基于生物質(zhì)與煤共氣化的系統(tǒng)模擬分析

鄭 凱，賈 嘉

（1.國(guó)電集團(tuán)宿州熱電有限公司，安徽 宿州 234000；2.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

基于生物質(zhì)與煤共氣化的系統(tǒng)模擬分析

鄭 凱1，賈 嘉2

（1.國(guó)電集團(tuán)宿州熱電有限公司，安徽 宿州 234000；2.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

對(duì)所構(gòu)建的生物質(zhì)與煤共氣化系統(tǒng)進(jìn)行了流程模擬，研究氣化反應(yīng)溫度、生物質(zhì)摻混比wbio和水蒸氣與生物質(zhì)的質(zhì)量比S／B對(duì)氣化特性及熱力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，提高氣化反應(yīng)溫度和S／B將在一定程度上降低氣化合成氣的熱值和氣化效率，其主要原因是反應(yīng)過(guò)程的熱能消耗同步增加，即更多的原料化學(xué)能被釋放出來(lái)。相對(duì)于煤?jiǎn)为?dú)氣化過(guò)程，摻混一定比例的生物質(zhì)會(huì)降低氣化效率，但有利于提高合成氣的熱值，降低污染物的排放量。

生物質(zhì)；煤；共氣化；性能分析

面對(duì)日益增長(zhǎng)的化石能源消耗和日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染，提高現(xiàn)有的能源利用效率并大力開發(fā)利用清潔能源已成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題，其中氣化已作為煤等化石燃料高效及清潔利用的重要方式之一［1-3］。近年來(lái)，研究人員提出將生物質(zhì)與煤進(jìn)行共氣化，不僅能將固體燃料轉(zhuǎn)化為氣體燃料，提高能源的利用效率，還能減少部分化石能源的消耗。生物質(zhì)的能量密度較低，限制了生物質(zhì)的應(yīng)用，通過(guò)與煤進(jìn)行同步利用，在一定程度上能夠提高生物質(zhì)的利用率。

通過(guò)將生物質(zhì)與煤進(jìn)行共氣化，不僅能克服各自在進(jìn)行單獨(dú)氣化過(guò)程中的不足，也有助于提高碳的反應(yīng)性，抑制焦油的生成，并減少污染物的排放量。

宋新朝、張科達(dá)等人已分別借助熱天平分析了生物質(zhì)與煤在水蒸氣氛圍和CO2氛圍下共氣化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性［4-5］，同時(shí)宋新朝還利用流化床試驗(yàn)裝置研究得出，生物質(zhì)與煤共氣化時(shí)的碳轉(zhuǎn)化率、氣體中可燃組分的體積分?jǐn)?shù)均高于煤?jiǎn)为?dú)氣化，氣體中CO2的體積分?jǐn)?shù)低于煤?jiǎn)为?dú)氣化［6］。

另外，周金豪等人利用Aspen Plus軟件對(duì)生物質(zhì)與煤的氣流床共氣化工藝進(jìn)行了模擬，確定生物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，氧碳摩爾比在1.1～1.3時(shí)的氣化效果最佳［7］。王立群等人對(duì)生物質(zhì)與煤的流化床水蒸氣共氣化過(guò)程開展了試驗(yàn)研究，針對(duì)選擇的試樣得出相應(yīng)的最佳氣化產(chǎn)氫條件［8］。車德勇等人通過(guò)試驗(yàn)研究得出，在摻混比例為50%時(shí)，松木屑和褐煤在流化床反應(yīng)器中的共氣化協(xié)同作用比較明顯［9］。

1 反應(yīng)試樣及系統(tǒng)介紹

1.1 試樣基礎(chǔ)物性

生物質(zhì)選自新疆庫(kù)爾勒地區(qū)的棉花秸稈，煤樣為內(nèi)蒙烏拉蓋褐煤，試樣的低位發(fā)熱量分別為17.57 MJ／kg和20.89 MJ／kg，工業(yè)分析和元素分析如表1、表2所示，灰熔融特性如表3所示。

表1 試樣工業(yè)分析%

表2 試樣元素分析%

表3 試樣灰熔融特性℃

相對(duì)而言，生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較高，達(dá)80%左右，且在較低的溫度（＜400℃）下能析出大部分的揮發(fā)分。同時(shí)生物質(zhì)碳具有較好的反應(yīng)性，能夠在較高的溫度下以較快的速度與CO2和水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

由表3可見，生物質(zhì)灰的灰熔點(diǎn)要略高于褐煤，通過(guò)摻混一部分生物質(zhì)能提高反應(yīng)物的灰熔融溫度，降低了在反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)焦的可能性。

1.2 生物質(zhì)與煤的共氣化系統(tǒng)

本文借助商業(yè)流程模擬軟件對(duì)生物質(zhì)與煤的共氣化過(guò)程進(jìn)行模擬，為了避免原料中所含的水分對(duì)氣化反應(yīng)產(chǎn)生影響，生物質(zhì)和煤均先通過(guò)預(yù)熱裝置去除水分，再送至氣化反應(yīng)器中。氣化反應(yīng)產(chǎn)生的粗合成氣經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器脫除灰分后，利用后部的余熱鍋爐來(lái)回收合成氣的顯熱，同時(shí)也可利用這部分顯熱來(lái)生產(chǎn)高溫蒸汽作為氣化劑，最后經(jīng)過(guò)冷凝凈化后可制得合格的合成氣，其可作為燃料送至燃?xì)廨啓C(jī)或用于生產(chǎn)甲醇等清潔液體燃料。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文選定的氣化壓力為1.8 MPa，作為氣化劑的水蒸氣參數(shù)為1.8 MPa／210℃，氣化反應(yīng)器中的空氣通入量根據(jù)熱平衡進(jìn)行核算。

生物質(zhì)摻混比wbio是用來(lái)表征參與氣化反應(yīng)的生物質(zhì)含量，計(jì)算公式如下：

式中：fbio、fcoal分別為生物質(zhì)和煤的輸入量，kg／s。

其它表征運(yùn)行狀態(tài)和用于評(píng)價(jià)氣化效果的參數(shù)和變量如下：

空氣當(dāng)量比ER：

合成氣的低位熱值Qgas（MJ／m3）：

式中：Qi為各燃?xì)獬煞值牡臀粺嶂?，MJ／m3；ω［CO］、ω［H2］、ω［CH4］、ω［CnHm］為CO、H2、CH4、CnHm在燃?xì)庵兴嫉捏w積百分含量，%。

氣化效率η：

式中：Qgas和Ggas分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位體積合成氣的化學(xué)能和合成氣的體積；Qbio和Qcoal分別為生物質(zhì)和煤的熱值。

由于氣化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)體系，對(duì)于模擬流程需進(jìn)行以下假設(shè)：氣化反應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行；生物質(zhì)和煤中的H、O、N和S元素全部轉(zhuǎn)化為氣相；氣相反應(yīng)快速達(dá)到平衡狀態(tài)。

2 結(jié)果分析

2.1 氣化反應(yīng)溫度對(duì)共氣化過(guò)程的影響

溫度是氣化反應(yīng)過(guò)程的重要參數(shù)，較低的溫度難以驅(qū)動(dòng)原料與氣化劑之間的非均相反應(yīng)，而較高的反應(yīng)溫度雖然能夠提高反應(yīng)速率，但在一定程度上會(huì)降低氣化過(guò)程的熱力學(xué)性能。為此，本文將研究氣化反應(yīng)溫度對(duì)氣化反應(yīng)過(guò)程的影響。

針對(duì)生物質(zhì)摻混比wbio＝0.5，即生物質(zhì)與煤按1∶1的質(zhì)量比進(jìn)行混合，在空氣氛圍下進(jìn)行氣化反應(yīng)，在不同氣化反應(yīng)溫度下所獲得的合成氣組分如圖1所示。

圖1 不同氣化溫度下的合成氣組分

生物質(zhì)具有良好的反應(yīng)性，可在700～850℃開始進(jìn)行氣化反應(yīng)，但褐煤的碳化程度相對(duì)較高，其反應(yīng)起始溫度也較高。在氣化反應(yīng)溫度為700～1 500℃時(shí)，H2、CO和CO2的含量隨著氣化溫度的升高而下降，其中H2含量的變化趨勢(shì)較為明顯，CO和CO2的降幅相對(duì)較小。以上3種組分的含量下降主要來(lái)自于2方面的影響，一是為了維持更高的氣化反應(yīng)溫度，氣化反應(yīng)體系中的氧化反應(yīng)需增強(qiáng)，為此生物質(zhì)和煤中更多的化學(xué)組分將無(wú)法進(jìn)行還原反應(yīng)以得到H2和CO；二是達(dá)到更高的反應(yīng)溫度需通入更多的空氣量，合成氣中的其它組分將在一定程度上被N2稀釋，因此除了N2和H2O外，其它組分的含量均隨著反應(yīng)溫度升高而下降。

氣化反應(yīng)得到的合成氣低位熱值和氣化效率如圖2所示。在850℃及以上的反應(yīng)溫度下，所得到的合成氣低位熱值在3.5～6.3 MJ／m3，也隨著氣化反應(yīng)溫度的升高而降低，主要原因是更多的原料將參與氧化反應(yīng)及N2的稀釋作用。由于反應(yīng)溫度升高，原料的化學(xué)能未轉(zhuǎn)化為合成氣的化學(xué)能，而是通過(guò)氧化反應(yīng)以熱能的形式釋放出來(lái)，更多的熱能未能被有效回收利用，氣化效率也具有下降趨勢(shì)，熱力學(xué)性能較差。因此，應(yīng)在氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和氣化反應(yīng)熱力學(xué)性能之間尋求合適的平衡點(diǎn)。

圖2 不同氣化溫度下的氣化性能

2.2 wbio和S／B對(duì)氣化反應(yīng)的影響

根據(jù)反應(yīng)器中的氣化壓力（1.8 MPa），通過(guò)回收合成氣的顯熱來(lái)生產(chǎn)1.8 MPa／210℃的蒸汽，作為氣化劑送入氣化反應(yīng)器中。

wbio分別取0、0.1、0.2、0.5和1.0，同時(shí)參與氣化反應(yīng)的S／B也從0升至1.0，不同工況下的氣化效率如圖3所示。提高S／B，即增大參與反應(yīng)的水蒸氣流量，將這些水蒸氣加熱至設(shè)定的氣化反應(yīng)溫度需消耗更多的化學(xué)能，此時(shí)氣化過(guò)程的ER值也隨之增大，減少了合成氣中的化學(xué)能，因此氣化效率將隨著S／B增大而下降。同時(shí)，提高生物質(zhì)的摻混比wbio也將對(duì)氣化效率產(chǎn)生不利影響，但在摻混比wbio較低時(shí)，對(duì)氣化效率的影響較小。因此在生物質(zhì)與煤共氣化的反應(yīng)中，需合理調(diào)節(jié)生物質(zhì)的摻混比wbio。

圖3 wbio和S／B對(duì)氣化效率的影響

合成氣熱值在不同工況下的變化情況如圖4所示，提高S／B將降低合成氣的低位發(fā)熱量，其原因主要是更多的原料被氧化以提供足夠的氣化反應(yīng)熱源以及N2的稀釋作用。但在相同反應(yīng)條件下，提高生物質(zhì)的摻混比wbio能提高合成氣的熱值，有利于合成氣的后續(xù)利用。

圖4 wbio和S／B對(duì)合成氣熱值的影響

3 結(jié)論

a.提高氣化反應(yīng)溫度和S／B，能夠在一定程度上改善反應(yīng)的性能，但同時(shí)氣化過(guò)程的熱能消耗也增加，即降低氣化合成氣的熱值及氣化效率。

b.增大共氣化過(guò)程中的wbio，雖然降低了氣化效率，但有助于提高合成氣的熱值，實(shí)現(xiàn)合成氣的后續(xù)利用，同時(shí)通過(guò)替代部分化石燃料，也有利于減少CO2和各類污染物的排放量。

［1］ 張永興，祁曉楓.電力節(jié)能減排的形勢(shì)和對(duì)策［J］.東北電力技術(shù)，2007，28（11）：1-4，37.

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［5］ 張科達(dá)，步學(xué)朋，王 鵬，等.生物質(zhì)與煤在CO2氣氛下共氣化特性的初步研究［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2009，32（3）：9 -12.

［6］ 宋新朝，李克忠，王錦鳳，等.流化床生物質(zhì)與煤共氣化特性的初步研究［J］.燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（3）：303-308.

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Simulation and Analysis on the Process of Co?gasification of Biomass and Coal

ZHENG Kai1，JIA Jia2
（1.Guodian Suzhou Power Plant Co.，Ltd.，Suzhou，Anhui 234000，China；2.China Datang Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 102206，China）

A co?gasification system for biomass and coal is developed in this work，and a commercial process simulated.The effects of gasification temperature，the blending ratio of biomass and the S／B on the gasification performance are investigated.The results indi?cate that the heat value of syngas and gasification efficiency will be reduced with the increase of the gasification temperature and the S／B，because more feedstock should be oxidized for providing sufficient reaction hear of co?gasification.Compared with the stand?only gasification of coal，the gasification efficiency will be decreased with the rise of the blending ratio of biomass，whereas the heat value of syngas will be improved to some extent.Additionally，the mitigation of CO2and other pollutant emission will be achieved，since a part of fossil fuel is substituted by biomass as renewable energy.

Biomass；Coal；Co?gasification；Performance evaluation

TK6

A

1004-7913（2015）03-0007-03

鄭 凱（1986—），男，助理工程師，主要從事火力發(fā)電廠集控運(yùn)行工作。

2014-12-09）