PDF《两步进气法和水蒸气对竹材下吸式 固定床气化性能的影响》

林业工程学报, 2019,4(3):93-99 Journal of Forestry Engineering DOI:10.

13360 / j.issn.2096-1359.2019.03.014 收稿日期:2018-09-11 修回日期:2018-12-18 基金项目:浙江省自然科学基金 (LQ17E060002);

浙江省与中国林科院省院合作林业科技项目 (2017SY01);

国家自然科学基金 (51706207);

中国科协青年人才托举工程项目(2018QNRC001);

浙江省竹资源与高效利用协同创新中心开放基金 (2017ZZY2-02). 作者简介:马中青,男,副教授,研究方向为生物质热解气化. 通信作者:张文标,男,教授. E?mail: zwb@ zafu.edu.cn 两步进气法和水蒸气对竹材下吸式 固定床气化性能的影响 马中青1 ,吴有龙1 ,徐佳佳1 ,任艺玮1 ,张文标1? ,丁兴萃2 (1.浙江农林大学工程学院,浙江省竹资源与高效利用协同创新中心,杭州 311300;

2. 国家林业局竹子开发研究中心,杭州 310012) 摘要:以毛竹加工剩余物为研究对象,采用自制的两步进气下吸式固定床气化炉,在当量比(ER)一定的情况 下,研究进气比例(AR,0% 和60%) 和水蒸气/ 生物质质量比(ms / mb ,0,0.045,0.112,0.153,0.211,0.245 和0.305)对气化炉性能(炉内温度分布、原料消耗率和气化强度)和可燃气指标(温度、成分、热值和焦油含量)的 影响. 结果表明:1)与一步进气法相比,两步进气法(AR 为60%时)可显著提高气化炉炉温,并且分别在

2 个进 气位置出现

2 个温度峰,分别为热解区的

606 ℃ 和氧化区的

856 ℃ ,可燃气的温度也增加至

377 ℃ ;

2)两步进气 法可显著提高可燃气的可燃组分含量和热值,降低焦油含量,CO 含量、H2 含量和低位热值的最大值分别为 17.47%、14.67% 和4.54 MJ/ Nm3 ,焦油含量最低值为 55.4 mg/ Nm3 ;

3)随着 ms / mb 从0.045 增加至 0.305,气化炉 内各反应区的温度逐渐降低,与空气气化剂相比,虽然热值并未增加,但是可燃气中 H2 和CO 的含量发生变化, 导致 V(H2 ) / V(CO)比例逐渐增加至 1.01,有助于应用于合成气的研究. 本研究为竹材废弃物的能源化利用提 供了新的途径和基础数据. 关键词:生物质气化;

两步进气;

下吸式固定床;

可燃气;

焦油 中图分类号:S216.2 文献标志码:A 文章编号:2096-1359(2019)03-0093-07 Experimental investigation of bamboo gasification in the double air stage downdraft fixed?bed gasifier using air and steam agent MA Zhongqing1 , WU Youlong1 , XU Jiajia1 , REN Yiwei1 , ZHANG Wenbiao1? , DING Xingcui2 (1. School of Engineering, Zhejiang Provincial Collaborative Innovation Center for Bamboo Resources and High?Efficiency Utilization, Zhejiang A &

F University, Hangzhou 311300, China;

2. Bamboo Research Center of State Forestry Bureau, Hangzhou 310012, China) Abstract:In order to investigate the effect of double air intake method and steam agent on the performance of biomass downdraft fixed?bed gasifier fed by bamboo (Phyllostachys edulis) residues, two air ratios (AR, 0% and 60%) in double air intake method and six steam/ biomass mass ratios ( ms / mb , 0.045, 0.112, 0.153, 0.211, 0.245, and 0.305) were chosen. These parameters were used to study the performance of gasifier (temperature distribution, feed? stock consumption rate, cold gas efficiency, carbon conversion rate, and gas production rate) and gas properties in gasifier (temperature, composition, heating value, and tar content). The result showed that: (1) Compared with the one air intake method, the double air intake method could remarkably promote the temperature inside the gasifier when the AR was 60%. Two temperature peaks were clearly observed in the pyrolysis zone (606 ℃) and combustion zone (856 ℃), and the gas temperature in the gasifier reached its maximum value of

377 ℃. (2) Compared with the one air intake method, the double air intake method could remarkably promote the concentrations of combustible gas com? ponent and lower heating value (LHV) and reduce the content of tar when the AR was 60%. The maximum concen? tration of CO and H2 was 17.47% and 14.67%, respectively, and the minimum value of tar content was 55.4 mg/ Nm3 . (3) As the ms / mb increased from 0.045 to 0.305,the temperature inside the gasifier decreased. In contrast to the air agent, although only slight variation of the LHV of gas in gasifier was observed, the concentrations of H2 and CO were greatly varied, leading to an increase in ratio of V(H2 ) / V(CO) with 1.01. This result was beneficial for the ap? plication of produced gas on the field of synthesis gas. This research created a new industrial and energy application method for bamboo residues, and provided some basic data for bamboo gasification. 林业工程学报第4卷Keywords:biomass gasification;

double air stage;

downdraft fixed bed gasifier;

producer gas;

tar 竹子作为一种典型的农林生物质资源,具有一 次成林、长期利用、生长快、成材周期短、生产力高 等优点,我国年产毛竹 15.

39 亿根,相当于约

2 300 万m3 的木材量,竹材资源非常丰富[1-2] . 在高温 限氧条件下,生物质气化技术可将竹材等生物质通 过热化学反应转化为 CO、H2 和CH4 等可燃气体,可 燃气体可进一步用于锅炉燃烧供热或内燃机燃烧 发电[3-6] . 在标况空气条件下,进气方式对下吸式 固定床的气化性能有显著的影响. Bhattacharya 等[7] 研究发现采用两步进气法,可显著提高热解 区、氧化区和还原区的温度,使得热解区产生的焦 油在还原区发生二次裂解,使焦油更多地转化为可 燃气体组分进而提高可燃气产量、改善可燃气的热 值以及降低焦油含 量. Martínez 等[8] 和Galindo 等[9] 研究了进气比例 ( AR) 分别为 0%,40% 和80%条件下对气化性能的影响,结果表明,AR 为40%时的可燃气低位热值(5.12 MJ/ Nm3 )高于 AR 为0%时的热值(4.90 MJ/ Nm3 ),且可燃气中焦油 含量从 144.71 mg / Nm3 降低至 78.58 mg / Nm3 . 气 化剂种类是影响气化性能的另一重要因素. 苏德 仁等[10] 和Jarungthammachote 等[11] 研究发现在空 气气化剂中添加适量的水蒸气,可进一步优化可燃 气中 H2 和CO 的比例,提升可燃气在合成气领域 的应用. 研究表明,当水蒸气/ 生物质质量比(ms / mb )从0增加至 0.36 时,CO 含量从 21% 减少至 18.15%,而H2 含量从11. 85% 增加至16. 86%, V(H2 ) / V(CO)比值显著增加. 然而,目前以竹材 为原料,同时采用两步进气法和空气?水蒸气气化 剂的下吸式固定床气化试验研究还未见报道. 笔者以竹材加工废弃物为原料,首先采用空气 气化剂, 研究两步进气法进气过程中进气比例 (AR)对下吸式固定床气化性能的影响;

其次,在 最优空气气化剂工艺条件下,通入

150 ℃的饱和水 蒸气,研究水蒸气/ 生物质质量比(ms / mb ) 对气化 性能的影响.

1 材料与方法 1.1 试验材料 毛竹(Phyllostachys edulis),购自浙江省建德市 目科生态农业有限公司;

毛竹由切片机切成长宽厚 约为

30 mm*

15 mm*

5 mm 的形状,并经过滚筒干 燥器干燥至含水率为 20% ~25%,用于气化试验研 究. 毛竹的元素分析、工业分析、化学组分和热值 分析结果见表 1,测试方法见文献[12-13]. 表1毛竹的元素分析、工业分析、化学组分和热值分析 Table

1 Ultimate, proximate, chemical composition, and calorific value analysis of moso bamboo 元素分析/ % 工业分析/ % 化学组分/ % C H O N S 挥发分 固定碳 灰分 纤维素 半纤维素 木质素 抽提物 高位热值/ (MJ ・ kg-1 ) 47.66 6.18 45.98 0.15 0.03 81.26 17.14 1.60 47.29 23.21 20.13 5.11 17.97 注:表内的元素分析、工业分析和化学组分单位均为质量分数. 1.2 气化设备 下吸式固定床气化系统的工艺流程图见图 1. 下吸式固定床气化炉采用两步进气法通入气化剂, 其中第一布风管位于氧化区,第二布风管位于热解 区,其中水蒸气通过第二布风管通入气化炉,炉体 顶部水封,底部采用拨料器拨料,并通过螺旋排炭 装置排出气化残炭,以此实现气化炉连续工作. 气 化炉总高为

2 600 mm,其中有效气化反应区为

1 000 mm,炉体有效内径为

350 mm. 气化炉炉体 由不锈钢材料制成,内部和外部分别采用耐火水泥 和保温棉保温. 炉体气化有效反应区从上至下安 装7个热电偶,用以测量炉体的温度分布和可燃气 的温度. 采用高压鼓风机通入空气气化剂,通过控制 PLC 控制系统上的风机变频器(0 ~

50 Hz) 对进气 量进行调节,并用转子流量计对进气量进行计量. 采用温控型蒸汽发生器产生

154 ℃的饱和水蒸气, 并通过蒸汽发生器上的液位计计量水蒸气的质量. 采用在线红外煤气成分及热值仪(Gasboard?3100, 武汉四方光电有限公司) 对可燃气的组分及热值 进行测定,并采用手持式叶轮风速仪对可燃气的产 气量进行计量. 根据英国标准 BSDD CEN/ TS 15439?2006[14] 设计了焦油取样装置,该装置主要由灰分过滤装 置、焦油收集装置、........