第26卷第5期可再生能源Vol.26 No.52008年10月Renewable Energy ResourcesOet. 2008Imbert式氣化器生物質(zhì)氣化綜合試驗研究劉建坤'，孟凡彬,李曉偉2，王貴路子，張大雷2(1.沈陽航空工業(yè)學(xué)院清潔能源與環(huán)境工程研究所,遼寧沈陽110136; 2.遼寧省能源研究所，遼寧營口15000)摘要:以木塊為原料,利用Imbert式氣化器進行氣化試驗.研究了在氣化器底部加設(shè)木炭層以及不同的還原區(qū)溫度對產(chǎn)出氣成分的影響規(guī)律。結(jié)果表明:加設(shè)木炭層使產(chǎn)出氣中CO2含量略有減少,Co含量略有增加,氣體品質(zhì)沒有明顯的改善,但是可以降低氣化器出氣口氣體的溫度;還原區(qū)溫度為800-900C時.可以獲得較好的產(chǎn)出氣品質(zhì)。關(guān)鍵詞: Imbet式氣化器:氣化;木炭;溫度中圖分類號: TK6; S216.4文獻標志碼: A文章編號: 1671-5292(2008)05 00204-03Comprehensive experimental study on biomass gasificationin imbert-gasifierLIU Jian -kun', MENG Fan- bin', L Xiao- wei?, WANG Gui-lu, ZHANG Da-lei?(1.Shenyang Institute of Aeronautical Engineering ,The Institute of Clean Energy and Environmental Engineering,Shenyang 110136, China; 2.Liaoning Insitute of Energy Resources, Yingkou 15000, China)Abstract: Experiment on wood gasification in an Imbert-gasifier was carried out. The influence ofthe charcoal layer at the botom of the gasifier and the different reduction zone temperature on thecomposition of the producer gas was studied. The results showed that when the charcoal layer wasput at the bottom of the gasifier, which is directly under the reduction zone, the volume percentageof CO2 of producer gas was slightly decreased, the volume percentage of Co of producer gas wasslightly increased, although the quality of product did not obvious improvement, but the tempera-ture of the producer gas at the gasifer outlet was decreased; and for obtaining qualified producergas, the proper temperature range of reduction zone were 800 -900 C.Key words: Imbert-gasifer; gasification; charcoal; temperature?引言影響。生物質(zhì)是唯一的可再生碳資源,其儲量巨大，1試驗內(nèi)容采用物理、化學(xué)和生物方法可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成固1.1 試驗原料態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。生物質(zhì)氣化就是利用熱化學(xué)本試驗選用北方常見的黃松木為原料,其尺轉(zhuǎn)換技術(shù)將利用效率較低的松散生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為利寸約為30mmx30mmx30mm,堆積密度約為230用效率較高的可燃氣體,這些氣體可被用做供熱、kg/m', 通過自然風(fēng)干使其含水率小于5%。原料工發(fā)電、炊事的燃料和合成醇醚的原料H4。業(yè)分析及元素分析結(jié)果見表1。常用的生物質(zhì)氣化器分為固定床氣化器和流表1原料元素分析和工業(yè)分析化床氣化器。固定床氣化器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡Table 1 Element & approximate analysis of biomass material便，熱效率高的特點。本試驗以空氣作為氣化介元素分析/%工業(yè)分析/%發(fā)熱量質(zhì),重點研究了在Imbert式氣化器底部加設(shè)木炭A目CHONSMV.AFCMIAE層以及還原區(qū)處于不同溫度時對氣化過程產(chǎn)生的木塊47.905.85 40.49 0.1 0 5.22 79.67 0.44 14.67 19.39收稿日期: 2008-09-12。.作者簡介:劉建坤(1979-),男.碩士研究生.研究方向為生物質(zhì)氣化技術(shù)。nmgjk@163.com通訊作者:張大雷(1963-).男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究。.24.劉建坤,等Imbert 式氣化器生物質(zhì)氣化綜合試驗研究原料的堆積密度較大，在氣化過程中不易形表2未加木炭層的氣體樣品分析數(shù)據(jù)成空腔和搭橋,可以建立穩(wěn)定、持續(xù)的反應(yīng)層。Table 2 Gas composition of the producer gas without1.2試驗裝置charcoal layer試驗的核心裝置為改進的Imbert式氣化器。COy% CH/% H/% 0/% N/% CHJ% C0/% LHVAJ.m'311.73 0.17 18.06 0.86 46.00 1.62 21.55 5 361.77在氣化器的不同部位布置熱電偶，用來監(jiān)測各反10.98 0.15 18.28 0.80 46.38 1.39 22.01 5 347.41應(yīng)層和出氣口氣體的溫度。該設(shè)備的主要特點是11.35 0.15 16.44 1.55 50.21 1.46 18.84 4776.23在喉部均勻布置了噴嘴，通過循環(huán)噴嘴的均布配11.20 0.15 18.11 0.74 46.87 1.47 21.46 s 288.848風(fēng),在噴嘴下方形成高溫氧化區(qū),使氣化反應(yīng)進行11.73 0.19 18.54 0.72 46.22 1.47 21.13 5 319.22_得更加充分,進一步提高了氣化效率;在喉口下部表3加設(shè)木炭層的氣體樣品的分析數(shù)據(jù)增設(shè)了還原炭層,使產(chǎn)出氣被進-步還原,增加了Table 3 Gas composition of the producer gas with charcoal layer氣體中的可燃成分,同時降低了產(chǎn)出氣溫度。C0O/% CHJ% H)% 0/% Ny% CH/% C0/% UHVNJ.m10.89 0.13 17.21 0.82 49.00 1.43 2051 5 044.94整個系統(tǒng)在負壓環(huán)境下運行，其動力由羅茨9.24 0.12 15.78 0.77 48.73 1.27 24.09 5274.21風(fēng)機提供，氣體流量大小通過調(diào)節(jié)回流閥的開關(guān)10.73 0.15 17.19 0.71 46.87 1.48 22.86 5 368.11程度來進行控制。系統(tǒng)工藝流程見圖1。9.30 0.00 14.40 1.04 50.66 1.19 23.41 4 934.389.48 0.11 16.29 1.15 49.32 1.28 22.37 5 110.23由表2,3的數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)出氣中CH，O2,N2,CH4等組分的含量未見變化，但在加設(shè)木.炭層氣化器的產(chǎn)出氣體中,C0含量略有增加,CO2含量略有減少,H2含量也有一定程度的降低。圖1系統(tǒng)工藝流程團在氣化器還原區(qū)內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng):C+CO2=Fig1 Process Aow chart of system2C0-162.41kJ，由吉布斯自由能計算結(jié)果得知，1-Imbert 氣化器;2-旋風(fēng)除塵器;3-噴淋器;4氣水分離器;當(dāng)還原區(qū)溫度達到714以上時，該反應(yīng)才能向5-過濾器;6-羅茨風(fēng)機正反應(yīng)方向進行。本試驗中還原區(qū)溫度為840C,1.3試驗過程及方法加設(shè)的木炭層的溫度明顯低于還原區(qū)溫度,因此試驗時,將氣化器一次性加滿料,封閉加料口反應(yīng)C+CO2=2CO并不能進行,但在還原層和木炭蓋。打開進氣口和出氣口的閥門,開啟羅茨風(fēng)機，層之間的過度區(qū)的溫度能夠滿足生成CO的溫度將回流閥完全關(guān)閉，使氣體流量達到最大,檢查是要求,使少量碳與CO2發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致氣化氣中否有漏氣點。確定系統(tǒng)密封完好后,打開點火門,CO含量略有增加，反應(yīng)前后木炭質(zhì)量和品質(zhì)沒調(diào)整合適的空氣流量，用點火棒點火,啟動氣化反有明顯變化也說明了這一一點。產(chǎn)出氣中H2含量略應(yīng),關(guān)閉點火門。當(dāng)產(chǎn)出氣能夠點燃且能持續(xù)穩(wěn)定微降低還缺乏合理的解釋,H2含量略微降低抵消燃燒時,說明氣化反應(yīng)已達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過取樣了CO含量略微增加對氣體熱值的貢獻。泵在羅茨風(fēng)機后的取樣管用取氣袋取樣，多余氣從布置在氣體出口處的熱電偶的溫度變化可體直接燃燒掉。采用美國生產(chǎn)的HP Varian 3800以看出,在氣化器底部加設(shè)木炭層,可以降低產(chǎn)出.氣相色譜儀分析產(chǎn)出氣成分。氣體的溫度。未加設(shè)木炭層時,產(chǎn)出氣體的最高溫2試驗結(jié)果及討論度可達300 C左右,加設(shè)木炭層后,產(chǎn)出氣的最高2.1木炭層的影響溫度為180 C左右。這是因為產(chǎn)出氣在經(jīng)過木炭在生物質(zhì)氣化過程中，產(chǎn)出氣體中的大部分層時的阻力增大,延長了氣體的滯留時間,所攜帶可燃成分來自于還原反應(yīng)，因此還原反應(yīng)進行的.的熱量被木炭層吸收用于加強還原區(qū)的反應(yīng)。產(chǎn)程度決定了產(chǎn)出氣體的品質(zhì)。為強化還原反應(yīng)過出氣體溫度的降低減少了熱量損失，提高了氣化程,在氣化器底部加設(shè)術(shù)炭層。在相同工況下,在器的熱效率。氣化器底部未加設(shè)和加設(shè)木炭層的產(chǎn)出氣成分分2.2還原區(qū)溫度的影響.析結(jié)果見表2,3。氣化溫度是影響氣化反應(yīng)過程的重要因素之.25.可再生能源2008 ,26(5)一，對產(chǎn)出氣體的組成、分布、氣體熱值有相當(dāng)大區(qū)溫度高于900C,H2的含量隨溫度升高而逐漸的影響。還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng),在還原區(qū)發(fā)生的主降低。還原區(qū)溫度接近900 C時,產(chǎn)出氣中H2含要反應(yīng)有量最高。C+C02=2C0-162.41 kJ(1)還原區(qū)溫度對氣體產(chǎn)串和氣化效率的影響見C+H20=C0+H2-118.82 kJ圖3。從圖3中可以看出,隨著還原區(qū)溫度的升C+2H20=CO2+2H2-75.24 kJ高，氣體產(chǎn)率和氣化效率逐漸增大，當(dāng)溫度為H20+CO=CO2+H2- -43.58 kJ(4)500-900 C時,氣體產(chǎn)率為1.70~2.14 m/kg,氣化要使還原反應(yīng)順利地進行，提高產(chǎn)出氣體的效率為40.3%-76.5%。質(zhì)量,必須對還原區(qū)提供足夠的熱量。試驗初期,士氣北數(shù)事產(chǎn)生的氣體無法點燃，這是因為在氣化器內(nèi)建立的氧化層，尚不能提供足夠的熱量來建立穩(wěn)定的-50還原層。當(dāng)還原層的溫度達到400C時，氣體能夠點燃,但是燃燒不穩(wěn)定。圖2給出了還原區(qū)溫度對5氣體組分含量的影響情況。50060070溫度/心圈3溫度對氣體產(chǎn)率及氣化效率的影響Fig.3 Inluence of reduction zone temperature on gas中15-production rate and gasification efciency3結(jié)論400 500 600700800900通過試驗研究和分析，可以得出以下一些結(jié)溫度心圈2溫度對產(chǎn)出氣組分的影響論。Fig.2 Infuence of reduction zone temperature on producer①在Imbet式氣化器底部加設(shè)木炭層,雖然gas composition不能明顯地改善氣體的品質(zhì)，但是可以顯著降低當(dāng)還原區(qū)溫度低于400C時，生物質(zhì)中的揮產(chǎn)出氣體的溫度,減少熱量損失,有效提高氣化器發(fā)分已大量析出,在氧化區(qū)反應(yīng)生成大量的CO2，的熱效率。雖然此時供氧量不足,揮發(fā)分不能完全燃燒,也會②溫度是生物質(zhì)氣化的重要影響因素，還原產(chǎn)生一定量的CO,但由于還原區(qū)的溫度不夠高，區(qū)溫度的升高,可以得到品質(zhì)較好的產(chǎn)出氣,氣體導(dǎo)致反應(yīng)(1)進行緩慢,因此,此時產(chǎn)出氣中CO2產(chǎn) 率和氣化效率均有提高。試驗結(jié)果表明,當(dāng)占有很大的比例。隨著還原區(qū)溫度的升高，反應(yīng)Imbert式氣化器還原區(qū)溫度控制在800~900C(1)的速率呈略微下降趨勢。當(dāng)溫度升高到700 C時,生物質(zhì)氣化效果最佳。以后,此時的熱量使反應(yīng)(1)的速率加快,CO2的參考文獻:含量迅速下降;同時反應(yīng)(2)的速率也開始加快,1] 應(yīng)浩,蔣劍春.生物質(zhì)氣化技術(shù)及開發(fā)應(yīng)用研究進展CO的含量隨溫度升高而迅速增加。當(dāng)還原區(qū)溫[]林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2005, 25(S);151-155.度達到900C以后，焦油和固定碳的含量隨反應(yīng)2] YAO BIN YANG, CHANGKOOK RYU, ADELA KHOR,的進行逐漸降低,CO2的含量會有所增加,CO的et al. Effect of fuel properties on biomass combustion.含量反而會減少。還原區(qū)溫度為850 C時,產(chǎn)出氣Part I1. Modelling apprach- idenifcation of the con-中CO含量最高。tolling fcors[].Fuel,200 ,84:2116 -2130.當(dāng)還原區(qū)溫度達到500 C以后,產(chǎn)出氣中H2[3] ORMEROD B. The disposal of carbon dioxide fromfossil fuel fired power stations [C]Eds Elsevier. Ams-的含量開始逐漸增加。隨著還原區(qū)溫度的升高,物terdam,1998.料產(chǎn)生的揮發(fā)分發(fā)生熱解產(chǎn)生H2，當(dāng)溫度達到4]蔣劍春.生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化行為特性和工程化研究800C時，部分熱解殘留的固定碳也開始與水蒸[D].南京:中國林業(yè)科學(xué)研究院,2003.氣發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)(2)的速率明顯加快,H2的含量5] 馬隆龍,吳創(chuàng)之,環(huán)立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應(yīng)用[M].迅速增加。隨后H2與02發(fā)生燃燒反應(yīng),使得還原北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.●26.