節(jié)2009年第9期ENERGY CONSERVATION(總第326期)上吸式生物質秸稈氣化爐的設計與試驗研究楊少鵬,薛勇,牛廣路(西南科技大學固體廢物處理與資源化省部共建教育部重點實驗室,四川綿陽621010)摘要:設計一臺上吸式生物質秸稈氣化爐,并進行熱解氣化試驗,分析不同氣化劑量對爐內(nèi)溫度的影響以及溫度和秸稈種類對產(chǎn)氣成分的影響。試驗結果表明:氣化劑量對爐內(nèi)溫度及爐內(nèi)溫度對產(chǎn)氣成分含量的影響均較大;秸稈種類也對產(chǎn)氣的熱值有較大的影響,稻草熱解可燃氣熱值4.1MJ/m' ,油萊稈熱解可燃氣熱值4.9M/m’,玉米稈熱解可燃氣熱值5.5MI/m'。關鍵詞:上吸式氣化爐;爐內(nèi)溫度;燃氣成分中圖分類號:X712文獻標識碼:A 文章編號:1004 - 7948(2009)09 -0006 -03引言Q。=4. 6MJ/m'。各種生物質的低位熱值如表1所生物質氣化是最早實現(xiàn)商業(yè)化應用的生物質能示,取其平均值Q = 14.931MJ/kg;根據(jù)生物質秸轉化技術之一-。20世紀70年代,Gahly等[1首次提稈在爐體壓實后取其密度p=50kg/m'。出了將氣化技術用于能量密度較低的生物質燃料，表1生物質秸稈工業(yè)分析使生物質氣化的研究重新活躍起來。不同學科的相名稱揮發(fā)分/%灰分/%固定碳/%水分/%熱值/MJ.kg-'互滲透,使這一技術發(fā)展到新的高度。生物質作為油菜稈79.854.2286.810. 16114. 619一種相對穩(wěn)定的可再生資源已經(jīng)成為世界大多數(shù)國玉米稈68.24 7.5116.89 7.3616. 672家研究利用的焦點(2。生物質熱解氣化技術的發(fā)稻草79.9110. 73517.149. 55013. 502展,對于解決能源與環(huán)境這--世界突出問題具有重1.2爐體結構[6]要意義[3-4) ,也為我國生物質能源的利用提供了理根據(jù)標準狀態(tài)下單位質量生物質熱解氣的氣化論基礎。所謂生物質熱解氣化技術，就是將生物質固體效率η=Qo●G/Q ,可知爐內(nèi)膛的容積為:Vuτ=Vq. Qo/(η.Qi .p)原料置于高溫環(huán)境,通過熱分解和化學反應將其轉式中:VEr-爐內(nèi)膛容積,m';V,-氣體產(chǎn)量,m';化為氣體燃料和化學原料氣體(合成氣體)等氣態(tài)Q。一冷氣體熱值,M/m';G- -冷 氣體產(chǎn)率, m'/kg;物質的過程,生物質固體原料轉化的氣體稱為燃氣。Q一原料熱值,MJ/kg;p- -秸稈在爐體壓實后的密在我國,目前常用的生物質固定床氣化爐按照度,kg/m'。鼓風方法不同和燃氣相對于燃料流動方向不同,通由此得到的爐內(nèi)膛的容積為VLT = 0.039m'。常分為.上吸式、下吸式和平吸式”]。本文在比較了3種氣化爐的優(yōu)缺點之后選擇設根據(jù)爐膛計算容積,設計氣化爐的外徑D = 36cm,高度H = 80cm,殼體為鋼板,內(nèi)壁涂敷耐火材料,內(nèi)計上吸式氣化爐。膛的容積約為0. 04m'。1試驗氣化爐的設計圖1所示為試驗用氣化爐的爐體結構示意圖。1.1設計依據(jù).該氣化爐在設計.上以國家農(nóng)業(yè)部秸稈氣化驗收1.3氣化爐氣化劑需用量的計算規(guī)范和技術條件( NY/T443 - 2001 )的指標為設計1.3. 1生物質秸稈完全燃燒所需要的空氣量V依據(jù),其具體指標為:氣化效率η≥70% ,燃氣熱值生物質秸稈含有碳、氫、氧、氮硫等元素,各種秸稈元素分析如表2所示?！?.6MJ/m'。中國煤化工以在計算中不考因此,取氣化爐的氣化效率η=70% ,燃氣熱值慮氦YHCNMHG基金項目:教育部固體廢物處理與資源化重點實驗室基金(項目編碳完全燃燒的反應:號:08xgp02).C+02=CO212kg24m.2009年第9期節(jié)能(總第326期)ENERGY CONSERVATION--7一氧量的20% ~30%。選蘭盤↓水衛(wèi)封橫0.70pN;可燃氣0.60-\刪溫孔0.50H保溫層s 0.402內(nèi)膛+ 0.30-氣日妒柵-0.20CO,H,O排灰口0.10圖1 氣化爐體結構示意圖0.200.400.600.801.00 T.20當量比σ。表2生物質秸稈元素分析圖2燃氣成分和空氣的關系名稱C含量/% H含量/% N含量/% 0含量/% S含量/%油菜稈41.286.5210. 3237. 2790.211考慮到實驗裝置漏氣和氣體分布不均等因素，玉米稈41.825.5250.8344. 2350.223取當量比為ao =0.3,則氣化所需用的空氣量:V=6. 1030.5734. 414.0.138a。xV=0.3 x3.99=1.197m'/kg。平均值40.536.0500.573 38. 6430. 191氣化劑流量直接影響氣化爐產(chǎn)氣量的多少與質量。氣化劑流量大,產(chǎn)氣量大,但易造成過氧燃燒,1kg碳完全燃燒需要1. 9m'氧氣。致使可燃氣體成分減少,燃氣熱值低;氣化劑流量氫完全燃燒的反應:小,則造成缺氧燃燒,氧化和還原反應均不充分,產(chǎn)4H+ 02 =2H2O4k3 224m3氣中可燃成分少,使產(chǎn)氣質量下降間。1kg氫完全燃燒需要5. 6m'氧氣。目前大多數(shù)氣化爐的供風系統(tǒng)的送風口都是在原料中已經(jīng)含有[0],相當于已經(jīng)供給[0] x爐體的側面,在原料下落和氣化過程中灰分會將通22. 4/32 =0. 7[0]m'氧氣,按氧氣占空氣的21%計風口堵塞,氣體在爐內(nèi)的分布也不夠均勻,造成氣化算。則生物質秸稈完全燃燒所需用的空氣量為:劑不能夠均勻地與原料接觸。該氣化爐采用特殊供V= (1/0.21) x(1.9[0] +5.6[H] -0.7風方式,避免了原料和灰分與進風口直接接觸,使得[0]) .氣化劑能夠均勻地在爐內(nèi)分布。由表2給出的生物質秸稈所含的主要元素含量2試驗分析.為:[C] = 40.53%,[H] = 6.0505%,[0] =2.1試驗材料與設備38. 643%。試驗使用自行設計的上吸式氣化爐(見圖1)。生物質秸稈完全燃燒所需用的空氣量:原料是油菜稈.玉米稈、稻草。其工業(yè)和元素分析如V= (1/0.21) x (1.9[0] +5.6[H] -0.7表1、表2所示。物料稱重采用TGT-100型臺秤,[0])=(1/0.21) x(1.9x40.53 +5.6x6. 050-秸稈破碎用9FQ-20多用粉碎機,氣體采樣用0.7 x38.643) =3. 99m'/kg。100ml全玻璃注射器,供風采用CZR型120W離心1.3.2生物質秸稈氣化所需用的空氣量V。式交流鼓風機,管道風速測定采用QDF - 2A型熱圖2中的曲線是生物質氣化時空氣的當量比與球式電風速儀,爐內(nèi)溫度測定用WRN型熱電偶和產(chǎn)氣成分之間的關系曲線!”。電子式溫度指示控制儀,氣體成分分析采用QF型當量比為0時,沒有氧氣輸人,直接加熱原料的1901 - 1904型奧式氣體分析儀。反應屬于熱分解反應,雖然可以產(chǎn)生H2、CO、CH。2.2試驗步驟等可燃氣成分,但是產(chǎn)氣中的焦油含量會很高,且占,保證氣化爐和管物料質量30%的碳不能同時轉變成可燃氣體。當?shù)老抵袊夯ふＪ褂?將原料量比為1時,原料與氧氣完全燃燒,不能產(chǎn)生可燃氣破碎CNMHG體。只有當量比為0.2~0.3時,產(chǎn)出的氣體成分比(2)加人爐體一些引燃物(0.5kg原料燃燒),較理想，即氣化反應所需用的氧僅為完全燃燒時耗升高氣化爐的溫度,然后將4kg原料填人爐體內(nèi)部,節(jié)能2009年第9期ENERGY CONSERVATION(總第326期)并壓實,同時將兩個熱電偶從下到上依次從測溫孔圖4所示為氣化量為2.4m'/h時熱電偶溫度(見圖1)插人爐體內(nèi)部,記錄熱電偶的初始溫度。隨時間的變化情況。此氣化劑量符合氣化比的要(3)打開鼓風機,調節(jié)風速儀閥門,使風速保持求。1號熱電偶的溫度先升高后略有下降,2號熱電在一定值(根據(jù)進風管徑換算成流量) ,將空氣送人偶溫度在后期超過1號熱電偶,此時燃燒層向上移爐體內(nèi)部。動,兩個熱電偶升溫速率都較快,短時間就到達了熱(4)此后,每5 min記錄熱電偶的數(shù)值,每解所需要的溫度400C,達到的最高溫度也超過了10 min收集氣體- -次,并進行分析。700C ,可以產(chǎn)生較好的熱解效果。2.3試驗結果圖5所示為氣化劑量為3.3m'/h時熱電偶溫圖3、圖4、圖5反映了在不同的氣化劑量的情度隨時間的變化情況。此1號、2 號熱電偶的溫度況下,氣化爐內(nèi)部下層溫度和氣體的成分在開始試隨時間先升高后下降,2號熱電偶的溫度在后期也驗1 h內(nèi)的變化。超過了1號熱電偶的溫度,兩個熱電偶升溫速率升700溫速率較快,達到的最高溫度也超過了700C。從圖3 ~5的熱電偶溫度對比可以知道:氣化爐400內(nèi)溫度均隨著時間的增加而增加;在達到最高溫度300后,圖4、圖5所示的溫度略有下降,圖5所示的溫0000 t度在后期下降的速率較大;圖3的溫度沒有明顯的0 5 10152025 3035 4045 505560 '下降趨勢,說明在低的氣化劑流量下,需要達到最高’ 時min圉3在氣化劑 為1.8m/h條件下,溫度、.溫度的時間較長,影響熱解氣化效果。氣化劑的流氣體成分隨時間的變化量對升溫速率影響比較大,升溫速率隨氣化劑流量的增多而增大;然而氣化劑量過大會使得實驗后期900r800-溫度下降較快,同樣影響了熱解氣化效果。此外,氣一600恐人014世十號熱電偶化劑的流量大小對其最高溫度也有影響,氣化劑量包400大,達到的最高溫度也高;在低的氣化劑量的情況配300-200下,2號熱電偶的溫度- -直低于1號,升溫速率相差1060 0 510152025 10354045 505560 0較大;在較高的氣化劑量的情況下,1號和2號熱電偶升溫速率較大,也比較接近。圖4在氣化劑量為 2.4m'/h條件下,溫度、2.3.2氣化劑量、溫度對可燃成分含量的影響從圖3 ~5中的氣體成分對比還可以知道:氣化劑量小時,氧氣含量相應減少,造成燃燒效果差,燃700上600.氣中的CO2含量少;氣化劑量大時,氧氣含量相應。500這400-增大,燃燒產(chǎn)生的CO2含量亦會提高;燃氣中H2和湖300200-1CO的含量不僅和氣化劑量有關，和溫度也有密切100 H關系。在試驗過程中,H2和CO的含量隨時間的延005 152503404550560時間/min長先增加后減少,其規(guī)律和溫度變化趨勢相近;CO2圖5在氣化劑量 為3.3m*/b條件下,溫度、.的含量則隨時間的延長先減少后增加,其規(guī)律和溫度的變化趨勢相反;在高溫時,H2、CO、CH4的含量2.3.1氣化劑量對爐內(nèi)溫度的影響較低溫時高,CO2和O2的剛好相反,在高溫時含量圖3所示為氣化劑量為1. 8m'/h時熱電偶溫比低溫時低。舊縣0..CH.的含量的變動范圍較度隨時間的變化情況。此氣化劑量下,升溫速率低,小,中國煤化工達到較高的溫度需要的時間長,尤其是2號熱電偶YHCNMHG燃燒不充分,溫度升溫速率更低,達到的最高溫度不到300C,對熱解升高慢,使得爐內(nèi)溫度較低,熱解氣可燃成分含量產(chǎn)生很大的影響,達不到好的熱解氣化效果。低;氣化劑量大,雖然可以升至較高的溫度,但是空2009年第9期節(jié)能(總第326期)ENERGY CONSERVATTON一9經(jīng)濟實用高效型日光大棚的蓄熱保溫性能分析洪麗華,閻軍顯(營口市中等專業(yè)學校,遼寧營口115000)摘要:為研究經(jīng)濟實用高效型日光大棚的蓄熱保溫性能,對大棚墻體、前底角、室體、地表的溫度變化及所適應經(jīng)濟作物進行了生產(chǎn)實驗,生產(chǎn)實驗結果及記錄數(shù)據(jù)說明:白天大棚磚土混合墻體及地表接受太陽輻射而蓄熱;夜間隨室外溫度的降低棚內(nèi)墻體及地面溫度高于棚室內(nèi)溫度時開始放熱,磚土混合墻體具有非常好的蓄熱保溫性能,完全能夠滿足冬、春兩季經(jīng)濟作物生長的溫度需要。關鍵詞:日光大棚;經(jīng)濟實用;蓄熱保溫;磚土混合墻體;經(jīng)濟作物中圖分類號:TU855文獻標識碼:B 文章 編號:1004 - 7948(2009)09 -0009 -03引言理,其吸熱蓄熱能力強。加之科學種植,可取得很好經(jīng)濟實用高效型8光大棚利用棚內(nèi)墻體及土壤的經(jīng)濟效益。多年生產(chǎn)實驗研究結果及記錄數(shù)據(jù)表吸熱保溫來為棚內(nèi)經(jīng)濟作物生長提供溫度條件,并明,該大棚種植的經(jīng)濟作物比同地區(qū)大棚的早成熟很好地解決了北方因冬春季溫差大引起的問題。采20~30天。用磚土混合墻體作為日光大棚的主體結構,建造簡1經(jīng)濟實用高效型日光大棚簡介單,造價低,節(jié)省墻體占地面積。利于機械化操作管日光大棚位于遼寧營口市,該地冬季平均日照氣過量容易形成局部燒穿現(xiàn)象,影響傳熱,使得熱解解氣化的關鍵因素,溫度的提高和升溫速率的加快過程不能持續(xù)進行,也造成可燃氣成分含量較低。促進了氣化的過程。由于不同秸稈的元素含量、揮因此氣化劑量是熱解氣化的關鍵因素。發(fā)分等不同,熱解產(chǎn)生的可燃氣體成分差異較大,導2.3. 3秸稈種類對熱解氣熱值的影響致產(chǎn)氣的熱值不同,所以選擇不同的原料是產(chǎn)生高.表3所示為不同種類秸稈熱解后的可燃氣成分熱值氣體的基礎。有些秸稈(如稻草)由于其灰分.及熱值的測定結果。較大,產(chǎn)生的氣體熱值低,不適合單獨作為氣化原表3生物 質秸稈熱解氣化產(chǎn)生的主要氣體成分分析和熱值料,可以和其他原料配合使用。低位熱值參考文獻名稱CO2/% O2/% CO/% H/% CH2/%/MI.M-3[1 ]Gahlym, Prekorz J. The hydro gasification of wood[J]. Ind稻草15.5 2. 115.2 13.22.24.1Eng Chem Res , 1988 ,27 :256 - 264.油菜稈13.4 1.918.2 16.24.9[2]Chen G, Andries J, Splienthoff H, et al. Biomass gasifica-tion integrated with pyrolysis in a circulating fluidized bed玉米稈13.2 1.920.2 18. 62.[J]. Solar Energy ,2004 ,76 :345 - 349.由表3可以得出,稻草、油菜稈、玉米稈中玉米[3]邱鐘明.陳礪.生物質氣化技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[可再生能源,2002,(4):16-19.稈的熱值最大,稻草的最小。[4] Maniais. K, Beenackers AACM. IEA bioenergy gasifica-tion task[ A]. Biomass and bioenergy [ C]. Poland: Kra-3結論kow ,2000,1 -4.目前我國還沒有氣化爐的設計手冊,該課題是[5 ]Zhang Quanguo ,et al. Study of the purifier of biomass gas-ifcation system[ A ]. International Conference on Agricul-按照國家農(nóng)業(yè)部秸稈氣化驗收規(guī)范和技術條件tural Engineering[ C]. (99 - ICAE) , 99912: M59 -61.(NY/T443 - 2001)的指標為設計依據(jù),設計了秸稈[6]李鵬, 吳杰,王維新.戶用型上吸式生物質氣化爐的改進設計[J].農(nóng)機化研究.2008 ,(5):76- 78.氣化實驗裝置,并在其上進行了生物質秸稈的熱解[7]宋秋， 任永志,環(huán)波.生物質氣化爐設計要點[J].可再生氣化試驗。[8中國煤化工，t選擇芻議[J].全國實驗表明:氣化劑量的確定是熱解氣化的關鍵，MYHCNMHG它直接影響到爐內(nèi)的溫度和升溫速率,并影響爐體作者簡介:楊少鵬(1983-),男,河南鄭州人,碩士在讀,研.不同位置的溫度變化情況。而溫度和升溫速率是熱究方向:固廢污染控制與大氣污染控制設備。收稿日期:2009 -08 -09;修回日期:2009 -08 -20