玉米秸稈成型燃料在復(fù)合式固定床中的氣化試驗(yàn)

張衛(wèi)杰，關(guān)海濱，姜建國，孫榮峰，范曉旭，楊立國，劉作，胡安全

(1.山東省科學(xué)院能源研究所，山東 濟(jì)南250014；2.山東省生物質(zhì)氣化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250014；3.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250023)

玉米秸稈成型燃料在復(fù)合式固定床中的氣化試驗(yàn)

張衛(wèi)杰1，關(guān)海濱1，姜建國2，孫榮峰1，范曉旭1，楊立國2，劉作3，胡安全3

(1.山東省科學(xué)院能源研究所，山東 濟(jì)南250014；2.山東省生物質(zhì)氣化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250014；3.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250023)

本文利用復(fù)合式固定床中試裝置，通過調(diào)整一次空氣量、二次空氣量、進(jìn)料量等參數(shù)，控制各反應(yīng)區(qū)溫度和反應(yīng)深度，對玉米秸稈成型燃料進(jìn)行了氣化試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合式固定床對成型燃料具有較好的適應(yīng)性，爐內(nèi)各區(qū)的溫度分布合理，各區(qū)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)平衡，氣化效率達(dá)75.4%；二次風(fēng)量的大小對氣體燃燒區(qū)燃燒溫度、產(chǎn)氣熱值的變化影響明顯；通過焦油裂解區(qū)的高溫溫度場能夠?qū)崿F(xiàn)燃?xì)庵薪褂驮跔t內(nèi)較為完全的裂解，所產(chǎn)燃?xì)饩哂休^高的熱值。

秸稈成型燃料；復(fù)合式固定床；低焦油氣化

在生物質(zhì)能利用技術(shù)中，直燃和氣化是兩種可以較大規(guī)模利用生物質(zhì)的技術(shù)路線[1]。生物質(zhì)直燃電廠，將農(nóng)林廢棄物替代煤直燃發(fā)電，回避了氣化工藝中焦油難以去除、燃?xì)鈨艋瘞淼亩挝廴镜葐栴}[2]，大大推動了生物質(zhì)能的利用。但由于生物質(zhì)資源能量密度低、收集貯運(yùn)不便，導(dǎo)致直燃利用方式的經(jīng)濟(jì)性較差，且生物質(zhì)能是各類可再生能源中唯一含碳的物質(zhì)能源，直燃利用較為浪費(fèi)[3]。氣化利用技術(shù)路線，可以根據(jù)區(qū)域資源狀況實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)狻⑸镔|(zhì)炭、木醋液聯(lián)產(chǎn)，滿足區(qū)域用能需求，實(shí)現(xiàn)電、氣、冷、熱聯(lián)供。氣化利用技術(shù)路線還可以根據(jù)投資規(guī)模，進(jìn)一步延伸發(fā)展生物質(zhì)制氫和生物質(zhì)制取甲醇、二甲醚等生物質(zhì)化工。隨著生物質(zhì)燃?xì)饨褂腿コ齼艋夹g(shù)的發(fā)展，氣化利用中的焦油難題逐步得到解決，利用氣化技術(shù)對農(nóng)林廢棄物進(jìn)行資源化、能源化、高值化綜合利用越來越引起研究者的關(guān)注[4-5]。玉米秸稈成型燃料是為了提高其容重和能量密度，將玉米秸粉碎后通過壓塊機(jī)壓縮為成型燃料，這種做法在我國得到了普遍應(yīng)用。本文利用復(fù)合式固定床低焦油氣化中試裝置，對玉米秸稈成型燃料進(jìn)行了氣化試驗(yàn)研究。

1 燃料分析

對玉米秸稈成型燃料進(jìn)行燃料的元素分析、工業(yè)分析、熱值和灰熔融性檢測。分析檢測儀器型號如表1所示。

表1 分析儀器

分析結(jié)果見表2。根據(jù)燃料的元素分析結(jié)果，計算理論空氣量，選取不同的氣化當(dāng)量比，確定一、二次風(fēng)量總和。工業(yè)分析的結(jié)果則可用以確定一、二次風(fēng)量的配比。熱值分析(熱值(LHV)為15 352 kJ/kg)可以為根據(jù)氣化裝置容積負(fù)荷確定原料處理量、計算氣化效率提供依據(jù)。關(guān)注成型燃料的灰熔融性可以指導(dǎo)確定試驗(yàn)運(yùn)行中燃燒區(qū)的溫度上限值，避免出現(xiàn)過多的結(jié)渣現(xiàn)象。

表2 玉米秸稈成型燃料的化學(xué)分析

注：燃料為空氣干燥基。

2 復(fù)合式固定床低焦油氣化中試裝置

傳統(tǒng)的生物質(zhì)固定床氣化裝置主要分為上吸式和下吸式兩種。上吸式氣化爐氣化效率、熱效率高，但粗燃?xì)饨褂秃扛?、加料困難；下吸式的氣化爐產(chǎn)氣質(zhì)量穩(wěn)定、出爐燃?xì)饨褂土枯^上吸式低，但氣化效率、熱效率低。在生物質(zhì)熱解氣化過程中，焦油組分生成于燃料熱解階段，裂解于高溫氧化階段，焦油組分的熱裂解主要與溫度有關(guān)[6-8]。在傳統(tǒng)的固定床氣化裝置中，無論上吸式還是下吸式，熱解、燃燒、還原各反應(yīng)階段在爐內(nèi)空間上分界并不明顯，而是存在交叉。生物質(zhì)燃料密度小，揮發(fā)分含量較高，熱解后燃料體積收縮變化較大，各反應(yīng)層交叉，很難在物理空間上為焦油裂解提供一個穩(wěn)定的高溫環(huán)境。

復(fù)合式固定床低焦油氣化裝置則集成上吸式和下吸式固定床各自的優(yōu)點(diǎn)，利用內(nèi)置熱解筒對爐內(nèi)空間進(jìn)行物理分隔，將氣化過程的干燥熱解、燃燒還原和焦油裂解3個階段在同一個裝置內(nèi)相對分開又有機(jī)耦合。該裝置頂端可以敞開式進(jìn)料，底端通入的一次風(fēng)可以冷卻保護(hù)爐排，中部的二次燃燒區(qū)使焦油組分得到更為充分的裂解，最終獲得清潔的生物質(zhì)燃?xì)?，同時提高了氣化效率。

本研究的中試裝置如圖1所示，氣化爐內(nèi)徑為1.3 m，高3.5 m，原料處理量為0.3 t/h。玉米秸稈成型燃料外形截面尺寸為32 mm×32 mm，長度為40～80 mm，堆積密度為320 kg/m3。燃料通過皮帶機(jī)自爐頂均勻連續(xù)送入氣化爐內(nèi)。燃料首先在熱解筒內(nèi)受到外壁1 000℃左右高溫燃?xì)獾拈g接加熱，進(jìn)行熱解反應(yīng)，揮發(fā)分析出產(chǎn)生的熱解氣，被引風(fēng)機(jī)引至氣化爐中部，通過二次風(fēng)燃燒器，與爐外的二次空氣發(fā)生燃燒反應(yīng)。通過控制二次風(fēng)量，燃燒掉較少部分熱解氣，使熱解氣熱值有所降低，但燃燒溫度保持在1 100℃左右。部分燃燒后的熱解氣混合著煙氣，繼而向上并加熱了氣化爐內(nèi)設(shè)置的焦油裂解區(qū)，焦油裂解區(qū)為蓄熱磚砌筑而成，裂解區(qū)吸收熱解氣的顯熱，形成高溫溫度場，使熱解氣中的焦油裂解為小分子不凝氣體，從而達(dá)到在爐內(nèi)去除焦油的目的。燃料在熱解筒內(nèi)熱解產(chǎn)生的半焦碳，在重力作用下在爐排上方形成高1.6 m的碳層。爐底的一次風(fēng)通過塔式爐排環(huán)形縫隙均勻布風(fēng)后，送入爐內(nèi)。在一次空氣的作用下，爐排上部的碳得到較為完全的燃燒，生成的灰被旋轉(zhuǎn)爐排連續(xù)排出爐外后通過冷渣機(jī)冷卻；生成的煙氣則向上通過碳層發(fā)生還原反應(yīng)，生成一氧化碳，與熱解氣一起自氣化爐頂端排出爐外。

圖1 生物質(zhì)復(fù)合式固定床氣化中試裝置Fig.1 Biomass combined fixed bed gasification pilot plant

中試系統(tǒng)中，引風(fēng)機(jī)選用羅茨風(fēng)機(jī)，額定流量為800 m3/h。一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)為9-19型離心風(fēng)機(jī)，額定流量均為300 m3/h。引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)均可變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以調(diào)整引風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)量。氣化爐體設(shè)置5個溫度測點(diǎn)，自T1～T5分別檢測燃燒區(qū)、還原區(qū)、氣體燃燒區(qū)、焦油裂解區(qū)、出氣區(qū)等5個區(qū)域的溫度。通過紅外氣體分析儀(Gasboard-3100P)連接燃?xì)馊涌?，在線檢測并記錄燃?xì)獬煞帧?/p>

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

通過試驗(yàn)，研究玉米秸稈成型燃料在復(fù)合式固定床氣化爐中的氣化特性。通過調(diào)整一次空氣量、二次空氣量、進(jìn)料量等參數(shù)，控制各反應(yīng)區(qū)溫度和反應(yīng)深度，研究爐內(nèi)溫度分布規(guī)律、二次風(fēng)量對焦油裂解區(qū)溫度的影響、焦油裂解區(qū)溫度對焦油裂解的影響和二次風(fēng)量對燃?xì)鉄嶂档挠绊?，并測試計算了氣化效率。

3.1 爐內(nèi)各區(qū)溫度分布

生物質(zhì)氣化裝置運(yùn)行時，爐內(nèi)溫度的變化是化學(xué)反應(yīng)狀況的直接表征。燃料進(jìn)料量250～300 kg/h、一次風(fēng)量80～100 Nm3/h、二次風(fēng)量160～200 Nm3/h狀況下，如圖2所示，爐內(nèi)各測點(diǎn)處溫度基本保持平穩(wěn)變化，這說明爐內(nèi)各區(qū)的化學(xué)反應(yīng)處于基本平衡的狀態(tài)。燃燒區(qū)溫度T1在800～900 ℃之間，此時，燃燒區(qū)的生物質(zhì)炭在一次空氣作用下發(fā)生異相擴(kuò)散燃燒，反應(yīng)速度取決于在碳粒表面氧和碳的化學(xué)反應(yīng)速度，即燃燒較大程度受動力因素控制[9-11]。試驗(yàn)中通過一次風(fēng)量的調(diào)整，將燃燒溫度控制在合理范圍內(nèi)，一方面高于800 ℃可以為還原區(qū)提供足夠的熱量，另一方面低于900 ℃，避免出現(xiàn)結(jié)渣。

圖2 爐內(nèi)各測點(diǎn)溫度Fig.2 Temperature of each measuring point in furnace

還原區(qū)溫度T2在650～700 ℃之間，說明C與CO2的還原反應(yīng)完成后還保持較高的溫度，確保還原反應(yīng)能夠正常進(jìn)行。氣體燃燒區(qū)溫度T3溫度范圍在1 050～1 150 ℃，焦油裂解區(qū)溫度T4范圍為970～1 030 ℃。通過控制二次風(fēng)燃燒器的進(jìn)風(fēng)量，以燃燒少部分熱解氣來提供焦油裂解區(qū)維持高溫溫度場所需熱量。出氣區(qū)溫度T5則在740～800 ℃之間，T5與T4之間有著200 ℃的溫度差，表征著熱量不斷供給熱解筒內(nèi)新入爐的燃料熱解吸熱和焦油裂解區(qū)內(nèi)焦油組分的裂解吸熱。

3.2 二次風(fēng)量對焦油裂解區(qū)溫度的影響

玉米秸稈成型燃料中的揮發(fā)分含量較高，達(dá)67.09%。燃料在熱解筒間接受熱后，揮發(fā)分析出進(jìn)入氣體燃燒區(qū)，環(huán)境溫度達(dá)到300 ℃以上時，即可與二次風(fēng)發(fā)生快速的燃燒反應(yīng)。二次風(fēng)量對焦油裂解區(qū)溫度的影響如圖3所示，在保持進(jìn)料量為300 kg/h、出灰量為25～30 kg/h、一次風(fēng)量為100 Nm3/h情況下，通過電機(jī)變頻調(diào)整二次進(jìn)風(fēng)量分別為100 Nm3/h、150 Nm3/h、200 Nm3/h，考察氣體燃燒區(qū)T3、焦油裂解區(qū)T4兩處溫度的變化，隨著二次風(fēng)量的增大，從熱解筒輸送來的熱解氣燃燒的份額不斷增加，氣體燃燒區(qū)溫度T3和焦油裂解區(qū)溫度T4隨之升高。這表明，通過調(diào)整二次風(fēng)量來調(diào)整溫度T3、T4的方法效果顯著。

圖3 二次風(fēng)量對焦油裂解區(qū)溫度的影響Fig.3 The influence of secondary air flow rate on the temperature in tar cracking zone

3.3 焦油裂解區(qū)溫度對焦油裂解的影響

焦油裂解區(qū)溫度對焦油裂解的影響如圖4所示，經(jīng)過1 000 ℃左右的高溫裂解，燃?xì)庵械臍錃怏w積分?jǐn)?shù)從18.31%提高到21.69%，燃?xì)庵械钠渌M分如CO、CH4和CmHn等都有不同程度的下降，這是因?yàn)樵诙物L(fēng)的作用下，少量熱解氣燃燒生成的煙氣增加了所產(chǎn)燃?xì)獾捏w積。特別是輕烴氣體CmHn體積分?jǐn)?shù)明顯下降，從3.12%下降到0.62%，這是因?yàn)闅饣細(xì)庵休p烴組分的變化在焦油組分裂解時存在著一定的平衡機(jī)制：較大分子的焦油組分裂解為輕烴成分，同時輕烴又進(jìn)一步裂解為CH4和H2[12]，輕烴氣體體積分?jǐn)?shù)的顯著下降不僅因?yàn)槎物L(fēng)所致燃?xì)怏w積增加，還表征著爐內(nèi)焦油組分的徹底裂解。從試驗(yàn)過程中焦油的收集情況看，在收集物中只有燃?xì)庵欣淠乃趾蜕倭匡w灰的混合物，并沒有檢測到表征焦油組分的苯、酚、萘等大分子物質(zhì)，這也表明焦油組分在高溫環(huán)境中的裂解是徹底的。從旋風(fēng)除塵器與冷卻器之間的取樣口取樣，對燃?xì)庵械慕褂徒M分含量進(jìn)行檢測，結(jié)果如表3所示。

圖4 焦油裂解區(qū)溫度對焦油裂解的影響Fig.4 The effect of temperature in tar cracking zone on the degree of tar cracking

表3 燃?xì)庵薪褂土繖z測數(shù)據(jù)

3.4 二次風(fēng)量對燃?xì)鉄嶂档挠绊?/p>

如圖5所示，二次風(fēng)量為100 Nm3/h時，燃?xì)鉄嶂递^高，達(dá)到7 512 kJ/Nm3，接近了中熱值范圍。隨著二次風(fēng)量的增加，更多份額的熱解氣參與了燃燒反應(yīng)，生成的煙氣則混合在未燃的可燃成分中，使出爐燃?xì)獾臒嶂到档?。?dāng)二次風(fēng)量增加至200 Nm3/h時，燃?xì)鉄嶂到抵? 729 kJ/Nm3，在此風(fēng)量下如圖3所示，氣體燃燒區(qū)溫度T3為1 055℃，氣體重整區(qū)溫度T4為903 ℃，為焦油組分的裂解提供了較為穩(wěn)定的高溫環(huán)境。如表3所示，說明利用熱解筒產(chǎn)生的熱解氣自身的能量在爐內(nèi)焦油裂解區(qū)營造高溫溫度場，以盡可能在爐內(nèi)裂解去除燃?xì)庵薪褂徒M分的思路是可行的。

圖5 二次風(fēng)量對燃?xì)鉄嶂档挠绊慒ig.5 Influence of secondary air flow rate on the calorific value of gas

3.5 氣化效率測算

4 結(jié)論

本文通過復(fù)合式固定床氣化裝置對玉米秸稈成型燃料進(jìn)行了氣化試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，復(fù)合式固定床對成型燃料具有較好的適應(yīng)性，爐內(nèi)各區(qū)的溫度分布合理，燃燒區(qū)、還原區(qū)、氣體燃燒區(qū)、焦油裂解區(qū)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)平衡，取得了較高的氣化效率；二次風(fēng)燃燒器運(yùn)行符合設(shè)計要求，通過二次風(fēng)量的調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)對氣體燃燒區(qū)燃燒溫度、燃燒份額的靈活調(diào)整；在保證焦油裂解區(qū)溫度能夠滿足焦油裂解要求的前提下，所產(chǎn)燃?xì)馊跃哂休^高的熱值。

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Gasification experiment of straw briquette fuel in a compound fixed bed

ZHANG Wei-jie1,GUAN Hai-bin1, JIANG Jian-guo2, SUN Rong-feng1, FAN Xiao-xu1, YANG Li-guo2, LIU Zuo3, HU An-quan3

(1.Energy Research Institute, Shandong Academy of Sciences,Jinan 250014，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Biomass Gasification Technology,Jinan 250014，China；3.Jinan Boiler Group Co., LTD，Jinan 250023，China)

∶Using compound fixed bed pilot plant, and by adjusting the primary air volume, the two air volume and the feed quantity to control the temperature and the reaction depth of each reaction zone, the experimental study on the gasification of corn straw briquette fuel was carried out. The experimental results showed that the compound fixed bed had good adaptability to the straw briquette fuel, the temperature distribution in the furnace was reasonable, the stability of the chemical reaction equilibrium was achieved, and the gasification efficiency was as high as 75.4%. At the same time, the second air flow rate had obvious influence on the combustion temperature, as well as on the calorific value of gas in the gas combustion zone. Through the high temperature field of the tar cracking zone, tar in gas could be cracked in the furnace more completely, and the gas had a higher calorific value.

∶straw briquette fuel；compound fixed bed；low tar gasification

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.011

2016-11-22

山東省自然科學(xué)基金(2015ZRC01002)

張衛(wèi)杰(1980—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能技術(shù)。E-mail：zhangwj@sderi.cn

TK6

A

1002-4026(2017)04-0067-06