在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化的研究(Ⅰ)以空氣-水蒸汽為氣化劑生產(chǎn)低熱值燃氣

第29卷第2期太陽(yáng)能學(xué)報Vol.29, No.22008年2月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAFdb. ,2008文章編號: 0254-006(2008)020246-06在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化的研究( I )以空氣-水蒸汽為氣化劑生產(chǎn)低熱值燃氣王立群'，張俊如，朱華東’，周浩生'2，宋旭'， 王同章'(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,鎮江212013; 2.丹麥技術(shù)大學(xué)化工工程學(xué)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600kW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(zhì)/煤按不同比例進(jìn)行了共氣化的實(shí)驗研究。在實(shí)驗研究的運行條件下,得到了生物質(zhì)/煤混合比例對氣化爐工作溫度、燃氣熱值氣體產(chǎn)率和氣化效率等重要技術(shù)參數的影響。對玉米芯/煤的比例為81/19時(shí)的典型實(shí)驗結果表明:氣化爐工作溫度869C,空氣當量比ER=0.21,S/B=0.20時(shí)，氣體產(chǎn)率1.96m'/kg,燃氣熱值6.4M]/m2? ,氣化效率71.3%，燃氣中焦油含量小于10mg/m' ,該爐經(jīng)過(guò)連續運行考核,運行平穩,工況穩定。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);流化床;共氣化;空氣水蒸汽中圖分類(lèi)號: TK6,TQ351.2文獻標識碼: A不僅可以改善流化特性,而且能改善氣化特性。共0引言氣化實(shí)驗表明，氣化溫度提高使產(chǎn)出氣中焦油含量生物質(zhì)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(guò)程中不易形成穩定的料層,所以在流化床中需要我們在600kW工業(yè)規模流化床氣化爐上以生物加入- -定惰性粒子(如河砂等)以改善流化床氣化爐質(zhì)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(guān)文獻1-3提及煤與生氣化劑,進(jìn)行連續運行試驗并獲得很好的結果。本物質(zhì)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(chǎn)低熱值燃氣的燒。國外也有少量共氣化研究的報道(4-6]。試驗研究結果。由于生物質(zhì)與煤在物理特性和氣化性能方面有許多互補性,如:生物質(zhì)熱值較低(約為煤的60%)，1生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)容重約為煤的1/產(chǎn)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(zhì)有鋼板外殼的圓柱體,爐體爐底部直徑為270mm,氣為碳水化合物,生物質(zhì)炭含量約為煤的60%,氫含量化爐配置有帶料倉的2個(gè)螺旋加料裝置,加料量自約為煤的4倍,因此生物質(zhì)的氣化與煤的氣化明顯動(dòng)可調。生物質(zhì)加料口上部裝有4個(gè)噴嘴,根據工不同。煤由于熱值高,氣化溫度可達1000C以上,因藝要求加入蒸汽，沿爐體上、中、下布置3個(gè)熱電偶此產(chǎn)品氣中焦油含量極少。而生物質(zhì)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~ 750C ,產(chǎn)品氣中焦油含量高,這是生氣由羅茨風(fēng)機供給,空氣量由轉子流量計計量,蒸汽物質(zhì)氣化急待解決的問(wèn)題。生物質(zhì)與煤在流化床中由余熱鍋爐供給,除-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(guò)程,形成高溫的穩定料層，3 部分組成，由羅茨風(fēng)機(7)來(lái)的空氣從風(fēng)室經(jīng)布風(fēng)收稿日期: 20607-24基金項目:江蘇省科技攻關(guān)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(lǐng)域研究。thwlq2000@ yabo. com. m2期王立群等:在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化的研究(I)247板送入爐內,由余熱鍋爐(3)來(lái)的水蒸汽經(jīng)噴嘴送人燃氣焦油含量、煤和玉米芯的工業(yè)和元素分析均現爐內,將爐內的生物質(zhì)(0~10mm)與煤(0~6mm)流場(chǎng)取樣送中心化驗室分析化驗?；?，使原料在流化狀態(tài)下與空氣、水蒸汽發(fā)生部分燃.2運行結果與分析燒和熱解氣化反應:C+ 02 +3.76N2- +2C0+3.76N2+Q(1) 2.1 數據測取與處理方法C+H20→C0+H2-Q(2)每一工況均需生物質(zhì)流化床氣化爐穩定運行生物質(zhì)(CH, O。)-可燃氣體(CO, H, CH,4h后,進(jìn)行數據測取?？紤]到在現有條件下,不可CO2等)+焦油和水蒸汽+炭(3)能準確直接測定出總的固體物料分布,因為飛灰、灰生物質(zhì)與煤共氣化這3種反應可在較高的溫度分和殘渣混在系統中,也不可能準確測定焦油總量。下保持熱平衡，從而可獲得熱值較高、產(chǎn)氣率高、焦.在這種條件下,整個(gè)物料平衡也難以實(shí)現。然而,產(chǎn)出的灰渣的量可以通過(guò)直接稱(chēng)重來(lái)測定，因為加料油含量少的可燃氣體。爐內反應產(chǎn)生的高溫粗燃氣量、空氣量、蒸汽量、飛灰量產(chǎn)氣量和運行參數均可從爐出口進(jìn)入高溫旋風(fēng)分離器(2)分離下的含炭粉精確測量,燃氣中焦油含量根據國標GB12208-90取塵進(jìn)入儲灰箱(8),初除塵的燃氣進(jìn)人余熱鍋爐(3)樣和測量。燃氣成分用奧式分析儀和氣相色譜儀進(jìn)與其進(jìn)行換熱降溫到300C以下,進(jìn)入洗滌塔(4)經(jīng)行分析。根據以下所定義的特征量對整個(gè)工藝過(guò)程噴淋洗滌凈化，溫度降至50以下,經(jīng)水封槽進(jìn)人儲進(jìn)行評價(jià):氣柜(5),供用戶(hù)使用。余熱鍋爐產(chǎn)生0.5MPa的蒸.氣化爐的平均溫度T。為:汽,除一部分生產(chǎn)自用外其余外供。T+ T2+ T,軟水- +D2T。=(1)幾91干基產(chǎn)出氣低熱值(LHV), Q。(J/m')且|Qg=4.18(25.80x H% + 30.19x C0% +10畝85.27x CH,%+ 141.14x CH%)其中: H2%，CO% , CH%, CH% (mol%)--氣體組成百分數。.y=于產(chǎn)氣量(m/h)_ Vs1.生物質(zhì)流化床氣化爐2.高溫旋風(fēng)分離器3.余熱鍋Y=-加料量(kg/h) M爐:4.洗族塔:5.儲氣柜:6.沉淀水泡:7.羅茨風(fēng)機:8.儲灰箱:9.帶螺旋加料機的煤倉;10.帶蠑能加料機的生物其中,Y一氣體產(chǎn)率, m'/kg; M-- -加 料量, kg/h;質(zhì)倉;11.風(fēng)室;12.布風(fēng)板;13.蒸氣噴嘴V。-干產(chǎn)氣量 ,m'/h。,圖1生物質(zhì)流化床氣化爐工藝流程圖氣化效率n為:Fig.1 The proces Alow of the gasifierYQgof fluidized bed of bioma8s辦= S Qn生) + S2Qk)(4)實(shí)驗研究分兩個(gè)階段。第一階段,調整優(yōu)化運其中:SS2-生物質(zhì)和煤在混合料中所占的比行參數。在使用玉米芯和煤按不同比例在穩定狀況例;Qk生)、QK編一生物 質(zhì)和煤的低熱值。蒸汽分下運行進(jìn)行實(shí)驗,確定出生物質(zhì)/煤不同比例下,氣解率SD( %)為:化爐的產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣率、燃氣熱值和氣化效率的變化規律,為共氣化流化床氣化爐的運行操作提供依據。SD= (2xCH% +H2% +2x CH,%)D.xW1+ W2第二階段是對玉米芯/煤的比例為80/20 時(shí)的典型運18/22.4% x 100行工況進(jìn)行全面檢驗,以驗證該氣化爐的運行結果其中: CH%、H2%、CH。% (mol%)一氣體 組成的的可靠性。前者是研究者根據現場(chǎng)條件檢測(空氣量用玻璃轉子流量計,水蒸汽量用冷凝法燃氣量用百分數;V,-干產(chǎn)氣量,m'/h; W一水 蒸汽量，氣柜計量,燃氣成分用奧式分析儀等)。第二階段請kg/h;Wz-物料中總含水量,kg/h。 碳轉化率7。檢測單位進(jìn)行檢測測試。除現場(chǎng)計量外,燃氣成分、為:248太陽(yáng)能學(xué)報29卷7e=V.(CH% + C0% +CO2% +2.5xC.H %)x12表1玉米芯和煤的工業(yè)分析和元素分析22.4x(1- X)C%Table 1 The proximate and ulimate analyis(6)of com core and coal其中:X一混合料中灰含量,%;C%-- 混合料名稱(chēng)生物質(zhì)煤中固定炭含量。M,1%5.64.72.2運行前的準備A_/%6.2426.501)進(jìn)料量與螺旋給煤機轉數關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。V_/%76.927.94生物質(zhì)和煤的不同比例下的流態(tài)化特性以確定氣化FC_/%11.24 :60.86爐適宜的操作速度,見(jiàn)圖3。C.1%47.6362.31200/H_/% .4.912.86N_1% .0.851.02: 150f0_/%37.21.90析●生物質(zhì)S/%0.110.71P/%0.294i 50熱Qw/kJ.kg"'17242312002468101214給料機轉速rx100/min2.3典型運行結果進(jìn)料量:玉米芯135.3kg/h,煤32k/h圖2生物質(zhì) 和煤的進(jìn)料量與給料機轉速的關(guān)系進(jìn)氣量:空氣量200m'/h,蒸汽量35kg/hFig.2 The connection between the qualities氣化爐工作溫度:of biomass/coal fxtures and the rotate speed of the feeder2200[T = 873.5C,T2 = 861.6C2000Tz= 853.4C, T。= 869C料層高度200mm1800蒸氣產(chǎn)量:105kg/h1600燃氣產(chǎn)量:327.12m'/h1400氣體產(chǎn)率:1.96m'/kg12001000蒸氣分解率:92%5100 150 200 250碳轉化率:88%空氣量/m'h+氣化效率:71.3%圖3生物質(zhì)/煤比值為 4/1時(shí),流化床的流態(tài)化特性曲線(xiàn)氣化強度:2934kg/m2 *h燃氣成分與熱值見(jiàn)表2。Fig.3 FHuidization propertie when the raioof biomas/coal is 4/1表2燃氣成分與熱值2)氣化原料特性Table 2 The composion of gas and the heat value玉米芯和煤的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1。玉燃氣成分/%Qm/焦油含量/米芯的粒度0~ 10mm;煤的粒度0~ 6mm。[Oo][C] [0,] [co][CH][H] [N] kJm-3 mg'm-33)進(jìn)料量12.2 2.0 0.9 16.2 4.8 12.6 51.36393.8<10總進(jìn)料量150~ 180kg;生物質(zhì)/煤按100/0、 80/20、60/40、20/80.0/100 62.4結果與討論2.4.1氣化溫度個(gè)量依次進(jìn)行調節。氣化溫度是影響氣化爐的氣化效率、燃氣中焦4)進(jìn)氣量ERER在0.2~0.3進(jìn)行相應的調節,圖4~圖7數油含量和判別運行是否正常的關(guān)鍵參數。所以對沿據是在進(jìn)氣量為200m’/h實(shí)驗條件下測取的。著(zhù)氣化爐床層的發(fā)生、運轉和適當的控制在設計階段所要求的溫度要特別注意。由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(zhì)與煤共氣化的研究( I)249較淺的區域,并在密相層02很快消盡，流化床上部7500[7000的稀相區--般是進(jìn)人粉粒料的熱解氣化反應區和水煤氣反應區。因此燃燒區和水煤氣變換區域是氣化60005500爐必不可少的氣化區域。為此，沿著(zhù)氣化爐高度安5000裝3根熱電偶。由T、T2和T,來(lái)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(zhì)起40003500I煤的比值,空氣量、蒸汽量和給料量)。如對任何物300020/80 40/60 60/40 80/20 100/0料僅通空氣而不通水蒸汽時(shí)，T溫度很快從850C生物質(zhì)/煤升至1000,其間溫度分布呈現Ti> T2> T3的規.圖5生物質(zhì)/煤的比值對燃 氣熱值的影響律;若當運行轉變到空氣-水蒸汽混合氣化正常運行Fig.5 The influence to he heat value of時(shí),溫度分布呈現T2>T>T或TI>T2> T,的規the product gas by the raios of the bionas/coal律,前者可能與生物質(zhì)比例較少有關(guān)，而后者恰好相..0p反。當溫度分布的次序為T(mén)> T2> T時(shí),此時(shí)通.s常發(fā)生了不正常狀況。這將導致通過(guò)流化床層的氧里2.0氣過(guò)量或超量。當流化床表觀(guān)速度大于1n/s 時(shí),床層波動(dòng)較大,很難精確控制運行溫度,一- 般使用T爾、T2、T3的平均值T。,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.oL化流化床的溫度線(xiàn)圖。在共氣化中氣化溫度T。隨生物質(zhì)在混合物的比例增大而下降。- -般混合物共氣化T。取值在850~ 920C之間。圖6生物質(zhì)/煤的比值與氣體產(chǎn)率的關(guān)系920Fig.6 The influence to the yield of theproduct gas by the raios of the bionass/coal/煤比例的關(guān)系。隨著(zhù)生物質(zhì)在混合物料中比例的趙880增加，氣體產(chǎn)率明顯提高。如玉米芯/煤的比率從86040/60 增加到80/20時(shí),氣體產(chǎn)率從1.4m' /kg增加到8401.9m' /kg。,822.4.4氣化效率圖7表示氣化效率與玉米芯/煤比例的關(guān)系?？倸饣嗜Q于氣體產(chǎn)率、氣體低熱值、混合物的圖4生物質(zhì)/煤的比值對流化床溫度的影響類(lèi)型和比例。由于氣體產(chǎn)率和氣體低熱值受運行狀Fig.4 The influence to the temperaure況的影響,使混合物料比例與總氣化效率之間很難of the fuidined bed by the retioe of the boasseal找到一個(gè)線(xiàn)性關(guān)系。當固定氣化溫度時(shí)總氣化效率2.4.2產(chǎn)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(shí)際運圖5給出了玉米芯/煤的比值與產(chǎn)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(wú)值的關(guān)系。隨著(zhù)玉米芯的比例的增加,產(chǎn)出氣的低法保持在850C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/煤的比例為穩定料層,使氣化爐難以穩定運行。為達到生物質(zhì)80/20時(shí),產(chǎn)品氣低熱值最大值可達7100kJ/m。和煤共氣化的目的，生物質(zhì)在混合物料中的比例不2.4.3氣體產(chǎn)率.易大于90%。圖6表示每千克混合物料的氣體產(chǎn)率與玉米芯250太陽(yáng)能學(xué)報29卷900o[參考文獻] .70}[1] 秦育玉,馮杰,李文英,等.生物質(zhì)氣化影響因素分析[J].節能技術(shù),2004, 22(4):4- -5.[1] Qin Yuyu, Feng Jie, Li Wenying, et al. Discusionson theeffect of operating conditionsg on biomass gasificationIn fuid-ized bed reactor[J]. Enengy Conservation Technology, 2004，22(4):4-5.20/80 40/60 60/40 80/20 100/0[2]郭慶杰,張 錯,劉振字,等. 生物質(zhì)的流化床轉化[J].生物質(zhì)/煤煤炭轉化,1998, 23(3): 35- -37.圖7生物質(zhì)/煤的比值與氣化效率的關(guān)系[2] Guo Qingjie, Zhang Kai, Liu Zhenyu, et al. Converion ofFig.7 The influence to he gifcationbionass in the fuidized bed[J]. Coal Conversion, 1998, 23fficiency by the ratioe of the biomas/coal(3):35- -37.2.4.5燃氣中焦油含量[3]徐茂蓉,嚴建華,蔣旭光. 昝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(guān)鍵措施之點(diǎn)與應用前景[J].能源與環(huán)境,2004, (5):45- -51.- [78]。 本技術(shù)采用生物質(zhì)與煤共氣化,由于煤的熱[3] Xu Maorong, Yan Jianhua, Jiang Xuguang. Co combustion of值高,氣化爐的反應溫度可達1000C以上。在生物altemative fuels with coal: The charateristics and a plicaionprospets[J]. Energy and Environment, 2004, (5): 45-質(zhì)/煤混合比例為80/20,氣化溫度(T。)為870C時(shí)，燃氣經(jīng)一次噴淋洗滌后,焦油含量少于10ng/m'。 而[4] Pan YG, Roca x, Velo E, et al. Removal of tar by scond.洗滌水經(jīng)檢測并未發(fā)現焦油。實(shí)驗表明,采用生物ary air in fuidized bed gasification of residual bionass and質(zhì)與煤在流化床中共氣化,由于易形成高溫炭層,加cal[J]. Fuel, 1999 78: 1703- -1709.之空氣中加入適量水蒸汽將有效促進(jìn)焦油分解,因[5] PanYG, Velo E, Roca x, et al. Fudize-bed ∞gsicar此是解決生物質(zhì)氣化燃氣焦油含量高的有效方法。tion of residual biomas/poor coal blends for fuel gas productin[J]. Fuel, 2000, 79: 1317-1326.3結論[6] Collo A G, huo Y,Dugwell D R,et al. Co-prolysis and co-gasification of coal and biomass in bench scale fixed bed and本次實(shí)驗表明:在玉米芯/煤的比例為100/0~fuidized bed reactors[J]. Fuel, 1999 78: 667- -679.80/20時(shí),空氣當量比在0.2-0.3范圍內,S/B值在[7] 王磊,吳創(chuàng )之,陳平,等.生物質(zhì)氣化焦油在高溫木0.2~ 0.3范圍內進(jìn)行調整,使氣化爐的工作溫度在炭床上的裂解試驗研究[J].可再生能源，2005, 123850~ 950C運行時(shí)可得到氣化結果為:燃氣熱值5.6(5):30-34.~ 7.0MJ/m2、燃氣產(chǎn)率1.7~ 2.0m'/kg、氣化效率[7] Wag Lei, wu Changehi, Cen Png, etal. Biomues gi70%~75%,副產(chǎn)蒸汽105kg/h.焦油含量少于10mg/cation tar destuction in a high temperature charcoal bed[J].m'。燃氣洗滌水生化需氧量18.4 ~ 48.0m/L、化學(xué)Renewable Energy, 2005, 123(5): 30- -34.需氧量98 ~ 185mg/L、氨氮3.29 ~ 8.41mg/L。[8] Delgado J, Axnar M P, Corella J. Bionae gaification withsteam in fuidized bed ffectivenee of CaO, Mg0 and CaO-Mg0 for raw ges claning[J]. Ind Eng Chem Res, 1997, 36:1535- -1543. .2期王立群等:在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化的研究(I)251STUDY ON CO-GASIFICATION OF BIOMASS ANDCOAL IN FLUIDIZED BED GASIFIER (I )一-PRODUCING LOW CALORIE VALUE GASWTTH AIR-STEAM AS GASIFYING AGENTWang Liqun' , Zhang Junnu' ，Zhu Huadong , Zhou Haosheng"2，Song Xu' , Wang Tongzhang(1. Schood of Energo and Power Engineing Jiangsu Uninersiy, Zherjiang 212013, China; 2. Department of Chenical Enginering TechnicalUnieriy of Dennank, Dermark; 3. Tianjin Fhuaneng Group Energy Resores Eqipnent Co,Ld, Tianjin 301900, China)Abstract:A study that diferent ratios of bionass/coal fxtures gasifed in a demonstrated fluidized bed gasifer of 600kW,used air-steam as gasifying agent was introduced in the paper. Under the testing conditions, the important efet of difer-ent ratios of biomass/coal on the temperature of the gasifier, the heat value and the yield of the product gas, and the gas-ifcation eficiency 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 6.4MJ/m'，and the gasifcation eficiency is 71.3% and the tar quality of is less than10mg/m' , when the temperature of the gasifer is 869C，ER is 0.21, SIB is 0.20, through continuous operation, thegasifier operates steady and well.Keywords:biomass; fluidized bed; co gasifcation; air steam