生物質(zhì)與煤流化床共氣化特性的試驗研究

高正陽，王天龍，朱予東，魯許鰲

0 引言

生物質(zhì)是指一切有生命的可以生長的有機(jī)物質(zhì)，它來源豐富，分布廣泛，數(shù)量巨大，具有可再生性。它是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源資源，因此，充分利用生物質(zhì)資源能在很大程度上緩解能源短缺問題。將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料是一種利用生物質(zhì)的很好途徑，其中流化床氣化是一種常用的氣化方式之一。目前對于氣化研究多集中在生物質(zhì)或煤單獨(dú)氣化方面(包括添加惰性粒子)，還有就是共氣化與各物質(zhì)單獨(dú)氣化的氣化特性比較，對溫度和混和物質(zhì)量比對氣化特性的影響方面研究較少。由于生物質(zhì)熱值比較低，單獨(dú)氣化時易生成較多的焦油，不僅降低了生物質(zhì)的氣化效率，而且對氣化過程的穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響;而且生物質(zhì)物性差異大、顆粒尺寸不規(guī)則，難以單獨(dú)流化氣化，容易形成搭橋、溝流及節(jié)涌等現(xiàn)象，因此需要添加惰性粒子組成多組分混合物來促進(jìn)氣化過程。為了改善生物質(zhì)的流化特性，采用生物質(zhì)與煤共氣化，不僅煤渣起到了惰性粒子的作用，而且由于煤的熱值高，氣化過程溫度高，從而使生物質(zhì)熱解所產(chǎn)生的焦油能夠充分裂解，使氣化效率提高，同時生物質(zhì)的高揮發(fā)分、高氧含量和H/C 比以及生物質(zhì)焦的高反應(yīng)活性和高堿金屬含量又促進(jìn)煤焦的氣化。因此將生物質(zhì)與煤共氣化不僅可以很好地彌補(bǔ)生物質(zhì)單獨(dú)氣化的上述缺陷，同時在碳反應(yīng)性、焦油形成和減少污染物排放等方面可能會發(fā)生協(xié)同作用。

在本試驗中，研究了控制反應(yīng)溫度以及調(diào)節(jié)生物質(zhì)與煤不同質(zhì)量摻混比兩方面對混合物的氣化過程的影響，以期得到最佳的氣化效果條件。

1 試驗系統(tǒng)與方法

1.1 試驗物料

試驗中所用生物質(zhì)為木屑(鋸末)，木屑的粒徑范圍為0.2 ～0.8 mm;煤選用的是陽泉煤，選取煤的粒徑范圍為0 ～2 mm;兩種燃料的工業(yè)分析見表1 所示。

1.2 試驗裝置及流程介紹

試驗裝置見圖1 所示。試驗前，將準(zhǔn)備好的煤和生物質(zhì)燃料按一定比例配比好;試驗開始時，用電加熱器烘熱氣化器，待達(dá)到預(yù)定溫度(600℃)時停止;將事先配比好的混合物燃料經(jīng)進(jìn)料裝置均勻加入，同時通入氮?dú)?，避免進(jìn)料裝置中充滿可燃?xì)怏w。由蒸汽發(fā)生器以及空氣壓縮機(jī)通入所需高溫水蒸氣和空氣;然后將氣化氣產(chǎn)物先后通過旋風(fēng)分離器、除塵器、水箱冷卻裝置以及過濾器，最后進(jìn)入氣體分析儀，對各種氣體成分以及各種氣體的含量進(jìn)行分析。

表1 生物質(zhì)與煤的工業(yè)分析及熱值Tab．1 Proximate and ultimate analysis of Datong coal

圖1 熱態(tài)試驗裝置及其流程圖Fig．1 Process configuration for experimental system

1.3 試驗計算方法與工況

1.3.1 計算方法

(1)氣體產(chǎn)率

式中:Y 為氣體產(chǎn)率，m3/kg;M 為加料量，kg/h;Vg

為干氣產(chǎn)量，m3/h。

(2)氣化效率

式中:S1，S2為生物質(zhì)和煤在混合料中所占的比例;Q(生)，Q(煤)為生物質(zhì)和煤的低熱值。

(3)當(dāng)量比(ER)

使用空氣作為氣化劑進(jìn)行生物質(zhì)和煤氣化試驗時，空氣既使氣化原料發(fā)生部分氧化生成H2，CO，CH4等有效燃?xì)?，又會與生成的可燃產(chǎn)物發(fā)生燃燒反應(yīng)?？諝饧尤肓渴褂卯?dāng)量比來衡量。

式中:q 為氣化過程中設(shè)定的空氣或氧氣單位流量，m3/h;q0為單位質(zhì)量生物質(zhì)或煤完全燃燒生成H2O 和CO2所需要的空氣或氧氣量，m3/kg;v 為生物質(zhì)或煤的進(jìn)料速率，kg/h。

(4)水蒸氣/原料重量比(S/M)

水蒸氣的加入既可以迅速與炙熱的炭反應(yīng)生成H2和CO，又可以與碳?xì)浠衔锇l(fā)生水蒸氣變換反應(yīng)生成H2和CO。水蒸氣的加入量用水蒸氣與生物質(zhì)或煤的重量比來衡量:

式中:qs為水蒸氣輸入速率，m3/h;v 為生物質(zhì)或煤的進(jìn)料速率，kg/h。

1.3.2 試驗工況

(1)為考察氣化溫度對氣化效果的影響，本試驗取了800 ℃，830 ℃，860 ℃，890 ℃4 組不同的試驗溫度。試驗中，將煤與生物質(zhì)原料混合物(按3∶1混合)從流化床頂部加入，然后從小到大調(diào)節(jié)流化空氣量，觀察各組溫度下的流化現(xiàn)象。試驗中選取ER=0.15 和S/M=0.5 時ER 和S/M 達(dá)到物料需求量的最佳水平。當(dāng)試驗中各個參數(shù)(主要是蒸汽量和空氣量)和氣體分析儀試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后，開始記錄試驗數(shù)據(jù)。

(2)為了考察生物質(zhì)和煤在不同的混合比例下對氣化氣組分的影響，本試驗選取了5 組不同的質(zhì)量比，分別為1∶0，3∶1，1∶1，1∶3，0∶1 。并且為了降低溫度對試驗的影響，選取了850 ℃這個比較理想的試驗溫度。然后使進(jìn)氣量ER 在5 ～9 m3/h 處進(jìn)行調(diào)節(jié)，S/M 控制在0.3 ～0.6 左右，使ER 和S/M 達(dá)到各個質(zhì)量摻混比對應(yīng)的最佳水平。待試驗穩(wěn)定后，記錄相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 氣化反應(yīng)機(jī)理

生物質(zhì)與煤共氣化是一個非常復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)過程，該過程受很多因素的影響，如反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、物料特性、氣化設(shè)備結(jié)構(gòu)等。整個氣化過程是自供熱的，從它自身內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)過程就可以產(chǎn)生完全氣化所需的熱量。其氣化過程主要反應(yīng)為

2.2 溫度對氣化特性的影響

通過對由氣體分析儀得到的各組溫度下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計算，得到不同溫度下幾種可燃?xì)饣瘹獾捏w積分?jǐn)?shù)以及不同氣化溫度下的氣化特性，分別如表2、圖2 所示。圖3 為不同溫度下的氣化效率。

表2 不同氣化溫度下的各個氣化特性Tab．2 Gasfication indicators of gas in different temperature

由圖2，3 和表2 比對可以看出:由于還原反應(yīng)式(7)，(8)是吸熱反應(yīng)，所以隨著試驗溫度的升高，反應(yīng)正向移動，CO 體積分?jǐn)?shù)增加3%左右，而H2所占體積分?jǐn)?shù)則明顯增加，由10%上升到了20%，即對應(yīng)的氣體產(chǎn)率均呈現(xiàn)增長趨勢;相反CnHn和CH4都趨于下降態(tài)勢:其中CH4的體積分?jǐn)?shù)下降明顯，由10%下降到了5%左右，而CnHn也下降了約3%。由于CO 和H2的熱值相對于CnHn和CH4的較大，所以隨著溫度的升高，所得可燃?xì)怏w總熱值也由6 069.4 kJ/m3增加到了6 714.6 kJ/m3，提升約1%，即煤與生物質(zhì)混合物總氣化效率相對提高了。而由圖3 很容易看出隨著反應(yīng)溫度的升高，氣化效率不斷提升。

總之，溫度是影響氣化特性的重要因素，通過影響氣化混合氣中各種燃?xì)獾臐舛龋瑥亩绊懏a(chǎn)氣效率、氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率、氣化熱值等各方面的氣化特性，所以在氣化過程中尋找最佳氣化溫度是相當(dāng)必要的。

2.3 質(zhì)量摻混比對氣化特性的影響

把不同質(zhì)量摻混比下氣體分析儀中讀出的數(shù)據(jù)以及通過計算把各個氣化特性的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出圖4 和表3。圖5 為不同質(zhì)量比下的氣化效率曲線。

圖4 不同質(zhì)量混合比下的各個氣化特性Fig．4 Volum fraction of gas in different quality ratio

表3 不同質(zhì)量混合比下的各個氣化特性Tab．3 Gasfication indicators of gas in different quality ratio

圖5 不同質(zhì)量混合比下的氣化效率Fig．5 Gasification efficiency in different quality ratio

由圖4，5 和表3 比對可以看出:由于煤的碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋸末，所以隨鋸末質(zhì)量摻混比的減小，還原反應(yīng)式(7)， (8)加快，致使CO，H2的濃度上升明顯，分別有15%和8%左右的提升，即相應(yīng)氣化產(chǎn)率在不斷上升，相反CH4，CnHn的體積分?jǐn)?shù)則逐漸降低了大概2%，混合物共氣化效率逐漸提高;并且由于850 ℃對于單純生物質(zhì)來說，屬于較高氣化溫度，而單純煤則需要較高的氣化溫度，所以隨著生物質(zhì)摻混比的下降，氣化溫度逐漸適應(yīng)該不同摻混比的混合物，氣化氣的熱值也就相應(yīng)的增加。而由圖5 可以看出，當(dāng)質(zhì)量比為3∶1時，氣化效率最佳?？傊?，控制好最佳質(zhì)量摻混比也是影響氣化指標(biāo)的重要因素。

3 結(jié)論

(1)在熱態(tài)試驗中，溫度是影響各個氣化特性的重要因素，在800 ℃到900 ℃區(qū)間中，隨著氣化溫度的增加，氣化氣中各組分的濃度產(chǎn)生明顯的變化:CH4的體積分?jǐn)?shù)下降比較明顯、CO 上升緩慢、H2上升比較快。在氣化溫度上升時，氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率以及氣體產(chǎn)率都不同程度的提高。

(2)生物質(zhì)和煤的質(zhì)量摻混比對氣化特性的影響比較大，當(dāng)氣化溫度在850 ℃時發(fā)現(xiàn):在各個生物質(zhì)與煤的質(zhì)量摻混比中，質(zhì)量摻混比為3∶1時氣化效率最佳，摻混比為1∶1時氣化效率強(qiáng)于其他3 組。從試驗角度上說明生物質(zhì)和煤在氣化中有一定的協(xié)同作用，并且生物質(zhì)的比例大于50%時，協(xié)同作用較明顯一些。

(3)在800 ℃到900 ℃區(qū)間中，隨著氣化溫度的增加，氣體熱值由6 069.4 kJ/m3增加到了6 714.6 kJ/m3;而隨著混合物中煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，產(chǎn)氣熱值由5 246.2 kJ/m3增加到了7 068.3 kJ/m3，對于研究生物質(zhì)資源有效利用有很大參考意義。

(4)從試驗中也可以看出，煤和生物質(zhì)共氣化，不僅氣化運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而且焦油量濃度也處于較低水平。氣體成分和氣化特性較單純生物質(zhì)氣化均有不同程度提高。

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