玉米秸秆成型燃料在复合式固定床中的气化试验

张卫杰，关海滨，姜建国，孙荣峰，范晓旭，杨立国，刘作，胡安全

(1.山东省科学院能源研究所，山东 济南250014；2.山东省生物质气化技术重点实验室，山东 济南250014；3.济南锅炉集团有限公司，山东 济南250023)

玉米秸秆成型燃料在复合式固定床中的气化试验

张卫杰1，关海滨1，姜建国2，孙荣峰1，范晓旭1，杨立国2，刘作3，胡安全3

(1.山东省科学院能源研究所，山东 济南250014；2.山东省生物质气化技术重点实验室，山东 济南250014；3.济南锅炉集团有限公司，山东 济南250023)

本文利用复合式固定床中试装置，通过调整一次空气量、二次空气量、进料量等参数，控制各反应区温度和反应深度，对玉米秸秆成型燃料进行了气化试验研究。试验结果表明，复合式固定床对成型燃料具有较好的适应性，炉内各区的温度分布合理，各区实现了稳定的化学反应平衡，气化效率达75.4%；二次风量的大小对气体燃烧区燃烧温度、产气热值的变化影响明显；通过焦油裂解区的高温温度场能够实现燃气中焦油在炉内较为完全的裂解，所产燃气具有较高的热值。

秸秆成型燃料；复合式固定床；低焦油气化

在生物质能利用技术中，直燃和气化是两种可以较大规模利用生物质的技术路线[1]。生物质直燃电厂，将农林废弃物替代煤直燃发电，回避了气化工艺中焦油难以去除、燃气净化带来的二次污染等问题[2]，大大推动了生物质能的利用。但由于生物质资源能量密度低、收集贮运不便，导致直燃利用方式的经济性较差，且生物质能是各类可再生能源中唯一含碳的物质能源，直燃利用较为浪费[3]。气化利用技术路线，可以根据区域资源状况实现生物质燃气、生物质炭、木醋液联产，满足区域用能需求，实现电、气、冷、热联供。气化利用技术路线还可以根据投资规模，进一步延伸发展生物质制氢和生物质制取甲醇、二甲醚等生物质化工。随着生物质燃气焦油去除净化技术的发展，气化利用中的焦油难题逐步得到解决，利用气化技术对农林废弃物进行资源化、能源化、高值化综合利用越来越引起研究者的关注[4-5]。玉米秸秆成型燃料是为了提高其容重和能量密度，将玉米秸粉碎后通过压块机压缩为成型燃料，这种做法在我国得到了普遍应用。本文利用复合式固定床低焦油气化中试装置，对玉米秸秆成型燃料进行了气化试验研究。

1 燃料分析

对玉米秸秆成型燃料进行燃料的元素分析、工业分析、热值和灰熔融性检测。分析检测仪器型号如表1所示。

表1 分析仪器

分析结果见表2。根据燃料的元素分析结果，计算理论空气量，选取不同的气化当量比，确定一、二次风量总和。工业分析的结果则可用以确定一、二次风量的配比。热值分析(热值(LHV)为15 352 kJ/kg)可以为根据气化装置容积负荷确定原料处理量、计算气化效率提供依据。关注成型燃料的灰熔融性可以指导确定试验运行中燃烧区的温度上限值，避免出现过多的结渣现象。

表2 玉米秸秆成型燃料的化学分析

注：燃料为空气干燥基。

2 复合式固定床低焦油气化中试装置

传统的生物质固定床气化装置主要分为上吸式和下吸式两种。上吸式气化炉气化效率、热效率高，但粗燃气焦油含量高、加料困难；下吸式的气化炉产气质量稳定、出炉燃气焦油量较上吸式低，但气化效率、热效率低。在生物质热解气化过程中，焦油组分生成于燃料热解阶段，裂解于高温氧化阶段，焦油组分的热裂解主要与温度有关[6-8]。在传统的固定床气化装置中，无论上吸式还是下吸式，热解、燃烧、还原各反应阶段在炉内空间上分界并不明显，而是存在交叉。生物质燃料密度小，挥发分含量较高，热解后燃料体积收缩变化较大，各反应层交叉，很难在物理空间上为焦油裂解提供一个稳定的高温环境。

复合式固定床低焦油气化装置则集成上吸式和下吸式固定床各自的优点，利用内置热解筒对炉内空间进行物理分隔，将气化过程的干燥热解、燃烧还原和焦油裂解3个阶段在同一个装置内相对分开又有机耦合。该装置顶端可以敞开式进料，底端通入的一次风可以冷却保护炉排，中部的二次燃烧区使焦油组分得到更为充分的裂解，最终获得清洁的生物质燃气，同时提高了气化效率。

本研究的中试装置如图1所示，气化炉内径为1.3 m，高3.5 m，原料处理量为0.3 t/h。玉米秸秆成型燃料外形截面尺寸为32 mm×32 mm，长度为40～80 mm，堆积密度为320 kg/m3。燃料通过皮带机自炉顶均匀连续送入气化炉内。燃料首先在热解筒内受到外壁1 000℃左右高温燃气的间接加热，进行热解反应，挥发分析出产生的热解气，被引风机引至气化炉中部，通过二次风燃烧器，与炉外的二次空气发生燃烧反应。通过控制二次风量，燃烧掉较少部分热解气，使热解气热值有所降低，但燃烧温度保持在1 100℃左右。部分燃烧后的热解气混合着烟气，继而向上并加热了气化炉内设置的焦油裂解区，焦油裂解区为蓄热砖砌筑而成，裂解区吸收热解气的显热，形成高温温度场，使热解气中的焦油裂解为小分子不凝气体，从而达到在炉内去除焦油的目的。燃料在热解筒内热解产生的半焦碳，在重力作用下在炉排上方形成高1.6 m的碳层。炉底的一次风通过塔式炉排环形缝隙均匀布风后，送入炉内。在一次空气的作用下，炉排上部的碳得到较为完全的燃烧，生成的灰被旋转炉排连续排出炉外后通过冷渣机冷却；生成的烟气则向上通过碳层发生还原反应，生成一氧化碳，与热解气一起自气化炉顶端排出炉外。

图1 生物质复合式固定床气化中试装置Fig.1 Biomass combined fixed bed gasification pilot plant

中试系统中，引风机选用罗茨风机，额定流量为800 m3/h。一次风机、二次风机为9-19型离心风机，额定流量均为300 m3/h。引风机、一次风机和二次风机均可变频调节转速以调整引风量和进风量。气化炉体设置5个温度测点，自T1～T5分别检测燃烧区、还原区、气体燃烧区、焦油裂解区、出气区等5个区域的温度。通过红外气体分析仪(Gasboard-3100P)连接燃气取样口，在线检测并记录燃气成分。

3 试验结果及讨论

通过试验，研究玉米秸秆成型燃料在复合式固定床气化炉中的气化特性。通过调整一次空气量、二次空气量、进料量等参数，控制各反应区温度和反应深度，研究炉内温度分布规律、二次风量对焦油裂解区温度的影响、焦油裂解区温度对焦油裂解的影响和二次风量对燃气热值的影响，并测试计算了气化效率。

3.1 炉内各区温度分布

生物质气化装置运行时，炉内温度的变化是化学反应状况的直接表征。燃料进料量250～300 kg/h、一次风量80～100 Nm3/h、二次风量160～200 Nm3/h状况下，如图2所示，炉内各测点处温度基本保持平稳变化，这说明炉内各区的化学反应处于基本平衡的状态。燃烧区温度T1在800～900 ℃之间，此时，燃烧区的生物质炭在一次空气作用下发生异相扩散燃烧，反应速度取决于在碳粒表面氧和碳的化学反应速度，即燃烧较大程度受动力因素控制[9-11]。试验中通过一次风量的调整，将燃烧温度控制在合理范围内，一方面高于800 ℃可以为还原区提供足够的热量，另一方面低于900 ℃，避免出现结渣。

图2 炉内各测点温度Fig.2 Temperature of each measuring point in furnace

还原区温度T2在650～700 ℃之间，说明C与CO2的还原反应完成后还保持较高的温度，确保还原反应能够正常进行。气体燃烧区温度T3温度范围在1 050～1 150 ℃，焦油裂解区温度T4范围为970～1 030 ℃。通过控制二次风燃烧器的进风量，以燃烧少部分热解气来提供焦油裂解区维持高温温度场所需热量。出气区温度T5则在740～800 ℃之间，T5与T4之间有着200 ℃的温度差，表征着热量不断供给热解筒内新入炉的燃料热解吸热和焦油裂解区内焦油组分的裂解吸热。

3.2 二次风量对焦油裂解区温度的影响

玉米秸秆成型燃料中的挥发分含量较高，达67.09%。燃料在热解筒间接受热后，挥发分析出进入气体燃烧区，环境温度达到300 ℃以上时，即可与二次风发生快速的燃烧反应。二次风量对焦油裂解区温度的影响如图3所示，在保持进料量为300 kg/h、出灰量为25～30 kg/h、一次风量为100 Nm3/h情况下，通过电机变频调整二次进风量分别为100 Nm3/h、150 Nm3/h、200 Nm3/h，考察气体燃烧区T3、焦油裂解区T4两处温度的变化，随着二次风量的增大，从热解筒输送来的热解气燃烧的份额不断增加，气体燃烧区温度T3和焦油裂解区温度T4随之升高。这表明，通过调整二次风量来调整温度T3、T4的方法效果显著。

图3 二次风量对焦油裂解区温度的影响Fig.3 The influence of secondary air flow rate on the temperature in tar cracking zone

3.3 焦油裂解区温度对焦油裂解的影响

焦油裂解区温度对焦油裂解的影响如图4所示，经过1 000 ℃左右的高温裂解，燃气中的氢气体积分数从18.31%提高到21.69%，燃气中的其他组分如CO、CH4和CmHn等都有不同程度的下降，这是因为在二次风的作用下，少量热解气燃烧生成的烟气增加了所产燃气的体积。特别是轻烃气体CmHn体积分数明显下降，从3.12%下降到0.62%，这是因为气化燃气中轻烃组分的变化在焦油组分裂解时存在着一定的平衡机制：较大分子的焦油组分裂解为轻烃成分，同时轻烃又进一步裂解为CH4和H2[12]，轻烃气体体积分数的显著下降不仅因为二次风所致燃气体积增加，还表征着炉内焦油组分的彻底裂解。从试验过程中焦油的收集情况看，在收集物中只有燃气中冷凝的水分和少量飞灰的混合物，并没有检测到表征焦油组分的苯、酚、萘等大分子物质，这也表明焦油组分在高温环境中的裂解是彻底的。从旋风除尘器与冷却器之间的取样口取样，对燃气中的焦油组分含量进行检测，结果如表3所示。

图4 焦油裂解区温度对焦油裂解的影响Fig.4 The effect of temperature in tar cracking zone on the degree of tar cracking

表3 燃气中焦油量检测数据

3.4 二次风量对燃气热值的影响

如图5所示，二次风量为100 Nm3/h时，燃气热值较高，达到7 512 kJ/Nm3，接近了中热值范围。随着二次风量的增加，更多份额的热解气参与了燃烧反应，生成的烟气则混合在未燃的可燃成分中，使出炉燃气的热值降低。当二次风量增加至200 Nm3/h时，燃气热值降至4 729 kJ/Nm3，在此风量下如图3所示，气体燃烧区温度T3为1 055℃，气体重整区温度T4为903 ℃，为焦油组分的裂解提供了较为稳定的高温环境。如表3所示，说明利用热解筒产生的热解气自身的能量在炉内焦油裂解区营造高温温度场，以尽可能在炉内裂解去除燃气中焦油组分的思路是可行的。

图5 二次风量对燃气热值的影响Fig.5 Influence of secondary air flow rate on the calorific value of gas

3.5 气化效率测算

4 结论

本文通过复合式固定床气化装置对玉米秸秆成型燃料进行了气化试验研究。研究结果表明，复合式固定床对成型燃料具有较好的适应性，炉内各区的温度分布合理，燃烧区、还原区、气体燃烧区、焦油裂解区实现了稳定的化学反应平衡，取得了较高的气化效率；二次风燃烧器运行符合设计要求，通过二次风量的调节能够实现对气体燃烧区燃烧温度、燃烧份额的灵活调整；在保证焦油裂解区温度能够满足焦油裂解要求的前提下，所产燃气仍具有较高的热值。

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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

山东省自然科学基金(2015ZRC01002)

张卫杰(1980—)，男，硕士，工程师，研究方向为生物质能技术。E-mail：zhangwj@sderi.cn

TK6

A

1002-4026(2017)04-0067-06