characteristics in Bubbling Fluidized Bed Gasifier
YANGJian - meng , SUN Xue - feng ( School of Energy and Power Engineering , North China Electric Power
质气化产气中各种可燃气体组分体积百分含量随
着 ER 的变化遵循共同的规律 : H2 、CH4 、CO 气体 含量随着空气当量比 ER 的增加而减小 ,CO2 气体 含量着空气当量比 ER 的增加而增加 。这是由于
随着 ER 的增加 ,在气化过程中消耗的氧量增多 , 虽然有利于气化反应的进行 ,但燃烧的生物质份
反应器部分由耐高温不锈钢材料加工而成 , 内 径 为 Φ80mm , 从 布 风 装 置 到 顶 部 长 度 为 1400mm ,底部到布风装置为 25mm ,作用是对气化
介质进行预热 。在鼓泡流化床外侧均装有电加热 元件并有良好的保温 ,沿床高布置有 4 个 K 型热 电偶 ,以监测和控制反应器内的温度 。在布风装 置进口和鼓泡流化床出口各设一个压力测量装 置 ,可以根据压力变化判断气化器内的流化状态 及反应工况 。
生物质气化技术作为一种先进的生物质热化 学转化技术 ,是生物质利用过程中热效率较高的 过程 ,可以将低品位的固态生物质转化为高品位
收稿日期 : 2009 - 06 - 10 修订稿日期 : 2009 - 06 - 19 作者简介 : 杨建蒙 (1964～) 男 ,副教授 ,研究方向为电厂热
力设备系统的自动化技术 。
0 前言
随着能源消耗的迅速增长 ,矿物燃料资源储 量的有限性 、不可再生性 ,特别是矿物能源利用所 带来的严重的环境污染 ,使得世界各国纷纷开始 致力于新能源和可再生能源的开发研究 。生物质 含硫和含氮量均较低 ,灰分份额也很小 ,燃烧后 SO2 、NOx 和灰尘排放量比化石燃料要小得多[1] 。 同时生物质在利用过程中 ,对大气环境的 CO2 净 排放量为零 ,所以生物质能已经成为世界大多数 国家研究利用的焦点 。
Hale Waihona Puke 刻对气化气进行定时采样 ,并对气体进行分析 。
实验在鼓泡流化床气化试验平台上 ,以空气
为气化剂 ,在常压下着重研究气化温度和空气当
量比两个影响因素对气化气组分 、产气率 、气化效
率和碳转换率等的影响分析 ,并得出相应的试验
曲线 ,试验工况如表 3 所示 。
表 3
固定进料量为 4kgΠh 时的反应条件
试验所需空气由空气压缩机提供 ,为了保证 空气气流的稳定性 ,压缩空气在进入气化器之前 先经储气罐稳压 。进料装置采用螺旋进料器 ,它 由料仓 、螺旋轴和可调速电机等组成 。进料螺旋 轴用减速电机配合变频器驱动 ,从而控制进料速 率 。气化器出口安装取样系统 ,配有高温纤维过 滤器 、冷凝器 、多级丙酮洗气瓶和真空泵 ,最后取 样气体送入煤气分析仪进行分析 。
试验使用 Gas board - 3100 系列的在线红外 煤气分析仪 ,该分析仪采用 NDIR 非分光红外和 TCD 热导气体传感原理测量 CO 、CO2 、CH4 、H2 、O2 五种气体组分的浓度 ,气样分析流量为 1. 5LΠmin , 采样时间为 1 秒 。
图 1 鼓泡流化床气化系统示意图
η c
=
12 (CO2 + CO + CH4 + 2. 5Cn Hm) 22. 4 ×(198Π273) ×C
Gv
式中 :
C —生物质原料中碳的含量 。
2 试验结果分析与讨论
2. 1 空气当量比(ER) 对气化产气组分浓度的影响
生物质空气气化产生燃气中的成分包括 CO 、
CO2 、H2 、CH4 、N2 、O2 、C2 H4 、C2 H6 和 C3 H6 等气体 。 在本实验过程中 ,主要针对 CO 、CO2 、H2 和 CH4
额增加 ,CO 与 O2 反应生成 CO2 ,使 CO 体积分数 减小 ; H2 、CH4 的体积分数虽略有降低 ,但变化趋 势并不明显 。
图 2 760 ℃时 ER 与各种气化产气组分浓度的曲线关系
2. 2 空气当量比 ( ER) 对产气热值的影响 在三个气化反应温度下 ,松木屑气化气热值
随空气当量比的变化曲线如图 4 所示 。由该图可 见松木屑气化所得气化气的热值 LHV 随着温度
式中 :
Qv ,gas —气体低位热值 ,kJΠNm3 ; Gv —冷气体产率 ,Nm3Πkg ; Qv ,biomass —原料低位热值 ,kJΠkg 。 (4) 碳转换率 ( %) :是指生物质燃料中的碳转
换为气体燃料中的碳的份额 ,即气体中含碳量与
原料中含碳量之比 ,是衡量气化效果的主要指标 。
的能量密度高且具有商业价值的气体燃料[2] 。许 多研究人员在该领域进行了不同气化技术的研 究 ,目的是尽可能提高气化产气率及气化气热值 , 及降低气化气中的焦油含量 ,其中流化床生物质 气化技术的研究较为引人瞩目[3 - 4] 。试验基于自 行设计的小型鼓泡流化床 ,对生物质进行了常压 空气气化试验研究 ,旨在探讨流化床生物质空气 气化过程中空气当量比对气化产气质量 、产气热 值 、产气率 、气化效率和碳转换率的影响 ,从而得 到规律性的数据和结论 ,供实际工程应用参考 。
6. 11 74. 6 4. 47 16 45. 8 6. 7 47. 4 0. 07 0
LHVΠ MJΠkg 15. 28
1. 2 试验系统 生物质气化反应器为实验室规模的常压鼓泡
流化床 ,试验系统主要由给料系统 、气体输送系 统 、气化反应系统 、预热及温控系统 、采样气体预
处理及分析系统组成 (如图 1 所示) ,其处理生物 质物料的设计能力为 4kgΠh 。
的含量进行分析 ,以寻找这些气体成分随空气当
量比的变化规律 。具体试验过程为通过温控仪加
热控制气化反应温度 , 通过固 定 进 料 螺 旋 转 速 以 固 定 生 物 质 进 料
量 ,改变气化所进空气量来调整空气当量比 。从 而分别在不同温度下试验得到各种气体体积百分
比与 ER 的关系曲线 ,试验结果如图 1 、2 、3 所示 。 由图 1 、2 、3 可以看出在不同的温度下 ,生物
(3) 气化效率 ( %) :又称冷气体热效率 ,指生 物质气化后生成的气体燃料的总热量与气化原料 的总热量之比 ,是衡量气化过程的主要指标 。
2009 年第 7 期 (总第 139 期) 应用能源技术 3
η × = Qv ,gas Gv
Qv ,biomass
2009 年第 7 期 (总第 139 期) 应用能源技术 1
生物质鼓泡流化床气化特性的空气当量比影响分析
杨建蒙 ,孙学峰 (华北电力大学能源与动力工程学院 ,河北 保定 071003)
摘 要 :在鼓泡流化床生物质气化器内 ,以空气为气化介质 ,对木屑进行了常压气化试验研 究 。选择空气当量比 ER 为 0. 13～0. 33 进行试验 ,研究了在气化温度为 760 ℃、810 ℃和 860 ℃条 件下对气化结果的影响 。试验结果表明 : 主要燃气成分含量 H2 :6. 2 %～14. 1 % ,CO :9. 9 %～
LHVg = 126. 36CO + 107. 98H2 + 358. 18CH4 +
629. 09Cn Hm (这里 CO 、H2 、CH4 、Cn Hm 代表各气体
温度Π℃
空气当量比 ER
组分的体积百分比)
760 0. 13 0. 17 0. 21 0. 25 0. 29 0. 33 810 0. 13 0. 17 0. 21 0. 25 0. 29 0. 33 860 0. 13 0. 17 0. 21 0. 25 0. 29 0. 33
30. 2 % ,CH4 :1. 6 %～11. 2 % ,产气率 :1. 0m3Πkg～1. 74m3Πkg ,产气低位热值 :3526kJΠm3 ～9184kJΠm3 ,碳转 换率 :52. 3 %～82. 3 % ,气化效率 38 %～69. 1 %。
关键词 :生物质 ;空气当量比 ;鼓泡流化床 ;气化特性 中图分类号 :S216 文献标识码 :A 文章编号 :1009 - 3230 (2009) 07 - 0001 - 04
表 1
物料物性参数
物料
平均粒径 颗粒密度 堆积密度 最小流化速度 携带速度
(mm) (kgΠm3) (kgΠm3)
(mΠs)
(mΠs)
石英砂 0. 24
2650
1450
0. 067
2. 25
木屑 0. 32
440
181
0. 23
1. 85
表 2
木屑的工业分析和元素分析
工业分析 %
元素分析 %
Mad Vad Aad FCad Cdaf Hdaf Odaf Ndaf Sdaf
University , Baoding 071003 , China)
Abstract : Biomass ( sawdust) gasification with air of the atmospheric pressure in the bubbling fluidized bed biomass gasifier was studied. Parameters were analyzed included equivalence ratio 0. 13～0. 33 , tem2 perature of the gasifier bed 760～860 ℃. The results showed that : The main ingredients of gases were H2 : 6. 2 %～14. 1 % ,CO :9. 9 %～30. 2 % , CH4 : 1. 6 %～11. 2 % , gas yield was1. 0m3Πkg～1. 74m3Πkg , low gas heat value was 3526kJΠm3 ～9184kJΠm3 , carbon conversion rate was 52. 3 %～82. 3 % , the gasifi2 cation efficiency was 38 %～69. 1 %. Key words : Biomass ; Equivalence ratio ; Bubbling fluidized bed ; Gasification characteristics
1 试验部分
1. 1 气化原料和床料 试验中所采用的原料为保定地区某木材加工
厂的木屑 ,鼓泡流化床中加入 20 - 40 目的石英砂 4kg 作为床料 ,静床高为 0. 55m。表 1 给出床料和 原料的物性参数 ,表 2 则给出松木屑的工业分析 和元素分析数据 。
2 应用能源技术 2009 年第 7 期 (总第 139 期)
图 3 810 ℃时 ER 与各种气化产气组分浓度的曲线关系
图 4 860 ℃时 ER 与各种气化产气组分浓度的曲线关系
的 升 高 而 下 降 , LHV760 ℃ > LHV810 ℃ > LHV860 ℃,最高可以达到 9184kJΠNm3 , 完全可以 满足民用煤气和气化发电煤气的热值要求 。气化 气热值随着空气当量比的增加而降低 ,是因为气 化气的热值主要源于 CO 、CH4 、H2 ,当空气当量比 增大时 ,产气中可燃气体积分数下降 ,因此热值呈 降低趋势 。
1. 3 试验方法与研究目的
1. 4 气化指标
将筛分后的石英砂放入反应器内 ,启动空压
(1) 空气当量比 ER :是指在自供热气化系统
机向反应器送入空气 ,并将空气预热器和反应器
加热器的温度设定到反应温度 ,使空气在鼓泡流
化床底部预热到 700 ℃,等到反应器温度达到设
定温度后 ,启动螺旋进料机开始进料 。在不同时
中 ,单位质量生物质在气化过程中所消耗的空气 量 (氧气) 量与生物质完全燃烧所需要的理论空气 (氧气) 量之比 ,是气化过程的重要控制参数 。理 论最佳空气当量比为 0. 28 ,由于原料与气化方式 的不同 ,实际运行中 ,控制的最佳空气当量比在 0. 2～0. 28 之间 。
(2) 气体热值 ( kJΠm3 ) : 指单位体积燃气所包 含的化学能 。燃气低位热值简化计算公式为 :