PDF《基于焦油炉内裂解的生物质气化特性试验》

第28 卷第15 期农业工程学报Vol.

28 No.15

168 2012 年8月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug.

2012 基于焦油炉内裂解的生物质气化特性试验 刘鑫,胡献国,唐志国 ,马培勇 (合肥工业大学 机械与汽车工程学院,合肥 230009) 摘要:目前生物质气化炉推广应用过程中最主要技术问题是气化炉的原料适应性差、气化气中焦油含量高、产气热值 低等.该文提出一种新型的焦油炉内裂解生物质气化炉,通过内置的 U 型管导气结构及其中填充多孔陶瓷蓄热材料以期 促进气化气中携带焦油的裂解. 试验研究表明, 使用含水率 12.3%的麦秸压块原料, 其气化气中焦油含量显著降低至 0.02~ 0.06 g/m3 ,平均气化效率可达到 61.9%,气化气平均低位热值达到 5.0 MJ/m3 ,即,该气化炉的新型结构能够显著降低气 化气中的焦油含量,提高气化气热值,提升气化炉的产气品质. 关键词:生物质,气体燃料,试验,气化炉,焦油裂解,多孔陶瓷蓄热材料 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.15.027 中图分类号:TK16 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2012)-15-0168-05 刘鑫,胡献国,唐志国,等. 基于焦油炉内裂解的生物质气化特性试验[J]. 农业工程学报,2012,28(15):168-172. Liu Xin, Hu Xianguo, Tang Zhiguo, et al. Experiment on biomass gasification characteristics with tar cracking in gasifier[J]. Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(15): 168-172. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 目前,大规模开发应用的生物质气化方法和装置主 要有上吸式固定床[1-4] 、下吸式固定床[5] 、流化床[6-8] 等. 其中,固定床气化炉因其具有结构简单、制造简便、造 价低廉、操作容易、适用于块状及大颗粒原料等优点, 应用范围较为广泛.但是,由于目前固定床气化炉的技 术水平有限,在实际应用过程中大都存在燃气焦油含量 大、 焦油处理产生二次污染、 燃气热值低等问题缺陷[9-11] . 焦油的存在对气化有多方面的不利影响,首先它降 低了气化效率,气化中焦油产物的能量一般占总能量的 5%~15%[12] ,这部分能量是在低温时难以与可燃气体一 道被利用,大部分被浪费,其次焦油在低温时凝结为液 态,容易和水、焦炭等结合在一起,堵塞气管道,使气 化设备运行发生困难;

另外,凝结为细小液滴的焦油比 气体难以燃尽,在燃烧时容易产生炭黑等颗粒,对燃气 利用设备损害相当严重[13-14] .国内外研究人员对气化过 程产生的焦油进行了多方面的探索,普遍认为热裂解和 催化裂解都可使气化气中的焦油发生裂解反应,使其转 化为小分子气态产物或其他可凝焦油组分,以减小气化 气中焦油携带量,并增加可燃气体的产量,是2种基本 的有效方式[13-16] .但目前大都停留在实验阶段,热裂解 收稿日期:2012-02-01 修订日期:2012-06-30 基金项目:国家自然科学基金项目(51006031) ;

安徽省自然科学基金项目 (11040606Q40) ;

中央高校基本科研业务费专项资金资助 (2010HGBZ0286, 2010HGBZ0600) 作者简介:刘鑫(1987- ) ,男,安徽安庆人,主要从事生物质气化技术 研究.合肥 合肥工业大学机械与汽车工程学院,230009. E-mail: liuxin2174897@163.com 通讯作者:唐志国(1978-) ,男,安徽桐城人,副教授,主要从事先进 燃烧与气化技术研究.合肥 合肥工业大学机械与汽车工程学院,230009. Email:tzhiguo@mail.ustc.edu.cn 和催化裂解也是分开进行的,且其裂解过程的热量补偿 大都来源于外在热源,造成了能量的多重消耗.本文提 出一种基于焦油炉内裂解的新型一体化生物质气化炉, 目的在于克服现有固定床气化炉及焦油净化存在的问 题,为生物质气化提供一种新型焦油处理方式,并对该 炉型进行相关试验研究.

1 新型气化炉的结构原理 由于多孔陶瓷蓄热材料具有均匀分布的微孔或孔 洞,体积密度小,比表面积大,对通过的气体或液体介 质具有能量吸收特性,加之陶瓷材料所特有的耐高温、 耐腐蚀、高的尺寸稳定性和化学稳定性,使多孔陶瓷蓄 热材料在蓄热燃烧、流体过滤、催化载体、净化分离等 多方面得到广泛的应用[17-18] .本一体式新型气化炉的关 键特点也就在于使用多孔陶瓷蓄热材料,一方面,多孔 陶瓷蓄热材料能够吸收从其中流出的高温气化气热能, 同时由于该 U 型管的底部管道整好处于上吸式气化炉的 中下部,该位置属于炉内的高温区,这使得多孔陶瓷蓄 热材料的温度维持在较高水平,促使气化气中携带的焦 1.落灰格栅 2.进风口 3.多孔陶瓷 4.U 型管 5.集气头 6.进料口 7.出 气口 8.倒锥形料斗 9.点火孔 10.锥形灰斗 11.出灰口 图1新型生物质气化炉结构示意图 Fig.1 Structural diagram of new biomass gasifier 第15 期刘鑫等:基于焦油炉内裂解的生物质气化特性试验

169 油发生热裂解反应;

另一方面,多孔陶瓷蓄热材料的化 学组成 SiO

2、Al2O

3、MgO、Fe2O

3、Na2O、K2O、CaO、 TiO2 和BaO 等对焦油有催化裂解作用[19-24] .二者协同作 用使得焦油发生充分裂解反应,从而转化为可燃气体, 以期使得气化气中的焦油含量降低,同时气化气热值得 以提高.

2 试验方法与试验过程 2.1 试验材料 试验气化炉内部反应室尺寸为 Φ450 mm*

700 mm;

加料处采用耐高温橡胶密封,炉壁内涂覆一层耐火材料. 气化试验用原料有稻壳和秸秆压块(以下

图表中简 称秸块)2 种形态,其工业成分分析如表

1 所示.为了便 于比较气化速率,每次加料量均为 3.8 kg.风机使用交直 两用 0~40 W 可调速风机,气化送风量由玻璃转子流量 计LZB-10 测量,并由风速计测量风管流速计算验证. 表1生物质原料特性 Table

1 Characteristics of different biomass 原料 种类 堆积密度/ (kg・ m-3 ) 固定碳/% 挥发分/% 灰分/% 含水率/% 低位热值/ (MJ・ kg-1 ) 稻壳

87 16.16 64.37 9.87 9.6 15.807 秸块

292 12.06 66.71 8.93 12.3 16.264 多孔陶瓷蓄热材料采用的是圆饼形直孔蜂窝陶瓷, 以三氧化二铝、堇青石、二氧化硅等为主要原料,其典 型特性如表

2 所示.一般利用复合粘结剂,采取挤塑成 型以及陶瓷烧结等工艺制备而成,形状呈现白色多孔状, 单片尺寸规格 Φ30 mm*

10 mm.在U型管底部内管中填 充20 片,即填充长度

200 mm. 表2多孔陶瓷蓄热材料的典型特性 Table

2 Typical characteristics of porous ceramics material 化学成分组成/% SiO2 Al2O3 MgO Fe2O3 Na2O+K2O+ CaO TiO2+ BaO Loss 比热容/ (J・ g-1 ・ k-1 ) 比表 面积/ (m2 ・ m-3 ) 47.8 35.1 6.7 0.78 2.8 0.39 6.43 ≥0.8

875 2.2 试验过程 连接好管道、阀门、风机、燃烧器,准备温度数据 采集显示仪、气化气在线分析仪;

投入气化原料,封盖, 点火;

然后由点火孔插入热电偶测量炉内温度;

待气化 炉内反应稳定,即气化气燃烧稳定呈蓝色火焰时,调节 风机转速改变送........