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1、上吸式生物质秸秆气化炉的设计与试验研究杨少鹏,薛勇,牛广路(西南科技大学固体废物处理与资源化省部共建教育部重点实验室,四川绵阳621010)摘要:设计一台上吸式生物质秸秆气化炉,并进行热解气化试验,分析不同气化剂量对炉内温度的影响以及温度和秸秆种类对产气成分的影响。试验结果表明:气化剂量对炉内温度及炉内温度对产气成分含量的影响均较大;秸秆种类也对产气的热值有较大的影响,稻草热解可燃气热值411MJ/m3,油菜秆热解可燃气热值419MJ/m3,玉米秆热解可燃气热值515MJ/m3。关键词:上吸式气化炉;炉内温度;燃气成分中图分类号:X712文献标识码:A文章编号:1004-7948(
2、2009)09-0006-033引言生物质气化是最早实现商业化应用的生物质能转化技术之一。20世纪70年代,Gahly等[1]首次提出了将气化技术用于能量密度较低的生物质燃料,使生物质气化的研究重新活跃起来。不同学科的相互渗透,使这一技术发展到新的高度。生物质作为一种相对稳定的可再生资源已经成为世界大多数国家研究利用的焦点[2]。生物质热解气化技术的发展,对于解决能源与环境这一世界突出问题具有重要意义[3-4],也为我国生物质能源的利用提供了理论基础。所谓生物质热解气化技术,就是将生物质固体原料置于高温环境,通过热分解和化学反应将其转化为气体燃料和化学原料气体(合成气体)等气态物质
3、的过程,生物质固体原料转化的气体称为燃气。在我国,目前常用的生物质固定床气化炉按照鼓风方法不同和燃气相对于燃料流动方向不同,通常分为上吸式、下吸式和平吸式[5]。本文在比较了3种气化炉的优缺点之后选择设计上吸式气化炉。1试验气化炉的设计111设计依据该气化炉在设计上以国家农业部秸秆气化验收规范和技术条件(NY/T443-2001)的指标为设计依据,其具体指标为:气化效率η≥70%,燃气热值≥416MJ/m3。因此,取气化炉的气化效率η=70%,燃气热值Q0=416MJ/m。各种生物质的低位热值如表1所示,取其平均值Q1=141931MJ/kg;根据生物质秸秆在炉体压实后取其密度ρ=
4、50kg/m3。表1生物质秸秆工业分析挥发分/%灰分/%固定碳/%水分/%热值/MJ·kg-1名称79185681247919141228715110173516181618917114101161713691550141619161672131502油菜秆玉米秆稻草[6]112炉体结构根据标准状态下单位质量生物质热解气的气化效率η=Q·G/Q,可知炉内膛的容积为:01VLT=VQ·Q0/(η·Q1·ρ)33式中:VLT—炉内膛容积,m;VQ—气体产量,m;33Q0—冷气体热值,MJ/m;G—冷气体产率,m/kg;Q1—原料热值,MJ/kg;ρ—秸秆在炉体压实后的密度,kg/m3。
5、3=01039m。由此得到的炉内膛的容积为VLT根据炉膛计算容积,设计气化炉的外径D=36cm,高度H=80cm,壳体为钢板,内壁涂敷耐火材料,内膛的容积约为0104m3。图1所示为试验用气化炉的炉体结构示意图。113气化炉气化剂需用量的计算11311生物质秸秆完全燃烧所需要的空气量V生物质秸秆含有碳、氢、氧、氮、硫等元素,各种秸秆元素分析如表2所示。由于氮和硫的含量非常低,所以在计算中不考虑氮、硫的燃烧反应。碳完全燃烧的反应:C+O2=CO2基金项目:教育部固体废物处理与资源化重点实验室基金(项目编号:08zxgp02)12kg2214m32009年第9期(总第326期)节能EN
6、ERGYCONSERVATION—7—氧量的20%～30%。图1气化炉体结构示意图图2燃气成分和空气量的关系表2生物质秸秆元素分析名称C含量/%H含量/%N含量/%O含量/%S含量/%考虑到实验装置漏气和气体分布不均等因素,41128411823814940153615215152561103610500132018301570157337127944123534141438164301211012230113801191油菜秆玉米秆稻草平均值取当量比为a=013,则气化所需用的空气量:V=003a0×V=013×3199=11197m/kg。气化剂流量直接影响气化炉产气量的多少与
7、质量。气化剂流量大,产气量大,但易造成过氧燃烧,致使可燃气体成分减少,燃气热值低;气化剂流量小,则造成缺氧燃烧,氧化和还原反应均不充分,产气中可燃成分少,使产气质量下降[8]。目前大多数气化炉的供风系统的送风口都是在炉体的侧面,在原料下落和气化过程中灰分会将通风口堵塞,气体在炉内的分布也不够均匀,造成气化剂不能够均匀地与原料接触。该气化炉采用特殊供风方式,避免了原料和灰分与进风口直接接触,使得气化剂能够均匀地在炉内分布。2试验分析211试验材料与设备试验使用自行设计的
