PDF《生物质燃气焦油产率及其净化》

第26 卷 增刊

2 农业工程学报Vol.

26 Supp.2

2010 年12 月Transactions of the CSAE Dec.

2010 259 生物质燃气焦油产率及其净化 金亮1,童瑞明

2 ,周劲松

1 ,吴远谋

1 ,骆仲泱

1 (1. 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州 310027;

2. 浙江省电力公司,杭州 310002) 摘要:生物质气化技术是目前农村清洁用能的新型技术,但在应用中存在着燃气焦油灰分含量高,焦油味重,严重时 堵塞管路等问题.该文以农村常用的下吸式生物质气化炉为核心,研究气化过程中焦油灰分的产出特性,并对出口燃气 采用湿式喷淋装置和干式过滤装置相结合的联合过滤方法对燃气净化.试验表明,还原区温度对焦油和灰分含量有显著 影响,高温可抑制焦油灰分产出(温度在 650℃以上,1 m3 燃气中,出口焦油灰分维持在

2000 mg) .经过联合过滤后, 焦油脱除效率达到 99.5%以上,1 m3 燃气中,燃气中焦油灰分维持在

10 mg 以内,达到燃气净化需求. 关键词:焦油,净化,生物质,气化,灰分 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2010.z2.049 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2010)-Supp.2-0259-05 金亮,童瑞明,周劲松,等. 生物质燃气焦油产率及其净化[J]. 农业工程学报,2010,26(Supp.2):259-263. Jin Liang, Tong Ruiming, Zhou Jinsong, et al. Tar character and cleaning of biomass gasification gas [J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(Supp.2): 259-263. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 近年来,随着农村经济的发展和农民生活水平的提 高,生物质热解气化技术在农村生活用能中得到了推广 和应用,为农户提供了清洁的气体燃料,取得了良好的 经济和社会效益[1-2] .其中,生物质气化集中供气技术由 于技术成熟已在诸多省份得到推广和应用,极大地改善 了农民的用能方式. 但与发达国家的气化技术相比,中国生物质气化存 在着燃气净化不完全的问题,造成燃气焦油灰分含量高、 焦油味重,甚至堵塞管路等现象[3-5] ,这在一定程度上影 响了气化技术的商业应用和推广[6] . 目前大部分气化工艺 下1m3 燃气中焦油质量一般在 2~50 g[7-9] ,与实际工程 应用要求的低于

50 mg 差距很大,焦油的存在不仅降低 了气化效率,而且低温冷凝影响到气化系统的稳定运行, 所以有必要采取各种措施降低燃气中焦油的含量.如何 方便有效地脱除的焦油灰分杂质,对农村清洁用能、放 心用能有积极作用. 本文以目前广泛采用的固定床下吸式气化炉为基 础[10-11] ,研究气化炉产气过程中的焦油灰分产出特性, 并对出口燃气采用湿式喷淋和干式过滤相结合去除燃气 中焦油灰分杂质,通过对进出口杂质含量的测定,得到 燃气的净化率,并提出降低杂质含量的优化运行工艺条 件和净化方法建议. 收稿日期:2010-07-07 修订日期:2010-11-20 基金项目:浙江省科技计划项目 2008C01001-2 作者简介:金亮(1985-) ,男,浙江嘉兴人,浙江大学能源清洁利用国 家重点实验室,主要从事农村生物质能气化及燃气净化研究. Email: libarking@zju.edu.cn 通信作者:周劲松(1970-) ,男,浙江大学能源清洁利用国家重点实验 室教授,博士,博士生导师,主要从事生物质气化及电厂烟气重金属脱除研 究.Email: zhoujs@cmee.zju.edu.cn

1 试验系统及测量方法 1.1 试验系统 试验系统如图

1 所示.主体为下吸式气化炉,炉体 有效高度

1000 mm,喉部截面直径

250 mm.气化炉采用 空气为气化剂,空气以鼓风机鼓入送气、引风机尾部抽 气的方式送入.试验采用木材加工厂的下脚料木屑为原 料, 木屑平均长度为

5 mm. 气化炉产出的燃气一般为 粗 燃气 ,通常含有灰分、水分、焦油等杂质.系统采用 两级净化装置:湿式喷淋装置和干式过滤装置.湿式喷 淋量最大为

420 L/h,干式过滤器中填充最高可为

80 cm 的过滤材料(试验中选用棉花和海绵等农村易购物). 通过检测进出口燃气中焦油灰分含量,即可求出装置的 净化率. 1.2 焦油灰分含量测定 测量方法依据 GB/T12208-1990《城市燃气中焦油和 灰尘含量的测定方法》[12] ,将一定体积的燃气通过已知 质量的滤膜,根据滤膜的增质量和取样体积,计算出焦 油和灰分的含量. 取样装置按图

2 方式连接,取样前称质量并记录经 过干燥的垫圈和滤膜质量 G1,检查整个装置气密性,并 记录流量计初始读数.由于燃气管路为微负压状态,在 湿式流量计后加装抽气泵,采用三通阀调节取样流量, 避免流速过大而使滤纸破裂,取样体积一般以 20~30 L 为宜.取样结束记下流量计终止读数,将滤纸放入干燥 皿保存,完成一次焦油取样[13-14] . 取样过程中需要记录的数据主要包括:焦油取样位 置、取样开始时刻、取样结束时刻、初始流量计读数、 终止流量计读数等. 农业工程学报

2010 年260 注:01-温度显示器;

02-下吸式气化炉;

03-鼓风机;

04-湿式喷淋装置;

05-水流量计;

06-阀;

07-干式过滤装置;

08-取样口;

09-气体流量计;

10-球阀;

11-引风机 图1试验流程图 Fig.1 Experiment flow diagram 注:1-阀;

2-取样器;

3-湿式气体流量计;

4-三通阀;

5-抽气泵 图2生物质焦油含量取样装置 Fig.2 Drvice for sampling and measuring tar content of biomass 1.3 样品处理和计算 取样成功后,打开取样器,用镊子将垫圈和滤膜一 起取出并置于干燥器中干燥

2 h 以上称质量,并记录,记为G2.根据取样记录和上述数据,按以下公式可以得到 单位体积(m3 )燃气中焦油和灰尘的质量(mg):

2 1

0 G G V ? ? ? (1) 式中,λ为焦油和灰尘质量体积比,mg/m3 ;

G1 为取样前 滤膜和垫圈质量, mg;

G2 为取样后滤膜和垫圈质量, mg;

V0 为换算至标准状态下的取样体积,m3 . 换算至标准状态下的取样体积 V0,公式为:

0 0

273 273

101325 P p S V V t ? ? ? ? ? ? (2) 式中,V 为取样时从流量计读取的燃气取样体积,m3 ;

t 为取样时燃气的温度,℃;

P0 为取样时大气压力,Pa;

p 为取样时燃气压力,Pa;

S 为取样温度下的饱和水蒸气压 力,Pa.

2 结果及分析 2.1 燃气流量对焦油灰分产出量的影响 图3表示在不同燃气流量下焦油灰分含量的变化趋 势.待工况稳定(还原区温度保持在 800~850℃

30 min 以上)后进行取样测量.可见,随着燃气流量的不断增 大,焦油含量逐渐降低.当流量达到

5 m3 /h 时,1 m3 燃 气中,出口焦油量低至

1 786.27 mg.但应用中燃气流量 不是越大越好.随着燃气流量增大,单位时间内抽入气 化炉内的空气越多,表明燃烧在气化反应中的比重增大, 气化比重降低,这对燃气热值和气化效率都是不利的. 所以不但要注重降低出口焦油含量,也要保证燃气品质. 试验采用北分瑞利分析仪器有限公司 SP3420A 型气相色 谱仪对燃气热值进行了测试,并通过测试原料热值及记 录原料质量、燃气总体积,计算得到气化效率.研究表 明燃气流量在 3.5 m3 /h 左右时, 燃气热值可达到

6 MJ/m3 , 图3焦油灰分质量浓度随燃气流量的变化 Fig.3 Changes of tar and ash content with the influence of gas flow rate 增刊

2 金 亮等:生物质燃气焦油产率及其净化

261 气化效率维持在 55%,保证了燃气品质的需要[14] . 2.2 温度对焦油灰分产出的影响 温度对气化过程中焦油等质量浓度有显著的影响[15-19] , Kinoshita 等[15] 发现,在固定床气化中,随着温度升高, 焦油在气化过程中的产量降低和种类减少;

Yu 等[16] 发现, 温度从

700 ℃上升到

900 ℃的过程中,焦油产出量降低 了40%. 图4表示气化炉内部温度变化对出口燃气焦油灰分 质量浓度的影响. 维持燃气流量 3.5 m3 /h 不变. 试验中加 满一炉燃料,自燃气产出后开始记录温度变化和对焦油 灰分取样测量.温度为气化炉喉部以下还原区的平均温 度,采用多点取平均的方式获得.由图

4 可见随着温度 的升高,出口焦油灰分含量呈现先升高后降低的趋势, 尤其当还原区温度在 450~650℃之间时,1 m3 燃气中焦 油灰分质量呈现较高水平,最高达到

17 873.3 mg/m3 , 在低温区与高温区, 焦油质量均较低, 约为

2 000 mg/m3 左右. 在450~650℃之间,焦油灰分质量明显上升,这是 由于该温度区间为挥发分大量挥发的阶段,在挥发过程 中,焦油等杂质伴随着可燃气体的产生大量析出;

另一 方面, 一般认为还原区温度达到 800℃后有利于焦油的裂 解[14] ,故当还原区进入高温段后,焦油裂解促使燃气中 杂质含量降低.试验表明高的还原区温度有利于焦油等 杂质的去除. 图4焦油灰分质量浓度随还原区温度的变化 Fig.4 Changes of tar and ash content with the influence of reduction zone temperature 2.3 运行时间对焦油灰分产出的影响 图5表示在同一工况下出口燃气焦油灰分质量浓度 随运行时间的变化, 燃气流量稳定在 3.5 m3 /h. 起炉阶段, 炉膛总体的温度水平较低,焦油灰分在燃气中的质量浓 度呈快速增加的趋势,随着气化反应的深入,杂质逐渐 减少,当反应进行了

6 h 以后,燃气中焦油灰分量稳定在

2 000 mg/m3 左右.前4h焦油含量一直处于较高水平, 这是由于起炉时炉体尚处于冷态阶段,气化温度没有达 到焦油裂解的高温,所以焦油产出量较大.运行稳定后, 炉内温度达到较高水平,一方面高温抑制了焦油的产出, 另一方面产出的焦油经过高温的还原区后发生裂解,焦 油质量浓度快速降低.该气化炉稳定运行时,焦油灰分 质量浓度比处于

2 000 mg/m3 的较低水平,具有较好的实 际应用意义. 图5焦油灰分质量浓度随运行时间的变化 Fig.5 Changes of tar and ash content with the influence of operation time 2.4 湿式喷淋净化效果 燃气净化包括湿式喷淋和干式过滤两级装置,通过 测量净化装置前后焦油灰尘含量,即可求出净化装置的 净化率. 图6表示的是喷淋量对净化率的影响,试验中燃气 流速维持在 3.5 m3 /h.当喷淋量小于

80 L/h,湿式喷淋的 脱除率稳定在 35%.随着喷淋量的增加,脱除率显著提 高,当喷淋量维持在

280 L/h,脱除效率达到 99%,效果 十分明显, 但喷淋量从

280 L/h 增加到

420 L/h 的过程中, 脱除效率增长变缓,表明

280 L/h 后已经达到喷淋净化的 饱和状态.这是由于焦油中的大分子由于质量较大,受 重力作用较容易被水珠包裹和捕集从气流中脱离出来, 但小分子物质质量较小,能从水网膜中随气流穿透,故 后期增加喷淋量对焦油脱除效果并不理想. 图6湿式净化率随喷淋量的变化 Fig.6 Cleaning efficiency of water-sprawing 2.5 干式过滤净化效果 干式净化采用普通的棉花和海绵作为过滤材料,这 两种物质在农村均能容易获得.试验中棉花经过适当压 实,密度为

26 kg/m3 ,为半径

20 mm 左右的球形;

海绵 密度为

30 kg/m3 , 切割成

40 mm*40 mm*40 mm 左右的 农业工程学报

2010 年262 立方体.图7比较了两种物质及不同料层装载高度的净 化效果.从图中看到,棉花的净化能力明显高于海绵, 当堆积高度在

80 cm 时,棉花的净化率达到 99.11%,而 海绵为 85.86%.同时,两种物质的净化率随堆积高度的 增加均有显著上升,从50 到80 cm,棉花的脱除效率从 79.32%升高为 99.11%,海绵从 49.37%升高为 85.87%. 在焦油脱除方面,棉花优于海绵,而且两种物质在使用 一段时间后,放在室外经过晾晒,均可再次利用. 图7干式净化率随料层高度的变化 Fig.7 Cleaning efficiency of height of drying device 2.6 总体净化效果 试验研究了同时使用干式湿式装置后的净化效果, 结果如表

1 所示,其中湿式喷淋量为

420 L/h,干式过滤 采用棉花为原料,填充高度为

80 cm.从表

1 可以看到, 联用湿式干式过滤,总体脱除效率达到了 99.5%以上,出 口焦油质量浓度较低,维持在

10 mg/m3 ,满足实际工程 应用的需要. 表1湿式干式联用的总体净化效果 Table

1 Cleaning efficiency of combining water-spraying and drying devices 试验 批次 气化炉出口 焦油灰分质 量浓度/ (mg・ m-3 ) 湿式喷淋出 口焦油灰分 质量浓度/ (mg・ m-3 ) 干式过滤出 口焦油灰分 质量浓度/ (mg・ m-3 ) 总体焦 油脱除 效率/ %

1 2640.5 140.3 13.2 99.50

2 2374.6 112.4 10.2 99.56

3 2198.8 110.2 9.3 99.59

4 2037.8 92.4 9.0 99.56

3 结论本文以农村中常用的下吸式气化炉为基础,研究燃 气流量、温度、运行时间等参数对焦油灰分产率的影响, 同时研究焦油灰分的净化效果,得到以下几点结论: 1)燃气流量对焦油等杂质的产生具有明显的影响. 增大燃气流量,可以在气化炉内扩大燃烧区域,焦油灰 分在燃气中的含量降低;

但过大的燃气流量会影响气化 效率和燃气热值,对气化不利.试验表明,当燃气流量 维持在 3.5 m3 /h 左右时,燃气热值可达到

6 MJ/m3 ,气化 效率维持在 55%,并使焦油灰分质量浓度维持在较低水 平(1800 mg/m3 ). 2)高温有利于焦油的裂解,从而降低燃气中焦油灰 分的含量.当还原区温度在 800℃以上,气化炉出口焦油 灰分质量浓度可维持在

2000 mg/m3 ,所以在气化中创造 高温氛围十分重要. 3) 气化炉在起炉阶段, 焦油灰分等杂质的大量析出;

炉体稳定运行后,杂质质量浓度快速降低,稳定在

2000 mg/m3 ,所以建议采用连续运行方式,保证杂质含量维持 在较低水平. 4)采用湿式、干式过滤装置,能去除燃气中大部分 的杂质,净化效果明显.在干式过滤中,棉花的净化效 果优于海绵.在湿式、干式联用后,焦油灰分的净化率 达到 99.5%,净化后燃气中杂质维持在

10 mg/m3 左右, 满足实际应用的需要. [参考文献] [1] 李定凯,孙立.秸秆气化集中供气系统技术评价[J].农业 工程学报,1999,15(1):164-168. Li Dingkai, Sun Li. Technical assessment on rural cooking gas supply system for straw gasification technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 1999, 15(1): 164-168. (in Chinese with English abstract) [2] 陈百明,张正峰,陈安宁.农作物秸秆气化利用技术与商 业化经营案例分析[J].农业工程学报,2005,21 (10):124 -128. Chen Baiming, Zhang Zhengfeng, Chen Anning . Case analysis of crop straw gasification use technology and commercialization operation[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, 21(10): 124-128. (in Chinese with English abstract) [3] 赖艳华,吕明新,董玉平.生物质热解气化气中焦油生成 机理及其脱除研究[J........