甘蔗渣與煤共氣化試驗研究

王立群,許超杰,白文斌,陳　沖

(江蘇大學，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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甘蔗渣與煤共氣化試驗研究

王立群,許超杰,白文斌,陳沖

(江蘇大學，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：利用流化床氣化爐進行甘蔗渣與煤混合原料的氣化，以水蒸氣和空氣為氣化劑，進行連續(xù)氣化生產(chǎn)低熱值混合燃氣。試驗過程中，通過改變氣化溫度、S/B(水蒸氣/生物質)、空氣當量比3個試驗操作參數(shù)，記錄不同工況下的生成燃氣組分以及燃氣熱值，尋求甘蔗渣與煤共氣化試驗中的最佳操作工況。得出試驗最佳工況為：氣化溫度為950 ℃左右，S/B值為0.25，空氣當量比為0.24，生物質與煤的混合比例為4∶1。在此工況下進行氣化試驗，制得燃氣最為純凈、氣體熱值最高，為6.9MJ/m3左右。

關鍵詞：生物質；流化床；共氣化；最佳工況

人類文明的進步與能源密不可分。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人類對于能源的需求也不斷增大，煤、石油、天然氣被大量消耗且消耗的速度也在不斷增加。由于具有不可再生性，化石能源的枯竭似乎已經(jīng)成了現(xiàn)代社會發(fā)展的必然趨勢。按目前技術水平測算，煤炭、天然氣、石油分別可供繼續(xù)開采200、60、40年[1]。另外，由于對化石能源的不合理開發(fā)和利用使得溫室效應、酸雨、大氣水體污染等問題日益嚴重，人類面臨著巨大的環(huán)境污染危機。對于我國能源結構來說，生物質能源的利用和開發(fā)具有巨大的潛力。目前，我國對生物質能源的利用率僅有1%～3%左右[2]。直接燃燒技術仍為農(nóng)村生物質利用的主要手段，其燃燒效率低(10%～20%)[3]、環(huán)境污染大[4]。而農(nóng)村60%的生活能耗來源于生物質原料直接燃燒，占農(nóng)村總能耗的32%[5]。流化床氣化爐氣化技術生成的燃氣組分主要為H2、CH4、CO、CO2等，氣化效率大幅度提高[5]。在此前提下，怎樣優(yōu)化試驗操作，尋求最佳生物質氣化試驗工況是一個非常有意義的研究課題。

1甘蔗渣與煤共氣化反應機理分析

生物質與煤共氣化是在高溫條件下將煤與生物質中可燃的部分轉化成例如CO、CH4、H2等可燃氣體的過程。該過程中燃燒和氣化密不可分，燃燒階段為氣化階段提供了所需的熱量，氣化過程是缺氧燃燒或者部分燃燒，氣化過程的進行取決于燃燒階段的放熱狀況。

試驗過程中生物質與煤混合原料由上部加入，爐體自上而下可分4個層[6]：干燥層、裂解層、還原層和裂解層。流化床氣化爐工作原理如圖1所示[7]。

圖1　甘蔗渣與煤共氣化流化床工作原理

干燥層：甘蔗渣加入后首先進入位于最上部的干燥層，帶有水分的物料與下面3層的熱氣體進行熱量交換，從而使自身水分蒸發(fā)，達到干燥的目的。該層的溫度為100～300 ℃。干燥層中的干物料一部分會掉入下一層的裂解層中，余下的水蒸氣則排出爐外。

裂解層:甘蔗渣在該層主要發(fā)生裂解反應，反應所需能量主要來源于還原層和氧化層所生成的熱氣。熱氣體將熱量傳給生物質，使其先發(fā)生裂解反應。該層的溫度為400～600 ℃。反應析出H2、CH4、CO2、CO、水蒸氣、焦油等，反應殘余的煤炭沉至還原層，熱氣體上升至干燥層。

還原層：由于還原層沒有氧氣，該層中的碳與二氧化碳發(fā)生還原反應，生成和H2和CO等，過程為吸熱反應。該層主要產(chǎn)物為CO、CO2、H2等，這些熱氣體部分進入上層的裂解層，其中沒有反應完全的木炭則進入氧化層。試驗所需的氣化劑從爐體底部進入，與熱灰渣進行換熱，經(jīng)過加熱的氣化劑又跟炙熱的碳發(fā)生燃燒反應，產(chǎn)生二氧化碳，放出熱量。但由于氧氣供給并不充分，又會發(fā)生不完全燃燒反應，產(chǎn)生一氧化碳，該過程是放熱反應。氧化層發(fā)生的燃燒反應放出大量的熱量，為其他3層提供了熱量，其產(chǎn)物(CO、CO2)進入上層還原層，產(chǎn)生的灰分則落入下層灰室。

氧化層：試驗所需的氣化劑從爐體底部進入，與熱灰渣進行換熱，經(jīng)過加熱的氣化劑又跟炙熱的碳發(fā)生燃燒反應，產(chǎn)生二氧化碳，放出熱量，但由于氧氣供給并不充分，又會發(fā)生不完全燃燒反應，產(chǎn)生一氧化碳，是放熱反應。氧化層的溫度高達1 000～1 200 ℃。該層發(fā)生的燃燒反應放出了大量的熱量，為其他的3層提供了熱量，所產(chǎn)生的產(chǎn)物(CO、CO2)進入上層還原層，產(chǎn)生的灰分則落入下層灰室。

氣化區(qū)通常是氧化層與還原層的結合，氣化反應在這兩層中進行。干燥和裂解層通常被稱為燃料預處理區(qū)和物料準備區(qū)。反應原理類似于干餾，載熱體是來自氣化區(qū)中的熱氣體。正如上文所述，將爐內反應簡單分為幾層并非絕對準確，同一個反應有可能在不同的層中同時出現(xiàn)。所以，上述劃分的氣化爐中的層次只是氣化過程中分為的大概的幾個區(qū)段。

生物質與煤共氣化的過程反應非常復雜，主要反應如下：

C+H2O=CO+H2-131.4kJ/mol

(1)

C+2H2O=CO2+2H2-90.2kJ/mol

(2)

CO+H2O=CO2+H2+41.2kJ/mol

(3)

CH4+H2O=CO+H2-206.1kJ/mol

(4)

C+2H2=CH4+74.9kJ/mol

(5)

C+CO2=2CO-172.5kJ/mol

(6)

2氣化試驗過程

本試驗的生物質原料選取了南方地區(qū)常見的甘蔗渣，煤選用長焰煤。甘蔗渣作為一種典型的生物質原料，其物理特性及化學特性直接影響到它的熱化學轉化的過程，這些物理特性有：密度、顆粒度、含水量、流動性等?；瘜W特性見表1[8]。

表1　甘蔗渣與長焰煤工業(yè)分析

2.1原料預處理

甘蔗渣是一種含水量較大的生物質原料，其含水量通常都在50%左右，如此大含水量的生物質原料直接用于氣化，會對后續(xù)試驗考慮因素產(chǎn)生很大的影響。當含水量較大的甘蔗渣原料進行氣化時，會首先進行水分揮發(fā)，使耗能增大，降低了氣化溫度，因此對原料進行預處理十分必要。一般原料干燥方法都是以高耗能為代價，這對于大規(guī)模氣化試驗制取燃氣顯然不利，因此需要尋找一種適合甘蔗渣的干燥方法。

本試驗由于條件有限，采用自然干燥法進行原料的干燥預處理，在氣溫較高的情況下通過晾曬的方法對其進行干燥。經(jīng)過48h的晾曬之后，甘蔗渣的含水量下降到20%以下，已經(jīng)符合氣化試驗的要求。干燥完成后，將干燥的生物質與長焰煤按質量比4∶1的比例混合，作為試驗原料使用。

2.2實驗設備

本實驗涉及的實驗設備主要有：流化床氣化爐、高溫旋風分離器、生物質干燥器、洗滌塔、儲氣柜、沉淀水池、儲灰箱、余熱鍋爐、螺旋加料機、分析檢測系統(tǒng)等。試驗工藝流程圖如圖2所示。

1.流化床氣化爐; 2.旋風分離器; 3.余熱鍋爐; 4.洗滌塔; 5.儲氣柜; 6.煙囪; 7.沉淀水池; 8.羅茨風機; 9.灰室; 10.帶螺旋加料機的煤倉; 11.帶螺旋加料機的生物質儲存?zhèn)}; 12.風室; 13.布風板; 14.蒸汽噴嘴; 1-1.空氣控制閥;1-2.延期控制閥; 1-3.蒸汽控制閥; 1-4.燃氣控制閥

圖2生物質與煤共氣化流化床氣化試驗工藝流程

2.3主要試驗步驟

1) 原料特性分析，重點分析甘蔗渣的特性。

2) 利用螺旋加料器進行冷態(tài)試驗，確定開始試驗時所需的加料量。

3) 進行熱態(tài)試驗，改變輸入生物質量、輸煤量、溫度、空氣流量、制取并收集不同工況下的燃氣。

4) 對所制取的燃氣進行分析。

5) 通過對燃氣的分析，得出不同氣化參數(shù)對試驗結果的影響。

6) 通過不同參數(shù)對氣化反應的影響，取主要反應因素，綜合考慮氣化反應成本，得出最佳反應工況。

3結果與分析

試驗采用經(jīng)預處理的原料通入水蒸氣-空氣作為氣化劑進行氣化試驗。對不同工況下生成燃氣進行收集。

3.1氣化溫度對于氣化反應的影響

分別取氣化溫度為800，850，900，950，1 000 ℃ 時的燃氣組分及熱值，試驗結果如圖3所示。

圖3　氣化溫度對燃氣組分及燃氣熱值的影響

氣化溫度對燃氣熱值的影響由圖3可知：隨著氣化溫度的升高，燃氣熱值先是不斷上升，在950℃以上時，熱值開始出現(xiàn)緩慢的下降，主要是由于燃氣組分發(fā)生了變化。隨著溫度升高，熱值較高的H2和CO含量相應增大，而低熱值的CH4、CnHm濃度降低，而CO和H2升高幅度又比低熱值燃氣的減少幅度大，于是燃氣熱值先不斷上升，隨著溫度繼續(xù)升高，氣化效率變低，外界的熱量必將更多地轉移到燃氣中去。因此，當氣化反應超過950 ℃時，燃氣熱值隨著氣化溫度的繼續(xù)升高呈緩慢的下降趨勢。

氣化溫度的升高總體上有利于氣化反應的進行，但并非氣化溫度越高越好。當氣化反應溫度超過最佳反應溫度時，氣化反應組成與燃氣熱值將趨于穩(wěn)定，但是隨著反應溫度的升高，能耗急劇增加。所以，綜合考慮氣化反應的升溫能耗成本，氣化反應溫度控制在稍高于950 ℃左右為最佳。

3.2S/B對氣化試驗的影響

保持空氣當量比(ER)不變，為0.25，通過調節(jié)水蒸氣的輸入量，使S/B在0.15～0.35之間變化，試驗制得燃氣組分及燃氣熱值如圖4所示。

圖4　S/B對燃氣成分以及燃氣熱值的影響

由圖4可知：隨著S/B的不斷升高，水蒸氣的輸入量增大，降低了氣化溫度，影響了氣化效果，水蒸氣含量的增加也增加了燃氣中的氫氣含量，起到改善燃氣的作用。

隨著S/B的增大，燃氣中的氫氣含量由16.8%上升至19.8%，又下降至18.7%。CO含量也呈相同的趨勢，先從13.8%上升至16.5%，再下降至14.6%。甲烷含量從5%下降至3.9%然后升至4.6%。同樣的，CO2含量先從15.4%下降至13.7%，再上升至16%。碳氫化合物的含量隨著S/B的增大不斷減少。由圖4可知：水蒸氣的含量增加，使水蒸氣的反應向右進行，反應(1)～(4)都會使H2和CO的含量增加，同時使甲烷和碳氫化合物的含量降低。但是，水蒸氣的持續(xù)加入降低了氣化反應的溫度，導致CH4與碳氫化合物含量的增大以及H2和CO含量的下降，因此各燃氣組分會出現(xiàn)上述上升與下降的趨勢。

燃氣熱值隨著S/B的增大升高至6.92MJ/m3。在此過程中，H2和CO的含量均有所上升；甲烷含量雖有所降低，但因甲烷含量在燃氣中所占比例較小，故燃氣熱值總體呈上升趨勢。在S/B為0.25～0.35范圍內，燃氣熱值降至6.68MJ/m3；H2和CO的含量有所降低，導致燃氣熱值下降?？梢缘贸觯篠/B為0.25左右時，燃氣熱值達到最大值，此時氣化反應溫度為900 ℃左右。

3.3當量比對氣化反應的影響

控制氣化溫度在950 ℃左右，保持S/B為0.24不變，通過改變輸入空氣量來調節(jié)空氣當量比，使其從0.2逐漸增加至0.28。該過程中的燃氣組分及燃氣熱值變化如圖5所示。

圖5　當量比對燃氣組分及燃氣熱值的影響

隨著當量比不斷增大，氣化溫度也隨之升高，氣化溫度隨當量比變化過程如圖5所示，氣化溫度不斷升高。由圖5可知：隨著當量比增加，H2含量不斷增加，由11.2%增加至23.4%；CO2含量呈現(xiàn)相同的趨勢，隨當量比增加呈上升趨勢，由11.3%增加至14.7%；甲烷與碳氫化合物的含量隨當量比增大不斷下降。隨當量比的增大，氣化反應中的氧氣含量增大，使得氣化反應中的氧化反應增強，促使熱解反應向前推進，對燃氣質量的提高有一定的促進作用；另一方面，氧化反應的增強導致了揮發(fā)成分的燃燒，也會導致燃氣質量的下降。燃氣熱值隨著當量比的增大，從6.68MJ/m3上升至6.94MJ/m3，又下降至6.72MJ/m3，呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，與上述分析基本符合。

在氣化實驗過程中，確認最佳ER值需要考慮多方面因素，本實驗ER的最佳值在0.24左右。

4結論

1) 綜合加熱耗能成本考慮，甘蔗渣與煤共氣化最佳反應溫度在950 ℃左右。

2) 當S/B為0.25時，氣化反應生成燃氣最佳，但是隨著水蒸氣的不斷加入，導致氣化溫度有所降低，進而對氣化效果有一定影響。

3) 空氣當量比為0.24時，燃氣組分及熱值最佳。

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(責任編輯何杰玲)

Experiment of Co-Gasification of Sugarcane Bagasse and Coal

WANG Li-qun, XU Chao-jie, BAI Wen-bin, CHEN Chong

(Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:Experimentofco-gasificationofsugarcanebagasseandcoalinafluidizedbedgasifierwasprocessed,withwatervaporandairasgasificationagent,andcontinuousgasificationtoproductegaswasconducted.Withthechangeoftemperature, S/BandER,gascomponentanditscalorificvaluewerechanged,andthegascomponentanditscalorificvaluewhentheworkingconditionchangedwererecordedintheexperimentalprocess.Andwegotthebestworkingcondition:whenthatthetemperatureeis950 ℃, S/Bisequalto0.25,andtheratioofbiomassandcoalis4∶1,thegasisthebest,andthecalorificvalueisthehigest,whichisabout6.9MJ/m3.

Keywords:biomass;fluidizedbed;co-gasfication;bestoptimumcondition

收稿日期：2016-01-21

基金項目：江蘇省科技支撐計劃資助項目(BE200851)

作者簡介：王立群(1984—)，男，副研究員，主要從事能源與動力工程研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.012

中圖分類號：TK6

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0070-05

引用格式：王立群,許超杰,白文斌,等.甘蔗渣與煤共氣化試驗研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(6):70-74.

Citationformat：WANGLi-qun,XUChao-jie,BAIWen-bin,etal.ExperimentofCo-GasificationofSugarcaneBagasseandCoal[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(6):70-74.