稻殼旋風(fēng)空氣氣化的機理研究

第29卷第3期太陽(yáng)能學(xué)報Vvol.29, No.32008年3月ACTA ENERCLAE SOLARIS SINICAMur. ,2008文章編號: 0254006(2008)03-03004稻殼旋風(fēng)空氣氣化的機理研究孫紹增，宿鳳明，趙義軍，凌峰(哈爾濱工業(yè)大學(xué)燃燒工程研究所,哈爾濱10001)摘要: 在稻殼旋風(fēng)空氣氣化的試驗中,通過(guò)對氣化反應過(guò)程中的各個(gè)階段進(jìn)行取樣分析，跟蹤燃氣中幾種主要成分的生成過(guò)程,了解稻殼空氣氣化的反應機理。通過(guò)試驗了解到:稻殼旋風(fēng)空氣氣化過(guò)程中,化學(xué)反應沒(méi)有明確分區氧化反應是個(gè)持續過(guò)程,隨著(zhù)揮發(fā)分的析出便已開(kāi)始, -直到氧氣完全消耗掉溫度達到最高;高碳氫化合物(焦油)的裂解反應貫穿整個(gè)氣化過(guò)程;氣化燃氣中的主要成分(C0、H、CH)是在還原反應階段產(chǎn)生的。關(guān)鍵詞:旋風(fēng)氣化;氣化燃氣;空氣當量比;裂解中團分類(lèi)號: TQ038.1文獻標識碼: A其氣化所產(chǎn)燃氣焦油含量相對較高。0引言本研究采用旋風(fēng)氣化工藝,是為生產(chǎn)低焦油高生物質(zhì)空氣氣化技術(shù)是生物質(zhì)熱化學(xué)轉換技術(shù)品質(zhì)的燃氣而設計,空氣攜帶稻殼物料和半焦顆粒的一種,一般為使生物質(zhì)物料中的有機物質(zhì)以空氣在氣化器內做旋流流動(dòng),同時(shí)完成氣化反應14-61。為氣化載體進(jìn)行不完全燃燒而產(chǎn)生低熱值燃氣(3.5旋風(fēng)氣化工藝在遵循生物質(zhì)氣化原理的基礎上,具~ 5.5MJ/Nm)"。目前,生物質(zhì)空氣氣化主要利用有氣固兩相混合充分傳熱傳質(zhì)快、反應過(guò)程可控等固定床(上吸式固定床、下吸式固定床)和流化床(循優(yōu)點(diǎn)78)。同時(shí)，由于旋風(fēng)空氣氣化過(guò)程中,熱解產(chǎn)環(huán)流化床、鼓泡床)兩種氣化工藝。-般認為,無(wú)論物要經(jīng)過(guò)高溫反應區,容易使所產(chǎn)焦油高溫裂解,從哪一種工藝,其氣化過(guò)程都要經(jīng)歷干燥、熱解、氧化而達到消除焦油的目的。和還原幾個(gè)反應階段23]。不同的氣化方式有其不同的技術(shù)特點(diǎn)和運行方式,也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。固1物料(稻殼 )的基本特性定床氣化強度小，規模不宜擴大;流化床傳熱傳質(zhì)劇本實(shí)驗采用的稻殼取自于黑龍江紅興隆農場(chǎng)，烈、氣化強度大,適合大規模氣化。但其氣化過(guò)程自然風(fēng)干后經(jīng)過(guò)粗略打碎處理,其堆積密度為190中,氣化溫度不宜太高，容易造成結焦搭橋現象,故kg/m' ,其稻殼的元素分析和工業(yè)分析數據如表1。表1稻殼的元素分析與工業(yè)分析Tablel Utimate and prorimate analysis of the tested rice husk元素分析/%工業(yè)分析1%熱值/MJ.kg'[C].[H][0][N]。[S]s[V].FC_38.074.9231.290.400.0559.2711.5013.2414.78機提供的空氣混合并被攜帶切向送入氣化器,其整2試驗 系統及過(guò)程套實(shí)驗系統如圖1。整個(gè)試驗系統主要包括主體氣化器、給風(fēng)加料氣樣經(jīng)過(guò)濾、冷凝、除焦油和干燥等處理措施系統、預熱及溫控系統和取樣系統4部分。物料顆后,送到色譜分析儀進(jìn)行成分分析。對氣化器內各粒由調速螺旋給料機送入物料引射器,與空氣壓縮.個(gè)反應階段分 別取樣時(shí)，利用熱電偶安裝孔做為取收稿日期: 200609022基金項目:黑龍江省自然科學(xué)基金(1307396)通訊作者:宿風(fēng)明(190-),男 ,博士研究生,主要研究方向為生物質(zhì)氣化及可再生能源利用。stfengming@eqoc. om3期孫紹增等:稻殼旋風(fēng)空氣氣化的機理研究371樣孔,拆除相應位置的熱電偶,安裝取樣槍。取樣槍真 ,采用等動(dòng)力取樣法,氣樣取出后迅速冷卻。伸人到氣化器簡(jiǎn)體和排氣管中間，為保證氣樣不失41Tr口改101.空氣壓縮機2.儲氣罐3.螺旋給料機4.物料引射器5.氣化器6.灰斗 7.點(diǎn)火孔8.液化氣9.取樣孔10.引風(fēng)機 11.纖維過(guò)濾器12.冰水冷卻器 13.水分分離瓶14.焦油分離瓶 15.色譜分析儀圖1稻殼旋風(fēng)氣化系統圖Fig.1 System of air eylone gsificatin of rice husk氣化器的啟動(dòng)需要采用電加熱器預熱,當氣化到650C時(shí)即可啟動(dòng)氣化器運行。約20min后氣化器運行后加熱器自動(dòng)停止工作。圖2是預熱及溫控器運行穩定,進(jìn)行溫度記錄和氣化燃氣的取樣分析，系統示意圖,在主體氣化器上沿軸向均勻布置8個(gè)每一工況取樣3次,取平均數作為分析數據。鎳鉻-鎳硅熱電偶,用來(lái)監測氣化過(guò)程中氣化器各部在生物質(zhì)的空氣氣化中,當量比ER是一個(gè)很分的溫度,熱電偶由上到下分別編為1~8號。所有重要的參數。為了增大中間產(chǎn)物的濃度,減小空氣的熱電偶信號采用溫度巡檢儀采集記錄。中氮氣的影響，本試驗采用較小的空氣當量比ER=0.23,即空氣量為13m'/h,給料量為16.4kg/h。3.2 溫度場(chǎng)的分析接觸器L空氣圖3為試驗過(guò)程中的氣化器內溫度分布曲線(xiàn)，由圖中的溫度場(chǎng)曲線(xiàn)可以看出:常溫下的空氣和物料進(jìn)入氣化器后立即被加熱到300C以上，這部分熱量主要來(lái)自于氣化器高溫區的輻射熱,也有一部電加熱器分是由于高速湍流空氣流進(jìn)人氣化器時(shí)卷吸氣化器內的高溫煙氣形成的對流換熱。隨著(zhù)物料和空氣在氣化器內下移,溫度逐漸升高,到達第6測溫點(diǎn)時(shí)達熱電偶到最高值(約1150%)。在氣化器底部,氣化燃氣出1200r1100溫控儀澀度巡檢儀1000900圖2氣化器預熱及測溫系統暫800Fg.2 System of warm-u甲p and thermoecope on gasifer7006003試驗結果與分析S5003.1試驗過(guò)程及試驗參數40012345678本試驗將稻殼進(jìn)行粗略打碎處理后作為物料。圖3氣化器內的溫度場(chǎng)曲線(xiàn)試驗過(guò)程中,首先對氣化器進(jìn)行預熱,當預熱溫度達Fig.3 The curve of temperature feld in gasifer372太陽(yáng)能學(xué)指29卷口的位置溫度開(kāi)始下降,出口溫度約1000C。值得度恰恰達到了一氧化碳的著(zhù)火溫度(641~658C)，注意的是,在第2到第3測溫點(diǎn)的位置,溫升較快，這說(shuō)明 -氧化碳- -達到著(zhù) 火溫度就迅速和氧氣發(fā)生說(shuō)明該處有突然的放熱反應發(fā)生。反應而被消耗掉;經(jīng)過(guò)第5取樣點(diǎn)之后,-氧化碳的3.3產(chǎn)品氣主要成分生成過(guò)程的分析濃度大幅度增加到約24% ,說(shuō)明產(chǎn)品氣中的一-氧化本試驗為了跟蹤產(chǎn)品燃氣中主要成分的生成過(guò)碳主要來(lái)源于還原反應階段。程,從氣化器中抽取氣樣,對-氧化碳.二氧化碳、氫4)從甲烷含量的變化曲線(xiàn)可以看出,在第5取氣和甲烷進(jìn)行含量分析,主要成分的體積含量在氣樣點(diǎn)之前甲烷的含量很小，幾乎檢測不到,直到第5化器各個(gè)位置的變化如圖4。點(diǎn)以后開(kāi)始增加。由于甲烷的著(zhù)火溫度相對較高從成分含量的跟蹤曲線(xiàn)可以看出:(650~ 750C),相對化學(xué)活性較弱。這說(shuō)明在有氧1)氧氣量在第5取樣點(diǎn)之前逐漸減少,說(shuō)明氧氣存在的環(huán)境中,稻殼揮發(fā)分還沒(méi)有充分裂解產(chǎn)生化反應是隨著(zhù)稻殼物料揮發(fā)分的析出開(kāi)始的。從氧甲烷時(shí)就已經(jīng)被氧化燃燒掉。只有經(jīng)過(guò)第5取樣點(diǎn)氣量減小的幅度來(lái)看,在第2和第3取樣點(diǎn)之間氧以后，,沒(méi)有了氧的存在，甲烷方能生成。氣量減少較快.這說(shuō)明在此區間發(fā)生了較大部分的5)氫氣含量的變化趨勢和一氧化碳大體相同，氧化反應。根據氣化器在此工況下的溫度分布曲線(xiàn)在沒(méi)有 達到著(zhù)火點(diǎn)之前,其含量雖然很小,但也路呈可知，此處的溫度在450~ 600C之間,表明熱解氣上升趨勢,到達其著(zhù)火點(diǎn)(第3和第4點(diǎn)之間處)以中已經(jīng)分離出部分小分子碳氫化合物或氫,因為其后,在第4點(diǎn)取出的氣樣中檢測不到氫氣存在,說(shuō)明化學(xué)活性較強,一經(jīng)產(chǎn)生馬上氧化,并放出大量的已被氧化燃燒掉。經(jīng)過(guò)第5到第6取樣點(diǎn)氫氣濃度熱。氧氣量在第5取樣點(diǎn)之后,濃度迅速減小到約開(kāi)始增加,氫氣-方面由水蒸汽和固定碳或氧化碳0.25% ,并保持不變。這說(shuō)明氣化過(guò)程中氧化反應反應生成,如方程式(2)、(3)等。發(fā)生在第5取樣點(diǎn)之前,其后的反應基本沒(méi)有單質(zhì)C+ H20 +CO+ H2- 131.3kJ(2)氧參與。CO+ H20→CO2+ H2 +41.1kJ溫度/C另-方面由未完全裂解的高碳氫化合物裂解產(chǎn)423 492 6538131006975875802生。在第6取樣點(diǎn)到第7取樣點(diǎn)之間,氫氣含量基24-本保持不變。說(shuō)明在該條件下,氫氣參與了一些反思16-應,如化學(xué)方程式(4)~(6)等,生成甲烷等其它成書(shū)12-分。i82C0 + 2H2→CH + CO2 + 247.3kJ(4)CO + 3H2→CH + H20+ 206.1kJ(5)CO2 + 4H2-→CH4 + H20 + 165.0kJ(6)取樣點(diǎn)圖4產(chǎn)品氣主要成分在氣化過(guò)程中變化曲線(xiàn)4結論Fig.4 Curve of main components in producer1)稻殼的空氣氣化所產(chǎn)生的燃氣主要來(lái)自于物gas in gaifeation coure料的揮發(fā)分,固定碳參與反應并不多;2)從二氧化碳的含量變化來(lái)看,在第3取樣點(diǎn)2)揮發(fā)分的裂解反應存在于整個(gè)氣化過(guò)程,尤增幅較大,說(shuō)明有氧化反應發(fā)生。二氧化碳的含量其在還原階段的裂解反應能否充分對氣化燃氣品質(zhì)在第5取樣點(diǎn)處達到最大值(約22%),以后開(kāi)始減的影響較大;少,但幅度不大。這說(shuō)明預期的二氧化碳和固定碳3)生物質(zhì)氣化過(guò)程中包含大量復雜的化學(xué)反之間的異相反應(式(1))并不多。應,在- -定反應條件下,各個(gè)成分之間相互轉化。C+ CO2→2C0- 172.4kJ(1)[參考文獻] .3)從一氧化碳含量的變化曲線(xiàn)可以看出,在第3取樣點(diǎn)之前,一-氧化碳的含量緩慢增加,第3點(diǎn)和[1] 陳冠益， 方夢(mèng)祥.生物質(zhì)流化床的試驗研究及設計要第4點(diǎn)之間又呈下降趨勢,在第3取樣點(diǎn)區域的溫點(diǎn)[J].浙江熱力發(fā)電，999,(5);18-23.3期孫紹增等:稻殼旋風(fēng)空氣氣化的機理研究373[2] 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Biomass and Bioenergy,THE STUDY ON MECHANISM OF RICE HUSK AIRGASIFICATION IN CYCLONE GASIFIERSun Shaozeng, Su Fengning, Zhao Yijun, Ling Feng(Reseurch Intiute of Combusion Enginecring, Harbin lusinte of Tochnology, Harbin 1000, China)Abstract:The experimental study was made on air eyclone gasification of nice husk. The main components of the producergas were measured during the gasification process by means of sampling in diferent position in the gasifer, in order tounderstand the gasification mechanism deeply. The results indicated that the oxidation reactions take place when the vola-tile began to release and last until the oxygen was exhausted, indicating that the pyrolysis reactions undengo during thewhole gasification. The main conponents of the producer gas(CO, H and CH4) were formed in the reduction zone.Keywords:cyclone gasification; producer gas; air equivalence ratio; pyrolysis