玉米秸稈成型燃料在復合式固定床中的氣化試驗

張衛杰，關海濱，姜建國，孫榮峰，范曉旭，楊立國，劉作，胡安全

(1.山東省科學院能源研究所，山東 濟南250014；2.山東省生物質氣化技術重點實驗室，山東 濟南250014；3.濟南鍋爐集團有限公司，山東 濟南250023)

玉米秸稈成型燃料在復合式固定床中的氣化試驗

張衛杰1，關海濱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.山東省科學院能源研究所，山東 濟南250014；2.山東省生物質氣化技術重點實驗室，山東 濟南250014；3.濟南鍋爐集團有限公司，山東 濟南250023)

本文利用復合式固定床中試裝置，通過調整一次空氣量、二次空氣量、進料量等參數，控制各反應區溫度和反應深度，對玉米秸稈成型燃料進行了氣化試驗研究。試驗結果表明，復合式固定床對成型燃料具有較好的適應性，爐內各區的溫度分布合理，各區實現了穩定的化學反應平衡，氣化效率達75.4%；二次風量的大小對氣體燃燒區燃燒溫度、產氣熱值的變化影響明顯；通過焦油裂解區的高溫溫度場能夠實現燃氣中焦油在爐內較為完全的裂解，所產燃氣具有較高的熱值。

秸稈成型燃料；復合式固定床；低焦油氣化

在生物質能利用技術中，直燃和氣化是兩種可以較大規模利用生物質的技術路線[1]。生物質直燃電廠，將農林廢棄物替代煤直燃發電，回避了氣化工藝中焦油難以去除、燃氣凈化帶來的二次污染等問題[2]，大大推動了生物質能的利用。但由于生物質資源能量密度低、收集貯運不便，導致直燃利用方式的經濟性較差，且生物質能是各類可再生能源中唯一含碳的物質能源，直燃利用較為浪費[3]。氣化利用技術路線，可以根據區域資源狀況實現生物質燃氣、生物質炭、木醋液聯產，滿足區域用能需求，實現電、氣、冷、熱聯供。氣化利用技術路線還可以根據投資規模，進一步延伸發展生物質制氫和生物質制取甲醇、二甲醚等生物質化工。隨著生物質燃氣焦油去除凈化技術的發展，氣化利用中的焦油難題逐步得到解決，利用氣化技術對農林廢棄物進行資源化、能源化、高值化綜合利用越來越引起研究者的關注[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壓縮為成型燃料，這種做法在我國得到了普遍應用。本文利用復合式固定床低焦油氣化中試裝置，對玉米秸稈成型燃料進行了氣化試驗研究。

1 燃料分析

對玉米秸稈成型燃料進行燃料的元素分析、工業分析、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

分析結果見表2。根據燃料的元素分析結果，計算理論空氣量，選取不同的氣化當量比，確定一、二次風量總和。工業分析的結果則可用以確定一、二次風量的配比。熱值分析(熱值(LHV)為15 352 kJ/kg)可以為根據氣化裝置容積負荷確定原料處理量、計算氣化效率提供依據。關注成型燃料的灰熔融性可以指導確定試驗運行中燃燒區的溫度上限值，避免出現過多的結渣現象。

表2 玉米秸稈成型燃料的化學分析

注：燃料為空氣干燥基。

2 復合式固定床低焦油氣化中試裝置

傳統的生物質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，但粗燃氣焦油含量高、加料困難；下吸式的氣化爐產氣質量穩定、出爐燃氣焦油量較上吸式低，但氣化效率、熱效率低。在生物質熱解氣化過程中，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[6-8]。在傳統的固定床氣化裝置中，無論上吸式還是下吸式，熱解、燃燒、還原各反應階段在爐內空間上分界并不明顯，而是存在交叉。生物質燃料密度小，揮發分含量較高，熱解后燃料體積收縮變化較大，各反應層交叉，很難在物理空間上為焦油裂解提供一個穩定的高溫環境。

復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點，利用內置熱解筒對爐內空間進行物理分隔，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相對分開又有機耦合。該裝置頂端可以敞開式進料，底端通入的一次風可以冷卻保護爐排，中部的二次燃燒區使焦油組分得到更為充分的裂解，最終獲得清潔的生物質燃氣，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。燃料通過皮帶機自爐頂均勻連續送入氣化爐內。燃料首先在熱解筒內受到外壁1 000℃左右高溫燃氣的間接加熱，進行熱解反應，揮發分析出產生的熱解氣，被引風機引至氣化爐中部，通過二次風燃燒器，與爐外的二次空氣發生燃燒反應。通過控制二次風量，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設置的焦油裂解區，焦油裂解區為蓄熱磚砌筑而成，裂解區吸收熱解氣的顯熱，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，從而達到在爐內去除焦油的目的。燃料在熱解筒內熱解產生的半焦碳，在重力作用下在爐排上方形成高1.6 m的碳層。爐底的一次風通過塔式爐排環形縫隙均勻布風后，送入爐內。在一次空氣的作用下，爐排上部的碳得到較為完全的燃燒，生成的灰被旋轉爐排連續排出爐外后通過冷渣機冷卻；生成的煙氣則向上通過碳層發生還原反應，生成一氧化碳，與熱解氣一起自氣化爐頂端排出爐外。

圖1 生物質復合式固定床氣化中試裝置Fig.1 Biomass combined fixed bed gasification pilot plant

中試系統中，引風機選用羅茨風機，額定流量為800 m3/h。一次風機、二次風機為9-19型離心風機，額定流量均為300 m3/h。引風機、一次風機和二次風機均可變頻調節轉速以調整引風量和進風量。氣化爐體設置5個溫度測點，自T1～T5分別檢測燃燒區、還原區、氣體燃燒區、焦油裂解區、出氣區等5個區域的溫度。通過紅外氣體分析儀(Gasboard-3100P)連接燃氣取樣口，在線檢測并記錄燃氣成分。

3 試驗結果及討論

通過試驗，研究玉米秸稈成型燃料在復合式固定床氣化爐中的氣化特性。通過調整一次空氣量、二次空氣量、進料量等參數，控制各反應區溫度和反應深度，研究爐內溫度分布規律、二次風量對焦油裂解區溫度的影響、焦油裂解區溫度對焦油裂解的影響和二次風量對燃氣熱值的影響，并測試計算了氣化效率。

3.1 爐內各區溫度分布

生物質氣化裝置運行時，爐內溫度的變化是化學反應狀況的直接表征。燃料進料量250～300 kg/h、一次風量80～100 Nm3/h、二次風量160～200 Nm3/h狀況下，如圖2所示，爐內各測點處溫度基本保持平穩變化，這說明爐內各區的化學反應處于基本平衡的狀態。燃燒區溫度T1在800～900 ℃之間，此時，燃燒區的生物質炭在一次空氣作用下發生異相擴散燃燒，反應速度取決于在碳粒表面氧和碳的化學反應速度，即燃燒較大程度受動力因素控制[9-11]。試驗中通過一次風量的調整，將燃燒溫度控制在合理范圍內，一方面高于800 ℃可以為還原區提供足夠的熱量，另一方面低于900 ℃，避免出現結渣。

圖2 爐內各測點溫度Fig.2 Temperature of each measuring point in furnace

還原區溫度T2在650～700 ℃之間，說明C與CO2的還原反應完成后還保持較高的溫度，確保還原反應能夠正常進行。氣體燃燒區溫度T3溫度范圍在1 050～1 150 ℃，焦油裂解區溫度T4范圍為970～1 030 ℃。通過控制二次風燃燒器的進風量，以燃燒少部分熱解氣來提供焦油裂解區維持高溫溫度場所需熱量。出氣區溫度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新入爐的燃料熱解吸熱和焦油裂解區內焦油組分的裂解吸熱。

3.2 二次風量對焦油裂解區溫度的影響

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

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

3.3 焦油裂解區溫度對焦油裂解的影響

焦油裂解區溫度對焦油裂解的影響如圖4所示，經過1 000 ℃左右的高溫裂解，燃氣中的氫氣體積分數從18.31%提高到21.69%，燃氣中的其他組分如CO、CH4和CmHn等都有不同程度的下降，這是因為在二次風的作用下，少量熱解氣燃燒生成的煙氣增加了所產燃氣的體積。特別是輕烴氣體CmHn體積分數明顯下降，從3.12%下降到0.62%，這是因為氣化燃氣中輕烴組分的變化在焦油組分裂解時存在著一定的平衡機制：較大分子的焦油組分裂解為輕烴成分，同時輕烴又進一步裂解為CH4和H2[12]，輕烴氣體體積分數的顯著下降不僅因為二次風所致燃氣體積增加，還表征著爐內焦油組分的徹底裂解。從試驗過程中焦油的收集情況看，在收集物中只有燃氣中冷凝的水分和少量飛灰的混合物，并沒有檢測到表征焦油組分的苯、酚、萘等大分子物質，這也表明焦油組分在高溫環境中的裂解是徹底的。從旋風除塵器與冷卻器之間的取樣口取樣，對燃氣中的焦油組分含量進行檢測，結果如表3所示。

圖4 焦油裂解區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 燃氣中焦油量檢測數據

3.4 二次風量對燃氣熱值的影響

如圖5所示，二次風量為100 Nm3/h時，燃氣熱值較高，達到7 512 kJ/Nm3，接近了中熱值范圍。隨著二次風量的增加，更多份額的熱解氣參與了燃燒反應，生成的煙氣則混合在未燃的可燃成分中，使出爐燃氣的熱值降低。當二次風量增加至200 Nm3/h時，燃氣熱值降至4 729 kJ/Nm3，在此風量下如圖3所示，氣體燃燒區溫度T3為1 055℃，氣體重整區溫度T4為903 ℃，為焦油組分的裂解提供了較為穩定的高溫環境。如表3所示，說明利用熱解筒產生的熱解氣自身的能量在爐內焦油裂解區營造高溫溫度場，以盡可能在爐內裂解去除燃氣中焦油組分的思路是可行的。

圖5 二次風量對燃氣熱值的影響Fig.5 Influence of secondary air flow rate on the calorific value of gas

3.5 氣化效率測算

4 結論

本文通過復合式固定床氣化裝置對玉米秸稈成型燃料進行了氣化試驗研究。研究結果表明，復合式固定床對成型燃料具有較好的適應性，爐內各區的溫度分布合理，燃燒區、還原區、氣體燃燒區、焦油裂解區實現了穩定的化學反應平衡，取得了較高的氣化效率；二次風燃燒器運行符合設計要求，通過二次風量的調節能夠實現對氣體燃燒區燃燒溫度、燃燒份額的靈活調整；在保證焦油裂解區溫度能夠滿足焦油裂解要求的前提下，所產燃氣仍具有較高的熱值。

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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

山東省自然科學基金(2015ZRC01002)

張衛杰(1980—)，男，碩士，工程師，研究方向為生物質能技術。E-mail：zhangwj@sderi.cn

TK6

A

1002-4026(2017)04-0067-06