生物質混流式固定床氣化爐運行特性分析*

胡夏雨，袁洪友，謝建軍，周肇秋?，潘賢齊，陰秀麗，吳創(chuàng)之

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049）

生物質混流式固定床氣化爐運行特性分析*

胡夏雨1,2，袁洪友1，謝建軍1，周肇秋1?，潘賢齊1，陰秀麗1，吳創(chuàng)之1

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049）

以桉木為原料，對1.5 t/h生物質混流式固定床氣化爐運行特性進行了測試分析與評價，與文獻報道的相關爐型包括上吸式、下吸式、兩段式等爐型運行結果進行了比較。實驗以氣化爐空氣通入量作為主要控制變量，對有或無水蒸氣條件下的氣化爐溫度及壓力分布、燃氣組成、焦油與飛灰含量、氣體產率等參數進行了較長周期的測試，結果表明：氣化爐運行效果符合設計要求，各項指標相當于或優(yōu)于傳統(tǒng)的下吸式氣化爐；氣化爐運行溫度與壓力比較穩(wěn)定；以冷燃氣計算的燃氣熱值約為4 900～5 500 kJ/Nm3；氣化效率約為70%～78%；燃氣焦油含量約600～3 500 mg/Nm3，運行負荷在50%以上時，焦油含量一般低于1 500 mg/Nm3。研究結果有望為混流式氣化爐的改進和操作提供優(yōu)化建議，同時可為其他氣化工藝設計提供參考依據。

生物質；混流式固定床；氣化；氣化效率；焦油

0 引 言

采用氣化技術處理生物質原料可獲得可燃氣，這種燃氣具有多種用途，包括直接燃燒供熱于工業(yè)窯爐或鍋爐，驅動內燃機、燃氣輪機發(fā)電，合成液體燃料及化學品等。生物質氣化工藝的核心設備主要是各種型式的固定床及流化床氣化爐[1,2]，近年來亦有關于利用氣流床氣化細顆粒狀生物質的研究報道[3]。氣化爐類型選擇一般根據設計處理量、原料顆粒狀態(tài)、應用途徑等方面的要求進行確定。

流化床氣化爐比較適于大型化，但結構較復雜，操作要求高，固定床氣化爐單爐處理量相對較小，運行亦相對簡單。但無論采用何種型式的氣化爐，燃氣中的焦油及飛灰均必須得到一定程度的去除以便滿足下游不同設備的燃氣潔凈度要求[1,4]。

焦油及飛灰特別是焦油的存在一直是困擾生物質氣化技術應用的瓶頸問題。焦油的存在容易造成輸氣管道堵塞、下游設備腐蝕、積碳等運行故障，且降低氣化效率。因此有關生物質氣化焦油脫除技術包括催化裂解、水洗、吸附等手段或其組合[5,6]一直以來均是該領域的研究熱點。目前看來，焦油催化裂解仍然存在催化劑易失活問題，而水洗設備又過于龐大且洗焦廢水難以處理，因此有必要結合多種技術以降低燃氣中的焦油含量，特別是優(yōu)化爐型設計與操作條件以求從源頭控制焦油產量。

受制于氣化爐運行溫度及氣體停留時間，一般結構的固定床或流化床氣化爐中產生的焦油不能得到充分裂解即隨燃氣引出爐外，針對這一缺陷，一些研究考慮將氣化過程所涉及的熱化學轉化過程分段耦合控制[7-11]，以期為焦油裂解提供較充分的反應時間和焦油、半焦氣固接觸條件。

中國科學院廣州能源研究所近5年來針對工業(yè)鍋爐及窯爐研發(fā)了一種混流式固定床氣化工藝[12]，目前已經推廣數套至工業(yè)企業(yè)，并建立了生物質處理量為1.5 t/h的氣化與燃氣發(fā)電、合成、窯爐燃燒中試工程。該氣化爐兼具下吸式固定床焦油含量低及上吸式氣化爐粉塵含量低的優(yōu)點，且比常規(guī)的固定床氣化爐易于放大規(guī)模，比傳統(tǒng)下吸式固定床氣化爐運行阻力小。

本文將以桉木為氣化原料，分析混流式氣化爐的基本運行特性，包括燃氣組成、焦油及飛灰含量、氣化效率等參數，并與上吸式、下吸式、兩段式等氣化爐的運行特性進行比較，研究結果期望為混流式氣化及其他氣化工藝的操作與改進提供參考依據。

1 實 驗

1.1 實驗原料

氣化實驗于2014年3～4月的氣化爐建成調試期間進行，氣化爐完整運行14天，每天24小時不停爐，對應日期編號記為D1、D2、…、D14。實驗采用的原料為雜木，主要是桉木削片，自然風干狀態(tài)直接入爐。原料的工業(yè)與元素分析數據見表1。受天氣及原料批次影響，入爐原料水分含量在16%～25%之間。

表1 桉木片氣化原料的工業(yè)與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of eucalypt chip for gasification

1.2 實驗裝置與采樣方法

實驗采用的混流式固定床氣化爐設計生物質處理量為1.5 t/h，負荷在25%～100%之間可調。實驗系統(tǒng)流程如圖1所示。氣化系統(tǒng)主要包含氣化爐、空氣流量計、水蒸氣流量計、物料輸送等設施。氣化爐主體布置6層、每層周向4個熱電偶，燃氣出口亦布置了熱電偶。在爐底、爐頂、燃氣出口等位置布置了壓力傳感器以實時監(jiān)測氣化爐運行壓力變化情況。

空氣分三路通入氣化爐，分別為爐底風、頂部中心風和中部環(huán)形風，一般情況下三股空氣的流量配比約為3∶2∶1。在爐底、爐中、爐頂風口處設置了水蒸氣備用入口，一般情況下水蒸氣從中心風口或爐底風口通入。排渣采用旋轉爐排，通過啟停變頻電機控制物料在爐內的停留時間。燃氣由氣化爐中部被引風機引出送往下游，燃氣管道與引風機之間的管道敷設了保溫層。

圖1 1.5 t/h混流式固定床氣化實驗系統(tǒng)流程圖Fig. 1 Schematic diagram of 1.5 t/h coupled drafting fixed bed

在燃氣管道設有采樣點，燃氣及焦油、飛灰采樣系統(tǒng)如圖2所示，參考文獻[13,14]設置。取洗凈烘干氣體洗瓶6個，向其中前2個加入約2/3瓶玻璃珠，然后在每個洗瓶中加入焦油吸收溶劑即異丙醇約150 mL（分析純），連接好管路后即可開啟真空泵采樣，同時記錄煤氣表讀數。觀察洗瓶內溶液顏色變化情況決定采樣終止時間。氣體采集首先通過類似圖2的過濾裝置，再用鋁箔采氣袋收集。

圖2 焦油、飛灰、氣體采樣系統(tǒng)Fig. 2 Tar, fly ash and gas sampling system

1.3 實驗與計算方法

氣化爐點火成功后，通過調節(jié)入爐總空氣量控制氣化爐負荷，通過爐頂料位計控制加料速度，通過啟停旋轉爐排控制排渣速度。以空氣通入量作為主要控制變量，一般調節(jié)工況30 min后，氣化爐溫度和壓力參數趨于穩(wěn)定，此時可以采集氣體、焦油和飛灰樣品，采樣時避免進料和轉動爐排。

焦油采樣結束后將全部溶液收集，采用微孔濾膜（0.22 μm）過濾并在烘箱中105℃下烘干至恒重，通過重量法獲取飛灰含量。濾液在烘箱中60℃下烘干8 h通過重量法獲得焦油含量。氣樣通過氣相色譜儀分析主要氣體組分含量，包括H2、CO、CO2、CH4、N2、O2等。大量氣樣在中試現場通過GC9800氣相色譜儀分析，部分氣樣運抵檢測單位采用Agilent 7890A氣相色譜儀分析，后者可檢測C2Hm組分。

氣化爐原料消耗量及爐底灰渣產量根據每天記錄結果測算。燃氣產量由入爐空氣與產生燃氣中各自的N2含量根據質量守恒計算，并與燃氣流量計測量結果對比，燃氣產率 ηgas為單位質量收到基原料的產氣量（Nm3/kg）；冷燃氣氣化效率Egasif.指產出燃氣的熱值與入爐原料的熱值之比；碳轉化率ηC為燃氣中CO、CO2、CH4、C2所包含碳元素含量之和與相應原料中碳元素含量之比。

2 結果與討論

2.1 氣化爐運行溫度與壓力分布特性

選擇爐底即爐排上部（圖1中TC1）、氣體出口（TC2）、爐中部環(huán)形風口（TC3）幾個位置的監(jiān)測溫度作為氣化爐的特征溫度，其中爐底、爐中處周向各4個熱電偶，氣體出口處2個熱電偶，分別取其平均值。氣化爐采用空氣氣化運行連續(xù)監(jiān)測的溫度分布情況如圖3所示。

氣化爐溫度受到空氣量、水蒸氣量、排渣速度等多種因素的影響，但最主要的影響因素為氣化劑流量即操作負荷。如圖3a、3b所示，加大空氣量對于提高氣化爐上段和燃氣出口溫度具有顯著影響。

圖3 氣化爐運行溫度分布特性Fig. 3 Temperature distribution of gasifier

氣化爐正常運行的壓力分布如圖4所示。爐頂（P3）和爐底（P1）主要受鼓風機作用控制一般均維持正壓狀態(tài)，爐中部及爐出口受引風機作用控制呈現負壓狀態(tài)。少數非正常狀況下，例如原料架空、出現溝流、出現大塊結渣等，可導致氣化爐軸向各點壓力出現異常，甚至爐底或爐頂呈嚴重負壓，此時應及時干預以避免出現局部爆燃、燃氣品質變差等非正常狀況。

圖4 氣化爐運行壓力分布特性（D1 13:30-）Fig. 4 Pressure distribution of gasifier (D1 13:30-)

2.2 氣體產物及氣化效率分析

氣化爐空氣氣化不同工況下的燃氣組成及相應的氣化效率分析見表2，并將實驗數據與文獻[10,16-19]進行了對比。表中所列氣體組分數據考慮了C2組分，其體積含量按照約0.5%計算，所有C2組分熱值統(tǒng)一按C2H4計。

實驗測得混流式固定床氣化爐空氣氣化燃氣熱值一般約為4 900～5 500 kJ/Nm3，相當于或優(yōu)于常規(guī)的下吸式固定床氣化爐與先熱解再下吸式氣化的兩段式氣化爐。此種燃氣適用于一般工業(yè)窯爐或鍋爐燃燒，凈化后亦可用于驅動燃氣內燃機發(fā)電，各種應用途徑均已在中試現場成功運行。

當運行負荷較低時，例如低于設計容量的25%，燃氣熱值相對較低。而當運行負荷升高后，例如高于設計容量的30%，燃氣熱值有所升高并趨于穩(wěn)定，熱值一般可高于5 000 kJ/Nm3。

中心風處添加水蒸氣可明顯提高燃氣的H2/CO，水蒸氣亦可起到阻止床層溫度超限升高的作用，進而減少結渣和保護風嘴。

氣化當量比一般維持在0.25～0.3，不同運行負荷下當量比變化較小。根據氮氣守恒及燃氣流量計實測結果得出的燃氣產率約為1.95～2.05 Nm3/kg，據此測算的氣化爐氣化效率約為70%～78%，碳轉化率一般可達95%左右。

根據爐底灰渣的元素與工業(yè)分析結果，做了總碳平衡估算，相關結果列于表3。表2和表3的測試日期并不一定一一對應，但測試期間氣化爐運行狀況總體平穩(wěn)，因此具有一定的可比性。表3中飛灰與焦油對干基原料的質量得率根據前述數據估算分別記為0.45%和1.4%，飛灰元素分析碳含量記為70%，焦油元素分析碳含量記為42%[15]。由表2和表3和所做的分析可以看出，進出氣化爐總碳根據記錄分析數據計算的質量平衡較好。

表2 部分工況燃氣組成及氣化效率分析結果Table 2 Analysis of syngas composition and cold gas efficiency at parts of operating conditions

表3 氣化過程碳損失估算Table 3 Estimates of total carbon loss in gasification process

2.3 燃氣中焦油及飛灰含量分析

燃氣中焦油與飛灰含量的分析結果見表4。對于本實驗條件下的空氣氣化運行工況而言，燃氣中的焦油含量約為600～3 500 mg/Nm3。

混流式氣化爐燃氣焦油含量高于熱解與氣化分置的兩段式氣化工藝[9,10,20]，這是因為混流式固定床氣化屬于下吸式與上吸式兩種氣化爐的有機耦合，焦油在熾熱炭床的停留時間相對較短，且下吸段未設置喉口。而兩段式氣化系統(tǒng)將熱解段與氣化段分置，焦油一般在具有外加熱源的熱解段已全部釋放，熱解氣依次經過喉口和熾熱炭床，兩區(qū)溫度一般均高于1 000℃，因此焦油有較充分的反應時間和較高的反應溫度得到二次裂解。

實驗測得的燃氣焦油含量低于或相當于一般的下吸式固定床氣化爐[19]，顯著低于傳統(tǒng)上吸式固定床氣化爐（約50 g/Nm3[21]）。當混流式固定床氣化爐運行負荷較低時，產生焦油的爐體上段溫度偏低，因此焦油含量相對較高。當運行負荷接近或超過50%時，焦油含量一般可低于1 500 mg/Nm3。由于焦油含量與氣化強度具有強關聯性[21]，可以預見，當負荷繼續(xù)升高后，焦油含量將會進一步降低。

燃氣中飛灰含量約為1 000 mg/Nm3，飛灰含量的測試結果具有較大波動，受氣化爐運行狀態(tài)實時變化的擾動比較明顯。

表4 混流式氣化燃氣中焦油與飛灰含量測試結果Table 4 Tar and fly ash content in the syngas produced in coupled drafting fixed bed gasification system

3 結 論

通過對不同負荷下桉木空氣氣化燃氣組成、燃氣產率、氣化效率、焦油含量等參數進行分析的結果顯示，混流式固定床氣化爐的運行效果符合設計要求，氣化爐長時間穩(wěn)定產氣不存在技術問題，各項指標相當于或優(yōu)于傳統(tǒng)下吸式氣化爐。溫度與壓力分布比較穩(wěn)定；燃氣熱值一般為4 900～5 500 kJ/Nm3，適用于工業(yè)窯爐或鍋爐、氣體內燃機等用途；通過添加水蒸氣可以提高H2與CO比例，并可避免氣化爐運行溫度異常升高；大多數工況下冷燃氣效率約70%～78%；焦油含量約為600～3 500 mg/Nm3，當負荷超過50%時，焦油含量一般低于1 500 mg/Nm3。研究結果期望為混流式氣化爐的改進和操作提供優(yōu)化建議，同時為其他氣化工藝設計提供參考依據。

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Gasification Performance of Biomass in a Coupled Drafting Fixed Bed Gasifier

HU Xia-yu1,2, YUAN Hong-you1, Xie Jian-jun1, ZHOU Zhao-qiu1, Pan Xian-qi1, YIN Xiu-li1, WU Chuang-zhi1
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

This paper evaluated the gasification performance of a 1.5 t/h coupled drafting fixed bed gasifier using eucalypt, and compared the operating parameters to other fixed bed gasifiers from literatures including updraft, downdraft and two-stage. The air with or without steam input amount was selected as a major controlling variable, temperature and pressure distribution, syngas composition, tar and fly ash content, gas yield were tested in a long period. The results show that the operating performance of the coupled drafting gasifier meets the design requirements. The operating temperature and pressure are relatively stable. The syngas calorific value is approximately 4 900～5 500 kJ/Nm3. In most of running conditions, the cold gas efficiency of about 70%～78% could be obtained. The syngas tar content is mainly in the range of 600～3 500 mg/Nm3and generally lower than 1 500 mg/Nm3when running at capacities of higher than 50%. The parameters considered are all equal to or better than conventional downdraft fixed bed gasifier. The results are expected to improve the design and operation of the coupled drafting gasifier, and also to provide a reference for other gasification process.

biomass； coupled drafting fixed bed； gasification； cold gas efficiency； tar

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.001

2095-560X（2015）03-0163-06

胡夏雨（1991-），女，碩士研究生，主要從事生物質氣化模擬與實驗研究。

2015-05-18

2015-05-30

國家自然科學基金項目（51176194）；廣東省戰(zhàn)略新興產業(yè)項目（2012A032300019）

? 通信作者：周肇秋，E-mail：zhouzq@ms.giec.ac.cn

周肇秋（1972-），男，碩士，高級工程師，主要從事生物質氣化應用研究。