PDF《稻壳与木屑气化制取富氢燃气的试验研究》

第28卷第2期2010年4月 可再生能源 Renewable Energy Resources V01.

28 No.2 Apr.2010 稻壳与木屑气化制取富氢燃气的试验研究 向夏楠,顿玉环,李伟振,郭凯,王立群 (江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013) 摘要:采用单一流化床二步气化方法,以纯水蒸气为气化剂,在流化床中进行制取氢气的工艺试验.在对试 验数据进行分析的基础上,探讨了一些主要参数【如反应器温度、水蒸气/生物质(S/B)、生物质化学成分】对氢产 率的影响.分析结果表明:较高的反应温度、S,B以及纤维素和半纤维素含量比较有利于氢的产出.验证试验表 明:在反应温度为l 000~l 050℃,S/B为2.0的条件下,纤维素和半纤维素含量为74.1%的木屑(f基)的氢产率 最高,为61.67 eCkg. 关键词:稻壳;

木屑;

可再生能源;

生物质;

制氧;

气化 中圈分类号:TK6;

TK91 文献标志码:A 文章编号:1671―5292(2010)02―0026―04 Experimental research rice hull and saw dust g a s i f i c a t i o n e r l m e n t a l research On r l臣asil-ication SaW ^ _ I '

'

tor hydrogen rich gas production XIANG Xia-nan,DUN Yu-huan,LI Wei-zhen,GUO Kai,WANG Li-qun (School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China) Abstract:A process experiment for hydrogen production wa$conducted in a fluidized bed with pure steam as gasification agent,using two-step gasification process in one fluidized bed method. The main parameters,including reactor temperature,ratio of steam and biomass(S/B)and influ- ence of chemical composing component of biomass(cellulose,hemicellulose and lignin)on its hy- drogen yield,have been discussed based on the analysis of experimental data.The results indicated that,high temperature of reactor and hi【gh ratio of steam and biomass as well as high cellulose con- tent of chemical composing component of biomass will benefit to hydrogen yield.The maximum hy― drogen yield is produced from tree sawdust in which the cellulose and hemicellulose content reach 74.1%.and is obtained under the conditions of

1 000~1 050℃as reactor temperature and 2.0 as S/B ratio,the maximum hydrogen production rate is 61.67 g,kg. Key words:clean energy;

renewable energy;

hydrogen production;

gasification O引言 生物质能是一种理想的可再生能源11I.生物 质气化是生物质资源化利用的重要途径,通过不 同的气化方法,可以将生物质转化成清洁的富氢 燃气.生物质转化制氢方法主要有两种:一种是生 物转化法,另一种是热化学转化法【2卜[匐.其中生物 转化法制氢受多种因素的影响.目前还只限于实 验室研究.生物质热化学转化制氢是在一定的热 力学条件下,将生物质内的碳氢化合物转化成为 含特定比例的CO和H:等可燃气体,并且将伴生 的焦油催化裂解为小分子气体,同时通过变换反 应将CO和水蒸气转换为氢气等的过程.生物质 由纤维素、半纤维素、木质素、惰性灰和一些萃取 物组成,具有独特的晶格结构和组织,含氧量高, 收稿日期:2009一lo-13. 基金项目:科技部农业成果转化资金项目(2008GB2C100099);

江苏省科技支撑项目(BE2008051);

江苏省动力机械清洁能源与应用重 点实验室项目(QK09005);

苏州市科技发展计划项目(ZG0804). 作者简介:向夏楠(1984-),男,湖南益阳人,硕十研究生.主要从事热能I:程的研究.E―mail:nannanml23@126.com 通讯作者:王立群(1964-),男,江苏镇江人,副研究员,主要从事热能工程的研究. ・26・ 万方数据 向夏捕,等稻壳与*-4气化制取富氢燃气的试验研究 挥发分含量高,其焦炭的活化性强.与煤相比,生 物质具有更高的活性,更适合热化学转化制氢.但 生物质的能量密度低,气化温度较低,气化时焦油 产量大,不仅降低了生物质的利用效率,而且会造 成二次污染. l试验内容 1.1试验原料 本试验以稻壳、木屑为气化原料,稻壳、木屑 粒度为0~6 nlm.稻壳、木屑的成分分析见表1,稻壳、木屑的工业分析和元素分析见表2.3. 表1稻壳、木屑的成分分析f干基) Table

1 Composition analysis of rice husk and saw dust (dried basis) % 表2稻壳、木屑的工业分析(空气干燥基) Table

2 Proximate analysis of rice husk,saw dust (air dried basis) % 表3稻壳、木屑的元素分析{空气千燥基) Table

3 Ultimate analysis of rice husk,saw dust (air dried basis) % 1.2试验装置 试验采用的气化系统为生物质流化床气化炉 (图1)旧,气化炉的底部内径为300 lllm.气化所用 蒸汽由系统内的余热锅炉供给.通过气化炉进气 图l生物质流化床水煤气炉工艺流程 Fig.1 Process of biomass fluidized bed water gas gasifier l一生物质流化床气化炉;

2一高温旋风分离器;

3-汽包;

4一余 热锅炉;

5一洗涤塔;

6一烟囱;

7一储气柜;

8一罗茨风机;

9一生物质螺 旋加料机;

10一煤螺旋加料机;

l―l一空气控制周:1―2一烟气控制 阀;

2一l一蒸汽控制阀;

2―2一燃气控制阀 管中的空气控制阀、水蒸气控制阀、燃气控制阀的 自动控制,在气化炉内形成吹风燃烧过程通道和 蒸汽气化过程通道,从而形成一个完整的循环制 气过程. 】.3试验方法 所产富氢燃气进入气柜后.使用取样球采集 气体样品,用岛津GC2010气相色谱分析仪和奥 式气体分析仪对气样中的CO:,CO,H2,CH4进 行分析. 2试验结果与讨论 影响生物质气化效果的因素包括原料成分、 反应温度、水蒸气与生物质的质星比等.单一生物 质的热解或燃烧行为可以认为是其主要组成成分 纤维素、半纤维素、木质素的综合表现.以稻壳为 例,按照元素组成,它的分子式可以表示为 CH.JOn6,其热解反应方程式为 CHl.700.6---0.64C+0.68H2+0.1 7H20+0.1 7CO+ 0.1 3C024-0.06CH4 稻壳的热解产物主要是碳、氢气、水蒸气、一 氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油以及一些烃类物 质.一般而言,纤维素热解时挥发分析出较快,分 解温度范围较窄:木质素热解失重的速率则相对 较慢1131,因此生物质中的不同成分对其气化特性 有很大影响. 生物质气化过程中主要的化学反应包括 C+H2m专CO+H2-131.72圳/l【mol (1) CO+H20-->

C02+H2+41.13 MJ/kmol (2) C+C02专2C0―172.43 MJ/kmol (3) C+2H2专CI-L,+74.9 MJ/kmol (4) 2CO+2H2―≥CH4+C02+246.4 MJ&

mol (5) C+2H20-->

C02+2H2-90.17 MJ瓜mol (6) CH4+H20―>

CO+3H2_250.16 MJ/kmol (7) 2.1反应温度的影响 反应(3)是生物质气化过程中最重要的反应 之一,当反应温度小于850 oC时,逆反应的速度很 快,当反应温度高于850℃时,正反应速度加快. 所以提高反应温度有利于一氧化碳的生成.反应 (2)是制取富氢燃气的重要反应,当反应温度高于 850℃时,此反应的正反应速度高于逆反应速度, 故有利于氢气的生成,所以通常要求反应器内的 ・27・ 万方数据 可再生能源 2010,28(2) 温度高于900 oC.反应(4)是制取高热值燃气的重 要反应.随着反应温度的升高,逆反应的速度加 快.不利于甲烷的生成.反应(5)也是气化过程中 产生甲烷的重要反应,但与反应(4)不同的是,反应(5)属于均相反应,当反应温度升高,同样不利 于甲烷的生成.但是其正反应速度比反应(4)下降 得缓慢.根据反应温度对气化过程中各个重要反 应平衡的影响分析.在不考虑装置在高温下产生 结渣现象的情况下,选取反应温度为850-900℃, 900~950℃,950~l 000℃3种情况进行试验,试 验结果见表4.对试验数据进行分析.可知随着反 应温度的升高,氢气和一氧化碳的含量增加,甲烷 和二氧化碳的含量下降.这与理论分析的结果相 一致,证明提高反应温度有利于制取富氢燃气. 表4不同反应温度下的试验结果 Table

4 Experimental results of gasifier at different reaction temperature 2.2 S/B的影响 二氧化碳、水蒸气与碳在高温条件下发生 还原反应,生成一氧化碳和氢气等,反应(1), (2),(6),(7)中都有水蒸气........