第29卷第2期太陽能學報Vol 29, No. 22008年2月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAFeb,,2008文章編號:0254006(2008)02-04606在流化床氣化爐中生物質與煤共氣化的研究(I以空氣-水蒸汽為氣化劑生產低熱值燃氣王立群1,張俊如3,朱華東3,周浩生12,宋旭,王同章1(1.江蘇大學能源與動力工程學院鎮(zhèn)江22013;2.丹麥技術大學化工工程學院哥本哈根;3.天津華能集團能源設備有限公司,天津301900摘要:在6kW流化床氣化爐工業(yè)示范裝置上以空氣水蒸汽為氣化劑將生物質煤按不同比例進行了共氣化的實驗研究。在實驗研究的運行條件下得到了生物質煤混合比例對氣化爐工作溫度燃氣熱值氣體產率和氣化效率等重要技術參數(shù)的影響。對玉米芯/煤的比例為8/19時的典型實驗結果表明:氣化爐工作溫度86℃,空氣當量比ER=0.21,S/B=0.20時氣體產率19%m3/kg,燃氣熱值64M/m3,氣化效率71.3%,燃氣中焦油含量小于I0mg/m3,該爐經過連續(xù)運行考核,運行平穩(wěn),工況穩(wěn)定。關鍵詞:生物質;流化床;共氣化;空氣水蒸汽中圖分類號:TK6,TQ351.2文獻標識碼:A0引言不僅可以改善流化特性,而且能改善氣化特性。共氣化實驗表明,氣化溫度提高使產出氣中焦油含量生物質容重小、灰分少、含固定碳少在其氣化明顯減少,氣化性能明顯改善。過程中不易形成穩(wěn)定的料層,所以在流化床中需要我們在600kW工業(yè)規(guī)模流化床氣化爐上以生物加入一定惰性粒子(如河砂等)以改善流化床氣化爐質和煤的不同比例,用空氣水蒸汽及純水蒸汽2種的流化特性。近幾年國內有關文獻3提及煤與生氣化劑進行連續(xù)運行試驗并獲得很好的結果。本物質在流化床中共氣化的概念,但其主要研究共燃文論述以空氣水蒸汽為氣化劑生產低熱值燃氣的燒。國外也有少量共氣化研究的報道46。試驗研究結果能方面許多互補性,如生物質熱值較低(約為煤的6%),1生物質流化床氣化爐及其工藝流程揮發(fā)份高(約為煤的2倍),生物質固定碳含量低(約如圖1,該氣化爐以空氣和水蒸汽為氣化劑生為煤的1/4),灰分含量極少,生物質容重約為煤的1產低熱值燃氣氣化爐本體為內有耐火材料襯里外5。從元素分析可以看出,煤為碳氫化合物,生物質有鋼板外殼的圓柱體爐體爐底部直徑為270m,氣為碳水化合物生物質炭含量約為煤的60%氫含量化爐配置有帶料倉的2個螺旋加料裝置,加料量自約為煤的4倍,因此生物質的氣化與煤的氣化明顯動可調。生物質加料口上部裝有4個噴嘴,根據(jù)工不同。煤由于熱值高氣化溫度可達100℃以上,因藝要求加入蒸汽,沿爐體上、中、下布置3個熱電偶此產品氣中焦油含量極少。而生物質熱值低,氣化以測量氣化爐的工作溫度。氣化爐為正壓操作,空溫度僅為700~750℃,產品氣中焦油含量高這是生氣由羅茨風機供給,空氣量由轉子流量計計量,蒸汽物質氣化急待解決的問題。生物質與煤在流化床中由余熱鍋爐供給除一小部分自用外,其余外供。共氣化,煤不僅可以起到惰性粒子的作用且煤粒子該工藝流程由燃氣凈化、余熱回收及燃氣儲存還是發(fā)熱體參與反應過程形成高溫的穩(wěn)定料層,3部分組成由羅茨風機(7)來的空氣從風室經布風中國煤化工收稿日期:20060724CNMHG基金項目:江蘇省科技攻關項目(BE2004304)通訊作者:王立群(1964-),男副研究員主要從事熱能工程領域研究。twq00@yahoo.com.m2期王立群等:在流化床氣化爐中生物質與煤共氣化的研究(I)247板送人爐內,由余熱鍋爐(3)來的水蒸汽經噴嘴送入燃氣焦油含量、煤和玉米芯的工業(yè)和元素分析均現(xiàn)爐內將爐內的生物質(0~10mm)與煤(0~6mm)流場取樣送中心化驗室分析化驗?；乖显诹骰癄顟B(tài)下與空氣、水蒸汽發(fā)生部分燃燒和熱解氣化反應2運行結果與分析C+O2+376N2→2CO0+376N2+Q(1)21數(shù)據(jù)測取與處理方法C+H2O→C0+H2-Q每一工況均需生物質流化床氣化爐穩(wěn)定運行4h后,進行數(shù)據(jù)測取?？紤]到在現(xiàn)有條件下,不可生物質(CH14O06)→可燃氣體(CO,H2,CHCO2等)+焦油和水蒸汽+炭能準確直接測定出總的固體物料分布,因為飛灰、灰分和殘渣混在系統(tǒng)中,也不可能準確測定焦油總量。生物質與煤共氣化這3種反應可在較高的溫度在這種條件下,整個物料平衡也難以實現(xiàn)。然而,產下保持熱平衡,從而可獲得熱值較高、產氣率高焦出的灰渣的量可以通過直接稱重來測定,因為加料油含量少的可燃氣體。爐內反應產生的高溫粗燃氣量、空氣量蒸汽量、飛灰量、產氣量和運行參數(shù)均可從爐出口進入高溫旋風分離器(2)分離下的含炭粉精確測量,燃氣中焦油含量根據(jù)國標GB120890取塵進入儲灰箱(8),初除塵的燃氣進入余熱鍋爐(3樣和測量。燃氣成分用奧式分析儀和氣相色譜儀進與其進行換熱降溫到300℃以下,進入洗滌塔(4)經行分析。根據(jù)以下所定義的特征量對整個工藝過程噴淋洗滌凈化,溫度降至50℃以下,經水封槽進入儲氣柜(5),供用戶使用。余熱鍋爐產生05MPa的襲進行評價氣化爐的平均溫度T為汽,除一部分生產自用外其余外供。軟水T1+T2+73(1)干基產出氣低熱值(LHV),Q(k/m3)Q=4.18(2580×H2%+30.19×C0%+8527×CH%+141.14×C2H4%)(2)其中:H2%,C0%,CH%,CH%(m%)—氣體組成百分數(shù)。氣量(m3h)V1生物質流化床氣化爐2高溫旋風分離器3.余熱鍋爐4洗滌塔5儲氣柜幻沉淀水池:7羅茨風機8儲灰料量(kg/h)箱,9帶螺旋加料機的煤倉;10帶蝶旋加料機的生物其中,Y——氣體產率,m3/kg;M—一加料量,kgh;質倉;11風室;2布風板;13蒸氣噴嘴V—干產氣量,mh圖1生物質流化床氣化爐工藝流程圖氣化效率7,為:Fig. I The process flow of the gasifierrQof fluidized bed of bioma7,=31Q1+S:Q1,%實驗研究分兩個階段。第一階段調整優(yōu)化運其中:S1、S2—生物質和煤在混合料中所占的比行參數(shù)。在使用玉米芯和煤按不同比例在穩(wěn)定狀況下運行進行實驗確定出生物質煤不同比例下,氣例:Q生)、Q1)—生物質和煤的低熱值。蒸汽分化爐的產氣量產氣率、燃氣熱值和氣化效率的變化解率SD(%)為:規(guī)律為共氣化流化床氣化爐的運行操作提供依據(jù)。SD=2xCH%+B%+2x%)x第二階段是對玉米芯/煤的比例為80/20時的典型運的可靠性。前者是研究者根據(jù)現(xiàn)場條件檢測(空氣、8224%×0行工況進行全面檢驗,以驗證該氣化爐的運行結果中國煤化工—氣體組成的量用玻璃轉子流量計水蒸汽量用冷凝法,燃氣量用百分數(shù)水蒸汽量CNMHG氣柜計量燃氣成分用奧式分析儀等)。第二階段請kgh;W心小墨,。山。碳轉化率v檢測單位進行檢測測試。除現(xiàn)場計量外,燃氣成分、為:248太陽能學報29卷V(CH %+C0%+C0, %+2.5x C, H %)x 12表1玉米芯和煤的工業(yè)分析和元素分析22.4xTable 1 The proximate and ultimate analysisof corn core and coal其中:X——混合料中灰含量,%;C%—一混合料生物質中固定炭含量。名22運行前的準備A/%6.2426.501)進料量與螺旋給煤機轉數(shù)關系曲線見圖2。7692生物質和煤的不同比例下的流態(tài)化特性以確定氣化爐適宜的操作速度,見圖362.31H-/%4.91N/%0.851.0237.72生物質P/%0.294熱值Q/kkg123120給料機轉速rl00/min23典型運行結果圖2生物質和煤的進料量與給料機轉速的關系進料量:玉米芯1353kg/h,煤32kg/hFig. 2 The connection between the qualities進氣量:空氣量200m3/h,蒸汽量35kg/hof biomass/coal fixtures and the rotate speed of the feeder氣化爐工作溫度:T1=873.5℃,72=861.6℃一料層高度200mT3=8534℃,T。=869℃蒸氣產量:105kg/hN1400燃氣產量:32712m3/h氣體產率:1.96m3蒸氣分解率:92%碳轉化率88%空氣量/m3h氣化效率:71.3%圖3生物質煤比值為4/1時流化床的流態(tài)化特性曲線氣化強度:20934kg/m3hFig 3 Fluidization properties when the ratio燃氣成分與熱值見表2。表2燃氣成分與熱值2)氣化原料特性Table 2 The composition of gas and the heat value玉米芯和煤的工業(yè)分析和元素分析見表1。玉燃氣成分/%Q/焦油含量米芯的粒度0~10m;煤的粒度0~6mm[CO][C][O][CoJ[CH][H]IN] J."m-33)進料量總進料量150~180kg;1222.00.916.24812.651.36393.8<10生物質煤按1000、80/20、60/40、20800/100624結果與討論個量依次進行調節(jié)。24.1氣化溫度4)進氣量ER氣化溫度是影響氣化爐的氣化效率燃氣中焦ER在02~03進行相應的調節(jié),圖4~圖7數(shù)油共和判甲行且五正世的關鍵參數(shù)。所以對沿中國煤化工據(jù)是在進氣量為200m/h實驗條件下測取的。著段一當?shù)目刂圃谠O計階CNMHG于燃燒反應的速度遠快于氣化反應,所以燃燒反應發(fā)生在氣化爐底部2期王立群等:在流化床氣化爐中生物質與煤共氣化的研究(I)249較淺的區(qū)域并在密相層O2很快消盡,流化床上部的稀相區(qū)一般是進人粉粒料的熱解氣化反應區(qū)和水煤氣反應區(qū)。因此燃燒區(qū)和水煤氣變換區(qū)域是氣化爐必不可少的氣化區(qū)域。為此,沿著氣化爐高度安裝5000裝3根熱電偶。由T、T2和T3來估計流化運行狀態(tài),這些溫度值取決于所選擇的運行條件(如生物質煤的比值,空氣量蒸汽量和給料量)。如對任何物0/8040/6060/4080/20100/0料僅通空氣而不通水蒸汽時,T1溫度很快從850℃生物質/煤升至1000℃,其間溫度分布呈現(xiàn)T>T2>T3的規(guī)律;若當運行轉變到空氣水蒸汽混合氣化正常運行圖5生物質/煤的比值對燃氣熱值的影響時溫度分布呈現(xiàn)T2>T1>T3或T1>T2>T3的規(guī)Fig. 5 The influence to the heat value ofthe product gas by the ratios of the biomass/coal律,前者可能與生物質比例較少有關,而后者恰好相反。當溫度分布的次序為T3>T2>T1時,此時通常發(fā)生了不正常狀況。這將導致通過流化床層的氧氣過量或超量。當流化床表觀速度大于1m/s時,床層波動較大,很難精確控制運行溫度,一般使用T1T2、T的平均值T學,它可以較為合適地表征流化床的運行狀況。圖4給出玉米芯與煤兩種物料混合氣化流化床的溫度線圖。在共氣化中氣化溫度7隨20/8040/6060/4080/20100/0生物質在混合物的比例增大而下降。一般混合物共生物質/煤氣化T取值在850~920℃之間。圖6生物質煤的比值與氣體產率的關系Fig. 6 The influence to the yield of theproduct gas by the ratios of the biomass/coal煤比例的關系。隨著生物質在混合物料中比例的增加,氣體產率明顯提高。如玉米芯/煤的比率從40/60增加到80/20時,氣體產率從1.4m3/kg增加到1.9m/kgo244氣化效率20/8040/6060/4080/20100/0生物質/煤圖7表示氣化效率與玉米芯/煤比例的關系?？倸饣嗜Q于氣體產率氣體低熱值、混合物的圖4生物質煤的比值對流化床溫度的影響類型和比例。由于氣體產率和氣體低熱值受運行狀Fig 4 The influence to the況的影響,使混合物料比例與總氣化效率之間很難of the huidized bed by the ratios of the biomasa/ coal找到一個線性關系。當固定氣化溫度時總氣化效率242產品氣體低熱值隨混合物中玉米芯比例的增加而提高。但是實際運圖5給出了玉米芯煤的比值與產品氣體低熱行表明煤在混合物料中比例小于10%氣化溫度將無值的關系。隨著玉米芯的比例的增加,產出氣的低法保持在850℃以上,而且由于流化床中不能維持一熱值有明顯的增加趨勢。如當玉米芯煤的比例為穩(wěn)定料層,使氣化爐難以穩(wěn)定運行。為達到生物質8020時,產品氣低熱值最大值可達7100kJ/m3。和煤艸氣化的日的,生物居在混合物料中的比例不243氣體產率易大中國煤化工圖6表示每千克混合物料的氣體產率與玉米芯CNMHG太陽能學報29卷[參考文獻][1]秦育玉,馮杰李文英,等.生物質氣化影響因素分析[J.節(jié)能技術,2004,224):4-5.[1] Qin Yuyu, Feng Jie, Li Wenying, et al.Discussionson theeffect of operating conditions on biomass gasification fluid-ized bed reactor[ J]. Energy Conservation Technology, 200422(4):4-520/8040/6060/4080/20100/0生物質/煤[2]郭慶杰張鍇,劉振字等.生物質的流化床轉化[J].煤炭轉化,1998,23(3):35-37圖7生物質煤的比值與氣化效率的關系[2] Guo Qingjie, Zhang Kai, Liu Zhenyu, et al. Conversion ofFig. 7 The influence to the gasificationbiomass in the fluidized bed[ J]. Coal Conversion, 1998, 23cy by the ratios of the biomass/co(3):35-324.5燃氣中焦油含量[3]徐茂蓉,嚴建華,蔣旭光。替代燃料與煤混合燃燒的特提高氣化爐的反應溫度是除焦油的關鍵措施之點與應用前景[J.能源與環(huán)境200,(5):45-51。本技術采用生物質與煤共氣化,由于煤的熱3]XMmo, Yan Jianhu, iang Xuguang. Co-combustion值高,氣化爐的反應溫度可達1000℃以上。在生物Cato質煤混合比例為8020,氣化溫度(T。)為870時prospects[ J]. Energy and Environment, 2004, (5):45燃氣經一次噴淋洗滌后,焦油含量少于I0 )mg/m而[4]PmYc,Bax,vE,el. Removal of tar by secondary air in fluidized bed gasification of residual biomass and質與煤在流化床中共氣化,由于易形成高溫炭層,加calJ.Foel,199,78:103-1709之空氣中加入適量水蒸汽將有效促進焦油分解,因[5] PanG,veoE, Roca x,etal. Fluidized-bed co-gasifica此是解決生物質氣化燃氣焦油含量高的有效方法。tion of residual biomass/ poor coal blends for fuel gas productin[J].Fe,200,79:1317-13263結論[6]Collot A G, Zhuo Y, Dugwell D R, et al. Co-pyrolysis and本次實驗表明:在玉米芯煤的比例為100~gasification of coal and biomass in bench-scale fixed bed and80/20時,空氣當量比在02~0.3范圍內,S/B值在fluidized bed reactors[J]. Fuel, 1999, 78: 667-6790.2~0.3范圍內進行調整,使氣化爐的工作溫度在[7]王磊吳創(chuàng)之陳平,等.生物質氣化焦油在高溫木炭床上的裂解試驗研究[J].可再生能源,2005,123850~950℃運行時可得到氣化結果為:燃氣熱值5(5):30-347.0M/m3燃氣產率17-20m/kg、氣化效率[7] Wang lei, Wu Chuangzhi,amh,td,Bmp70%-75%,副產蒸汽10kgh焦油含量少于1Omgcation tar destruction in a high temperature charcoal bed[J]m3。燃氣洗滌水生化需氧量184~48.0mg/L、化學Renewable Energy, 2005, 123(5): 30-34需氧量98~185mgL氨氮3.29~84mg/L[8] Delgado J, Amar M P, Corella J. Biomass gasification withsteam in fluidized bed effectiveness of Cao, MgO and Ca0-MgO for raw gas claning[ J]. Ind Eng Chem Res, 1997, 361535-1543.中國煤化工CNMHG2期王立群等:在流化床氣化爐中生物質與煤共氣化的研究(I)STUDY ON CO-GASIFICATION OF BIOMASS ANDCOAL IN FLUIDIZED BED GASIFIER (I)-PRODUCING LOW CALORIE VALUE GASWITH AIR-STEAM AS GASIFYING AGENTWang Liqun, Zhang Junru, Zhu Huadong, Zhou Haosheng", Song Xu, Wang tongzhang1. Scood df Energy and Power Engineering Jiangsu Uniersity, Zhenyiang 212013, China; 2. Department of Chemical Engineering TechnicalUniuersity f Demark, Derumark: 3. Tianiin Huaneng Group Energy Resorces Equipment Co, Ltd, Tiaryin 301900, China)Abstract A study that different ratios of biomass/coal fixtures gasified in a demonstrated fluidized bed gasifier of 600kWused air-steam as gasifying agent was introduced in the paper. Under the testing conditions, the important effect of differ-ent ratios of biomass/coal on the temperature of the gasifier, the heat value and the yield of the product gas, and the gas-ification efficiency were found The typical results of a ratio 81/19 of biomass/coal show that the yield of the product gasis 1.96m/kg, the heat value is 6.4MI/m, and the gasification efficiency is 71.3% and the tar quality of is less than10mg/m, when the temperature of the gasifier is 869C, ER is 0. 21, S/B is 0. 20, through continuous operation, thgasifier operates steady and wellKeywords: biomass; fluidized bed; co-gasification; air-steam中國煤化工CNMHG