玉米秸稈循環(huán)流化床熱解氣化試驗(yàn)*

于 杰，王成泉，于圣濤，董玉平，常加富，董 磊

（1. 山東百川同創(chuàng)能源有限公司，濟(jì)南 250101；2. 山東省生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250101；3. 山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

0 引 言

在人類共同應(yīng)對全球氣候變化大背景下，世界各國紛紛制定能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，不斷尋求低成本清潔能源替代方案，推動經(jīng)濟(jì)綠色低碳轉(zhuǎn)型。生物質(zhì)能是唯一可直接轉(zhuǎn)化為熱力的新能源，應(yīng)發(fā)揮其能源特性和比較優(yōu)勢[1-2]。作為農(nóng)業(yè)大國，我國每年秸稈類生物質(zhì)的產(chǎn)生量都極其豐富，并且由于生物質(zhì)的揮發(fā)性組分含量大、碳的活性高、灰分及硫元素含量低，使其自然成為理想的通過熱解氣化等熱化學(xué)轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)能源化利用的原材料[3-4]。

傳統(tǒng)的固定床氣化方法生產(chǎn)強(qiáng)度較小，不適宜較大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)[5-7]。而流化床氣化爐，特別是循環(huán)流化床氣化爐的入爐燃料量及風(fēng)量可以嚴(yán)格控制，氣化強(qiáng)度高，且燃?xì)獾臒嶂悼稍谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)調(diào)整，適合一定規(guī)模的供氣或供熱系統(tǒng)[8-11]。

已有學(xué)者對秸稈類生物質(zhì)的熱解氣化進(jìn)行相關(guān)研究，耿峰等[12]以玉米秸稈顆粒為原料，利用下吸式固定床氣化爐進(jìn)行了空氣熱解氣化，并與鼓泡式流化床氣化爐進(jìn)行的富氧熱解氣化結(jié)果進(jìn)行了對比；諸林等[13]以松木與玉米秸稈為原料進(jìn)行了串行流化床氣化動力學(xué)模擬；廖洲[14]采用TG-FTIR對玉米秸稈與油菜秸稈熱解氣體產(chǎn)物進(jìn)行了分析；曾曦等[15]研究了玉米秸稈與煤在流化床中的水蒸氣共氣化特性；蒲舸等[16]研究了玉米秸稈與貧煤在固定床內(nèi)的共氣化實(shí)驗(yàn)。已有的研究表明，以空氣為氣化介質(zhì)時，空氣當(dāng)量比、氣化介質(zhì)溫度及原料含水率對氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度、燃?xì)饨M分、焦油含量、氣化效率等氣化特性均有較顯著的影響[9-10,14]。然而相關(guān)的研究少有關(guān)于循環(huán)流化床玉米秸稈試驗(yàn)的報(bào)道。因此，設(shè)定氣化爐運(yùn)行為額定進(jìn)料量，分別在常溫與預(yù)熱空氣介質(zhì)兩種條件下，研究了空氣當(dāng)量比及原料含水率對氣化爐溫度、氣化燃?xì)饨M分與熱值、氣化效率以及氣化燃?xì)庵薪褂秃康葰饣匦缘挠绊?，探索較為理想的氣化工藝及運(yùn)行參數(shù)，為秸稈類生物質(zhì)氣化中試系統(tǒng)的放大與規(guī)?；こ虘?yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)選用玉米秸稈，取自山東省鄒城市，秸稈清除根部泥土，保留整株根莖葉相對完整，利用秸稈粉碎機(jī)將原料粉碎，篩出粒徑大的物料再次粉碎，選取粒徑小于10 mm的樣品，自然通風(fēng)晾曬，并利用以蒸汽為熱源的槳葉干燥機(jī)干化至試驗(yàn)所需的不同含水率保存?zhèn)溆谩Ｔ囼?yàn)原料的工業(yè)分析及元素分析列于表1。

表1 玉米秸稈工業(yè)分析與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of corn straw

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1所示，主要由進(jìn)料裝置、循環(huán)流化床氣化爐、旋風(fēng)分離器、空氣預(yù)熱器、燃?xì)鈨艋c存儲、溫度與壓力檢測系統(tǒng)組成。設(shè)計(jì)循環(huán)流化床主爐高度約10 m、內(nèi)徑0.35 m，使用0.3 ～ 0.8 mm粒徑的石英砂為床料，玉米秸稈額定進(jìn)料量為 150 kg/h，于主爐底部風(fēng)室與氣化原料進(jìn)料口間設(shè)置溫度及壓力測點(diǎn)T1/P1，在進(jìn)料口與主爐頂部間由下向上依次設(shè)置溫度壓力測點(diǎn) T2/P2、T3/P3與T4/P4，在循環(huán)流化床的返料管設(shè)置T5/P5與T6/P6，在線監(jiān)測氣化爐的運(yùn)行情況，為研究方便，取各測點(diǎn)溫度的平均值為氣化爐內(nèi)平均溫度。試驗(yàn)過程中，由螺旋進(jìn)料裝置控制原料的連續(xù)均勻供給；鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后供給氣化爐作為氣化介質(zhì)，在風(fēng)機(jī)與氣化爐風(fēng)室之間的管道上安裝調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，以此控制風(fēng)量調(diào)節(jié)氣化爐內(nèi)的空氣當(dāng)量比。通過空氣預(yù)熱器將氣化燃?xì)庵械娘@熱轉(zhuǎn)化到氣化介質(zhì)中供入氣化爐，穩(wěn)定運(yùn)行時可以將常溫空氣預(yù)熱至約250℃。

圖1 循環(huán)流化床氣化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置圖Fig. 1 Schematic of circulating fluidized bed gasification system

1.3 試驗(yàn)方法與步驟

空氣當(dāng)量比是指氣化過程中消耗的空氣量（Nm3/kg）與進(jìn)樣原料完全燃燒所需要的理論空氣量（Nm3/kg）之比，是氣化工藝的重要控制參數(shù)，用ER表示。原料完全燃燒所需要的理論空氣量根據(jù)式（1）計(jì)算[17]

式中，0V為原料完全燃燒所需要的理論空氣量，Nm3；C、S、H、O分別表示原料中碳、硫、氫、氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt%。

試驗(yàn)運(yùn)行中，在調(diào)節(jié)工況時觀察氣化爐溫度與壓力監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化，等待運(yùn)行穩(wěn)定后于取樣點(diǎn)采集氣化燃?xì)鈽悠?，測試燃?xì)饨M分與燃?xì)庵械慕褂秃俊Ｈ細(xì)馀c焦油取樣裝置如圖 2所示[18]，采集的燃?xì)鈽悠肥紫冉?jīng)過冰水浴捕集瓶，利用丙酮溶液吸收焦油，并在干燥過濾后連接 Micro GC Agilent-3000氣相色譜儀檢測燃?xì)鈽悠返闹饕M分，其中色譜檢測器選用氫火焰離子化檢測器與熱導(dǎo)傳感器，載氣為氦氣、壓力0.5 MPa、在毛細(xì)管柱內(nèi)的流速設(shè)為 1 mL/min，柱箱溫度 90℃，汽化室溫度120℃，檢測器室溫度120℃。為減小試驗(yàn)誤差，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時在相同工況下每30 min取樣一次，每種工況取樣3組，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 燃?xì)馀c焦油取樣裝置Fig. 2 Schematic of sampling device of tar and biomass gas

對不同工況下測得的燃?xì)庵饕煞郑–H4、CnHm、CO、H2、CO2），按式（2）計(jì)算燃?xì)獾臀粺嶂礫19]

式中，Qv為燃?xì)獾臀粺嶂担琈J/m3分別表示燃?xì)鈽悠分胁伙柡蜔N、CO、CH4和H2的體積分?jǐn)?shù)，%。

利用 RE52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，在水浴溫度 50℃、絕對壓力0.04 MPa、轉(zhuǎn)速60 r/min、循環(huán)冷卻水溫≤5℃條件下，揮發(fā)丙酮溶劑，當(dāng)蒸餾燒瓶內(nèi)殘留液體流動性較差時，取下蒸餾燒瓶擦拭表面水分后置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫，由FA2004A分析天平稱量質(zhì)量，重復(fù)蒸餾冷卻稱重步驟，直至兩次重量之差不超過 10 mg，取最后稱量兩組數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算焦油質(zhì)量，按式（3）計(jì)算單位體積燃?xì)庵械慕褂唾|(zhì)量含量

式中，λ為焦油和燃?xì)赓|(zhì)量體積比，mg/m3；m為燃?xì)鈽悠分兴褂唾|(zhì)量，mg；q為取樣燃?xì)怏w積，m3。

氣化效率按式（4）計(jì)算[20]

式中，η為氣化效率，%；Vm為單位質(zhì)量原料的產(chǎn)氣量，m3/kg；Qv為燃?xì)獾臀粺嶂担琈J/m3；Qgr為玉米秸稈原料的發(fā)熱量，MJ/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 ER對氣化特性的影響

ER是影響生物質(zhì)氣化的關(guān)鍵因素，當(dāng)ER較大時，氧化反應(yīng)強(qiáng)，反應(yīng)溫度高，氣化爐內(nèi)易造成結(jié)渣現(xiàn)象；當(dāng)ER較小時，氧化反應(yīng)強(qiáng)度弱，氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度低，易發(fā)生碳轉(zhuǎn)化率低，物料反應(yīng)不完全，從而影響氣化效率。試驗(yàn)過程中首先選用含水率約15%的原料，設(shè)定物料進(jìn)料量為額定設(shè)計(jì)值150 kg/h，在常溫空氣與預(yù)熱空氣兩種氣化介質(zhì)溫度工況下研究不同空氣當(dāng)量比對氣化特性的影響。

當(dāng)氣化劑溫度不同時，ER對氣化爐內(nèi)溫度與燃?xì)庵薪褂秃康挠绊懭鐖D3所示。由圖3可知，在常溫空氣與預(yù)熱空氣兩種工況下，隨著ER的增大，氣化爐內(nèi)的平均溫度均為不斷上升的趨勢，而氣化燃?xì)庵薪褂秃縿t是逐漸降低。ER的增大會使氣化爐內(nèi)的氧氣含量升高，有利于促進(jìn)氣化爐內(nèi)物料的氧化燃燒反應(yīng)釋放熱量，從而提高整個爐膛內(nèi)的平均溫度。

圖3 ER對氣化爐內(nèi)溫度與燃?xì)庵薪褂秃康挠绊慒ig. 3 Effect of air equivalent ratio on average temperature in gasifier and tar mass concentration

對比圖3中的氣化劑為常溫空氣和預(yù)熱空氣兩種工況，可以發(fā)現(xiàn)在相同 ER條件下，常溫空氣比預(yù)熱空氣工況時的氣化爐溫度低，焦油含量高。這是因?yàn)闅饣癄t內(nèi)的平均溫度在 700℃以上，無論常溫空氣或預(yù)熱空氣作為氣化劑通入氣化爐時都需要吸收一定的熱量使其達(dá)到氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度，當(dāng)預(yù)熱空氣作為氣化劑時在氣化爐內(nèi)吸熱所消耗的能量低于常溫空氣，能量利用率得到了提高，因此預(yù)熱空氣氣化劑工況下的氣化爐溫度較高，而高溫可以促使燃?xì)庵械拇蠓肿咏褂皖愇镔|(zhì)裂解更加充分，因而預(yù)熱空氣氣化劑工況下氣化燃?xì)庵械慕褂秃恳草^低。

ER對燃?xì)饨M分的影響如表2所示，對燃?xì)鉄嶂导皻饣实挠绊懭鐖D4所示。由表2與圖4可以看出，氣化劑溫度不同時，氣化燃?xì)獾慕M分、燃?xì)鉄嶂导皻饣孰S ER的變化趨勢基本一致。隨著ER增加，燃?xì)饨M分中的CO含量逐漸減小，CO2含量逐漸增大，H2與CH4的含量均呈現(xiàn)出先小幅升高后有較大下降的趨勢，CnHm基本是單調(diào)遞減，當(dāng)ER升高到0.26后的遞減幅度變大。

表2 常溫與預(yù)熱空氣條件下，ER對燃?xì)饨M分的影響Table 2 Effect of air equivalent ratio on gas component under different gasification agent temperature conditions

圖4 ER對燃?xì)鉄嶂蹬c氣化效率的影響Fig. 4 Effect of air equivalent ratio on gas calorific value and gasification efficiency

ER的增加，使得氣化爐內(nèi)的氧化反應(yīng)增強(qiáng)，提高了氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度，有利于秸稈中揮發(fā)分析出與裂解，生成更多的 CO、H2等小分子物質(zhì)，但同時也增加了原料的燃燒，部分 CO與 O2反應(yīng)生成CO2，從而消耗CO產(chǎn)生更多CO2，兩方面因素共同作用造成最終產(chǎn)氣CO含量降低、CO2含量升高。生成CH4的反應(yīng)多伴有放熱過程[21]，隨著ER增大與氣化爐內(nèi)溫度的升高，導(dǎo)致CH4生成受到抑制，造成其含量的降低。

根據(jù)式（2）可知燃?xì)鉄嶂抵饕Q于可燃?xì)怏w組分的含量，因此圖4中燃?xì)鉄嶂惦S著ER增加基本是單調(diào)遞減的趨勢。當(dāng) ER較小時，氣化反應(yīng)難以進(jìn)行完全，雖氣化燃?xì)鉄嶂递^高，但產(chǎn)氣量小，氣化效率偏低；而隨ER增大時，雖產(chǎn)氣熱值降低，但產(chǎn)氣量增大，故而氣化效率整體呈現(xiàn)出先增后減的變化。

綜合表2與圖4可得，當(dāng)氣化劑為常溫空氣時，理想的ER為0.26 ～ 0.32，燃?xì)鉄嶂禐?.4 ～ 5.1 MJ/m3，氣化效率為68% ～ 71%，該工況下最佳ER為0.29，此時燃?xì)鉄嶂禐?.8 MJ/m3、氣化效率為71.1%；當(dāng)氣化劑為 250℃預(yù)熱空氣時，理想的 ER為 0.23 ～0.29，燃?xì)鉄嶂禐?5.2 ～ 5.8 MJ/m3，氣化效率為77% ～ 81%，該工況下最佳ER比為0.26，燃?xì)鉄嶂悼蛇_(dá)5.7 MJ/m3、氣化效率為81.5%。對比常溫空氣與預(yù)熱空氣兩種條件，預(yù)熱空氣工況時的燃?xì)鉄嶂蹬c氣化效率均有一定程度的提高，具有較好的氣化特性。

2.2 含水率對氣化特性的影響

試驗(yàn)過程中設(shè)定原料進(jìn)料量150 kg/h，ER 保持在0.26 ～ 0.29，分別在常溫空氣與預(yù)熱空氣兩種條件下研究原料不同含水率單一因素對氣化特性的影響規(guī)律。

原料含水率對氣化爐內(nèi)溫度與燃?xì)庵薪褂秃康挠绊懭鐖D5所示，隨著原料含水率增加，水分發(fā)生汽化吸收的熱量增多，氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度下降，進(jìn)而影響到焦油裂解，使得燃?xì)庵械慕褂秃侩S著含水率增加而升高；當(dāng)原料含水率超過15%時，常溫空氣工況下的氣化爐內(nèi)平均溫度下降明顯，對應(yīng)工況下的焦油含量增幅也較大。比較常溫空氣與預(yù)熱空氣兩種條件，預(yù)熱空氣作為氣化劑工況時的氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度較高，所得氣化燃?xì)庵械慕褂秃枯^少。

不同氣化劑溫度條件下，原料含水率對燃?xì)饨M分的影響如表3所示，對燃?xì)鉄嶂导皻饣实挠绊懭鐖D6所示。由表3和圖6可以看出，氣化劑溫度不同時，氣化燃?xì)獾慕M分、燃?xì)鉄嶂导皻饣孰S原料含水率的變化趨勢是一致的。隨著含水率的增大，燃?xì)庵械腃O2與H2含量逐漸升高，CO含量下降，CH4與CnHm含量均為先增加后下降。氣化反應(yīng)過程中，原料中的水分吸收熱量變成水蒸氣，原料含水率的增大使得氣化爐內(nèi)的水蒸氣含量增加，促進(jìn)了水與原料中碳元素的反應(yīng)，生成較多的 CO2與H2；水蒸氣的增大對于CH4的產(chǎn)生具有促進(jìn)作用，但部分 CH4也會與水蒸氣參與反應(yīng)而消耗，因此CH4含量整體呈現(xiàn)出的變化幅度不大。

圖5 含水率對氣化爐內(nèi)溫度與燃?xì)庵薪褂秃康挠绊慒ig. 5 Effect of water content on average temperature in gasifier and tar mass concentration

由計(jì)算式（4）可知，氣化效率與燃?xì)鉄嶂导叭細(xì)猱a(chǎn)率二者均為正相關(guān)，當(dāng)含水率＜15%時，隨著含水率的增大，促進(jìn)了秸稈原料的氣相轉(zhuǎn)化，所得的氣化燃?xì)鉄嶂瞪?，且氣體產(chǎn)率也有一定的上升，因此氣化效率升高較快；當(dāng)含水率＞15%時，燃?xì)鉄嶂蹬c氣體產(chǎn)率均隨含水率增大而減小，造成了氣化效率的快速下降。

表3 常溫與預(yù)熱空氣條件下，含水率對燃?xì)饨M分的影響Table 3 Effect of water content on gas component under different gasification agent temperature conditions

圖6 含水率對燃?xì)鉄嶂蹬c氣化效率的影響Fig. 6 Effect of water content on gas calorific value and gasification efficiency

綜上，在 ER基本固定的條件下，水蒸氣含量的增加或氣化劑溫度的升高對氣化反應(yīng)的進(jìn)行具有一定的促進(jìn)作用，燃?xì)鉄嶂蹬c氣化效率隨原料含水率變化存在一個較理想的區(qū)間范圍。由圖6可知，氣化劑為常溫空氣或預(yù)熱空氣條件下，理想的氣化原料含水率均為10% ～ 20%，當(dāng)含水率為15%時燃?xì)鉄嶂蹬c氣化效率均達(dá)到最大值；對比常溫空氣與預(yù)熱空氣兩種工況，在相同的原料含水率條件下，預(yù)熱空氣工況時的燃?xì)鉄嶂蹬c氣化效率均有一定程度的提高，其可能的原因是，在不同含水率試驗(yàn)時的氣化爐內(nèi)平均溫度均在 700℃以上，無論常溫空氣或預(yù)熱空氣作為氣化劑通入氣化爐后都需要吸收熱量達(dá)到氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度，當(dāng)預(yù)熱空氣作為氣化劑時在氣化爐內(nèi)吸熱所消耗的能量低于常溫空氣，因此預(yù)熱空氣工況下氣化系統(tǒng)的能量利用率得到了提高，氣化爐溫度較高，而高溫一方面可以提高固態(tài)物料的氣相轉(zhuǎn)化率，另一方面也可促進(jìn)粗燃?xì)庵械拇蠓肿咏褂皖愇镔|(zhì)裂解更加充分，生成更多的小分子可燃性氣體，因而整體上提升了氣化效率。對比圖 6中預(yù)熱空氣工況時的氣化效率最大值81.5%比常溫空氣工況時的氣化效率最大值 71.1%提高了14.6%，驗(yàn)證了采用預(yù)熱空氣作為氣化介質(zhì)，適當(dāng)提高氣化劑溫度，可以較顯著的促進(jìn)玉米秸稈類物料的氣化反應(yīng)，提升氣化效率。

3 結(jié) 論

以玉米秸稈為原料，采用循環(huán)流化床氣化中試裝置進(jìn)行氣化試驗(yàn)，分別在常溫空氣與250℃預(yù)熱空氣兩種氣化劑溫度條件下，研究了ER及原料含水率對氣化特性影響規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

（1）使用相同含水率的原料氣化時，隨著 ER的增大，循環(huán)流化床氣化爐內(nèi)的平均溫度升高，燃?xì)庵蠧O2含量增加，CO與焦油含量減少，燃?xì)鉄嶂到档停瑲饣孰S著 ER的增大呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。對比常溫空氣與預(yù)熱空氣兩種條件，預(yù)熱空氣工況時的燃?xì)鉄嶂蹬c氣化效率均有一定程度的提高。當(dāng)氣化劑為常溫空氣時，理想的ER為0.26 ～ 0.32，燃?xì)鉄嶂禐?4.4 ～ 5.1 MJ/m3，氣化效率為 68% ～ 71%；當(dāng)氣化劑為預(yù)熱空氣時，理想的ER為0.23 ～ 0.29，燃?xì)鉄嶂禐?5.2 ～ 5.8 MJ/m3，氣化效率為 77% ～ 81%。

（2）在 ER基本固定的條件下，隨著氣化原料含水率增大，循環(huán)流化床氣化爐內(nèi)的平均溫度下降，燃?xì)庵械腃O2與H2含量及焦油含量逐漸升高，CO含量下降，CH4與CnHm含量均為先增加后下降。氣化劑為常溫空氣或預(yù)熱空氣條件下，較理想的氣化原料含水率均為10% ～ 20%，當(dāng)含水率為15%時燃?xì)鉄嶂蹬c氣化效率均達(dá)到最大值。對比常溫空氣與預(yù)熱空氣兩種工況，在相同的原料含水率條件下，預(yù)熱空氣工況時的燃?xì)鉄嶂蹬c氣化效率均有一定程度的提高。

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