不同氣化劑下海藻粉在氣流床下氣化特性試驗研究

新能源及王藝不同氣化劑下海藻粉在氣流床下氣氣化特性試驗研究梅勤峰,周勁松,陳青,劉炳俊 ,駱仲泱(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,浙江杭州310027)摘要:為考察02/水蒸氣和02/CO2作為氣化劑對海藻粉氣化特性的影響,在自制的小型生物質(zhì)氣流床氣化爐上開(kāi)展海藻粉在氣流床下氣化特性試驗研究。當氧氣/生物質(zhì)比(0/B)為 0.3、氣化溫度為1200C時(shí)。不同水蒸氣/生物質(zhì)比(S/B=0~1.2)對合成氣組成有較大影響,其中H,產(chǎn)量的上升趨勢最為明顯,S/B=1.2時(shí)比單純氧氣氣化提高了81.4%。而在0,/C0,氣化條件下,由生物質(zhì)產(chǎn)生的CO,隨二氧化碳/生物質(zhì)比(CO2/B)的增加而下降,當CO/B=0.9時(shí),H2、CO的產(chǎn)量分別比單純氧氣氣化提高了33.9%和75.8% ,熱值由5521 kJ/m'上升至8576 kUJ/m’。結果表明,如果以提高熱值為制取合成氣的目標時(shí),添加CO,在一定范圍內可以達到水蒸氣的效果,同時(shí)降低了系統能耗及簡(jiǎn)化了氣化設備。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣流床氣化;CO2中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A .文章編號:1004 - 3950( 2010)03 - 0032 -05Experimental study on the effect of different gasification agents onseaweed powder gasification in an entrained flow gasifierMEI Qin-feng, ZHOU Jin-ong, CHEN Qing, et al(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization , Zhejiang University, Hangzhou 310027，China)Abstract: The influences of 02/CO2 and 02/Steam as diferent gasification agents on the characteristics of seaweedpowder gaifcation in a bench-scale entrained flow gasifier were studied. Different ratios of steam/ biomass had eeeteson the gas composition: H, content increased obviously, which were improved by 81.4% with S/B= 1.2. The contentof CO2 produced from biomass was reduced with the increasing of the ratio of co2/biomass. Compared with oxygen gas-ification, H, and CO contents were improved by 33. 9% and 75. 8% respectively. The heating value inereased from5521 kJ/m' to 8576 kJ/m' . The resultse indieated that the addition of CO2 can achieve the efeet of steam to some ex-tent aimed at the heating value of syngas, while reducing the energy consumption and Bimplifying the gasification equip-ments.Key words: biomass; entrained-flow gasification; CO2氣化爐,其氣化溫度均小于1000C,致使氣化爐0引言產(chǎn)出的粗煤氣中或多或少含有焦油。焦油的存在藻類(lèi)與其他生物質(zhì)(如木質(zhì)纖維素材料)相對于熱解氣化過(guò)程以及相關(guān)的設備都有較大的危比,具有光合作用效率高、環(huán)境適應能力強、生長(cháng)害]。而氣流床具有原料適應性強、反應溫度周期短、生物產(chǎn)量高的特點(diǎn)，同時(shí)藻類(lèi)在水中生高、氣化強度大、合成氣中有效成分高且不含焦油長(cháng),不占用農業(yè)用地,因此微藻引起了很多研究者等特點(diǎn),已在煤氣化中得到工業(yè)化應用,而生物質(zhì)的注意",本實(shí)驗選擇海藻作為氣化原料。氣流床氣化國內外尚處在研究階段鬥。在氣化生物質(zhì)氣化的主體是生物質(zhì)氣化爐,目前主劑的選擇上,有空氣氣化、水蒸氣氣化、O2/水蒸要應用的生物質(zhì)氣化爐包括固定床氣化爐和流化氣氣化及富氧氣化”,各有特點(diǎn)。床氣化爐兩種類(lèi)型。但無(wú)論是流化床還是固定床氣化劑中用CO2取代水蒸氣作氣化劑,或者收稿日期:2009-12-23基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展(973)計劃資助項目(2007CB210208);國家自然科學(xué)基金資助項目(90610035)作者簡(jiǎn)介:梅勤峰(1981-).男,浙江嘉興人,碩士研究生.從事生物質(zhì)氣化研究。新能源及玉藝加入CO,替代部分水蒸氣作氣化劑,生產(chǎn)出的高料方式，即生物質(zhì)在載氣(N2)輸送下,由爐頂螺純Co或者具有不同組成的合成氣,可滿(mǎn)足不同旋給料機,定量送人原料噴嘴,與經(jīng)氣化劑預熱器合成氣用途的需要。在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的應用與研的氣化劑(02、02 +水蒸氣或O2 +CO2)混合,在究中,國外報道的資料較少,國內近幾年研究的進(jìn)爐膛內進(jìn)行氣化反應。氣化產(chǎn)生的合成氣經(jīng)爐膛展較快']。底部激冷室冷卻后,經(jīng)旋風(fēng)分離器和水洗過(guò)濾器目前生物質(zhì)CO2氣化的大部分研究主要關(guān)等裝置,灰渣由爐膛底部的排渣室和除塵器底部于對熱解產(chǎn)物的氣化6] ,張德厚”等以焦炭為原收集裝置收集。料,02和CO2為氣化劑，在固定床氣化爐內高溫1.2 實(shí)驗原料連續氣化,制取含CO約70%的粗CO氣。而直實(shí)驗原料為海藻粉,粒度為80~100目,其工接利用CO2作為氣化劑在氣化爐內對生物質(zhì)進(jìn)業(yè)分析和元素分析如表1所示。行熱解氣化制備可燃氣的研究尚處起步階段。本文介紹在自制的實(shí)驗室規模(0.5 kg/h)的沉降式氣化裝置上,研究在特定工況下(氧氣生物質(zhì)比為0.3、氣化溫度為1200C),對O2/水蒸氣和02/CO2作為氣化劑在氣流床內對海藻粉進(jìn)行氣化，研究氣流床條件下添加CO2氣化的可行性。1實(shí)驗1.1 實(shí)驗裝置自制的常壓下生物質(zhì)氣流床氣化實(shí)驗臺主要由給料系統、氣化劑預熱器、沉降式氣化爐,合成圈1生物質(zhì)高溫氣流床氣化系統氣冷卻裝置、旋風(fēng)除塵器、水洗過(guò)濾器等組成,系1一氮氣;2-二氧化碳;3-氧氣;4一流量計;統如圖1所示。氣化爐高1500 mm,外徑65 mm,5- -三通閥;6- 氣化劑預熱器(水蒸氣發(fā)生器);內徑60 mm ,外面包裹保溫材料厚度為15 mm,由7-蠕動(dòng)泵水滴注入點(diǎn);8-螺旋給料器;9-氣化爐;電爐絲加熱，設計工作溫度為1200C,原料處理10- -爐膛;11-灰斗;12- -旋風(fēng)分離器;13-水洗器;能力為0.2-0.5 kg/h。預熱器可將氣化劑預熱14- -過(guò)濾器;15-氣泵;16-氣相色譜分析儀;17-溫控儀至350心。生物質(zhì)燃料的供給采用螺旋加氣力給表1海藻粉工業(yè)分析及元素分析工業(yè)分析/%元素分析/%MVAFC低位熱值/小.g-CN10. 4946.44 26.51 16. 561072328.052.5929.181.201.3 實(shí)驗方法([C0]+[CO,] +[CH,]) xQ/22.4海藻粉進(jìn)行篩分，烘干處理后,對螺旋給料器P。. W./12給料量進(jìn)行標定。實(shí)驗前對氣化爐膛充人足量式中:[C0]、[CO2]、[CH,]一-CO 、CO2和CH。N2進(jìn)行排空,然后對氣化爐及氣化劑預熱器進(jìn)行的體積百分比濃度,%;預熱,待溫度到達設定值并穩定后,開(kāi)啟給料器,Q-一合成氣體積流量,m'/h;并通人氣化劑,待合成氣出氣穩定后進(jìn)行取樣。P.-生物質(zhì)中含碳量,%;1.4 數據計算W.- -生 物質(zhì)投入量,kg/h。氣化反應過(guò)程中,燃料中的C元素主要以合成氣的低位熱值QL可以根據合成氣的成CO、CO2、CH,的形式存在于合成氣中,因此碳轉分計算:化率可按以下公式進(jìn)行計算:Qi= 2xQs新能源及主藝的式中:Q--合 成氣的低位發(fā)熱量,kJ/m';氣流床內對合成氣組分影響起主要作用的反x,一合成氣中各單質(zhì)氣體的體積百分應方程有:數,%;2C +02 =2CO +246.4 kJ/mol .(1)Q。一合成氣中各組成氣體的低位發(fā)熱C +O2 =CO2 + 408.8 kJ/mol(2)值,kJ/m'。2CO +O, =2CO2 +571.1 kJ/mol(3)1.5合成氣成分分析CO2 +C=2C0 - 162.4 kJ/mol凈化后的合成氣溫度在50心以下,用氣包搜2H20 +C=C02 +2H2 -131 kJ/mol (5)集后送人氣體分析儀分析。合成氣成分分析采用H20+C0 =CO2 +H, +41.2 kJ/mol (6)北分3420氣相色譜分析儀，可對H2、CO2、CO、2H2 +O2 =2H2O -483.6 kJ/mol .(7)N,、CH..O2.C.H.等進(jìn)行監測，并將數據以表格2.1添加不同量的水蒸氣對氣體產(chǎn) 物的影響形式輸出。海藻粉在O2/水蒸氣氣氛下,相同0/B比,添加不同量水蒸氣時(shí),進(jìn)行五組實(shí)驗,反應結果如表2試驗結果 與討論2所示。氣流床氣化過(guò)程實(shí)際上是燃料在高溫下的熱02流量為0.1 m'/h(O/B=0.3),經(jīng)預熱器化學(xué)反應過(guò)程。由于在氣化爐內高溫條件下發(fā)生加熱至350C ,反應溫度設定為1200C ,表2顯示多相反應,反應過(guò)程極為復雜,可能進(jìn)行的化學(xué)反了在氣化劑中添加不同量的水蒸氣對海藻在氣流應很多。氣化反應過(guò)程可概括如下間:床下的氣化結果影響(其中總產(chǎn)氣量扣除了合成(1)燃料的干燥及裂解與揮發(fā)物的燃燒氣化氣中N,的成分)。從表2中可以得到,隨著(zhù)S/B(2)固體顆粒與氣化劑間的反應的增加,合成氣中H,的產(chǎn)量增加趨勢明顯,合成(3)生成的氣體與固體顆粒間的反應氣熱值不斷上升,在S/B=0.9時(shí)達到最高值(4)反應生成氣體彼此間進(jìn)行的反應8091 kJ/m'。表2海藻粉02/水蒸氣氣化結果S/B/kg.kg~0.30.60.91.2合成氣產(chǎn)量/m'.kg"0.70.81.00.95H:/g.kg"19.7024. 6931.0435.7235.74C0/g* kg~255.5275.8300.2325.6328.5CH,/g.kg~10. 1011. 1012. 9612.6411.98CO2/g.kg"334.032.7451.3466.9468.碳轉化率/%74.48 .87.7193.4897.7297.56Q/kJ.m-5521643074868091979注:氣化溫度= 1200 ;給料量=0.5 kg/h;0/B=0.3在氧氣中添加水蒸氣后,促進(jìn)了C、CO與水不同量CO2時(shí),進(jìn)行五組實(shí)驗,反應結果如表3蒸氣的反應，即反應(5)、(6)向正方向進(jìn)行,但是所示。反應(6)為放熱反應,在高溫下受抑制，因此反應添加不同量的CO2 (CO2/B分別為0、0.3、(5)主導著(zhù)H2的產(chǎn)量。如果以制氫為目的,添加0.6.0.9.1.2)后,從表3可以看出,以每千克生物適量水蒸氣可以起到明顯的改善作用。有文獻表質(zhì)產(chǎn)生的氣體質(zhì)量為基準，氣化劑中添加了CO2明191] ,較高的S/B會(huì )使氣化溫度降低,不利于高后,總產(chǎn)氣量較添加水蒸氣的略多(扣除了N,)。質(zhì)量燃氣的產(chǎn)生。對一給定的氣化過(guò)程，S/B存合成氣中的有效成分(H2、CO CH.)都有不同程在一個(gè)由熱平衡影響的最佳操作范圍。本實(shí)驗度的提高,其中H2、CO在CO2/B=0.6時(shí)分別比中,S/B的理想值在0.9左右。單純氧氣氣化提高了23. 6%和73.5%,熱值由2.2添加不同量的 CO2對氣體產(chǎn)物的影響5521 kJ/m'升至7860 kJ/m' ,提高了42.3%。本海藻粉在02/CO2氣氛下,相同0/B比,添加實(shí)驗以產(chǎn)氣中的CO2量減去投入的CO2量為研-新能源及室藝究對象,來(lái)分析生物質(zhì)在氣化過(guò)程中CO2的產(chǎn)趨勢。 氣化反應中,H2主要由反應(5)產(chǎn)生,由量。由圖2(c)可以看出,隨著(zhù)CO2量的增加,生于Co的增加推動(dòng)水煤氣反應,即反應(6),促進(jìn)物質(zhì)的完全氧化反應受到抑制,從圖2(b)中CO了H,產(chǎn)量的增加。V. MinkovaI0]認為CO2氣化產(chǎn)量的上升可以得到驗證。綜合分析可以得出:促進(jìn)了生物質(zhì)熱解氣化后焦炭的轉化,提高了碳在確定氣化溫度和0/B的情況下，氣化劑中適當轉化率。但是CO2添加到一定值后,產(chǎn)氣熱值及添加CO2有利于增加合成氣中可燃組份的產(chǎn)量、碳轉化率有所降低,過(guò)量CO2(以海藻為例,CO2/合成氣熱值及碳轉化率。B>0.9),會(huì )導致合成氣中CO2比例的增加,從而添加不同比例CO2后氣化抽取的合成氣中稀釋了有效氣組分,同時(shí)合成氣熱值也會(huì )下降,甚CO產(chǎn)量均有不同程度的提高,這是因為反應(4)至低于純氧氣化的合成氣熱值，而且過(guò)量的CO2的正向進(jìn)行,使得生物質(zhì)產(chǎn)生的CO2呈逐漸下降增加了合成氣后續的處理負擔。裹3海藻粉0,/CO,氣化結果CO2/B/kg.kg00.30.60.91.2合成氣產(chǎn)量/m’.kg-0.71.01.1H2/g. kg"'19.7022.8324.3526.3722.72C0/g. kg-'255.5411.0443.5449.2475.2CH:/g.kg"11.1010.8111.6412.9112. 90CO2/g. kg-'334.0324.8270.8251.5240.1碳轉化率/%74.4896.4796.4097. 6098.33Q,/kJ. m~3 .5521.37306786085767996注:氣化溫度= 1200 ;給料量=0.5 kg/h;0/B =0.32.3水蒸氣、CO2 添加量對海藻粉氣流床氣化特反。這是由于CO2添加后,抑制了碳的完全氧性的影響比較化,更多的碳轉化為CO,從圖2(b)可以取得驗圖2為添加水蒸氣、CO2后,海藻粉在氣流床證。而添加水蒸氣則促進(jìn)了反應(4)和反應(5)下氣化結果的對比。由于氣化溫度較高,CH,的的正向進(jìn)行，導致CO2產(chǎn)量的上升。產(chǎn)量非常少(小于合成氣體積濃度的3%),且不從合成氣的熱值對比來(lái)看[圖2(d)],兩者同氣化劑添加對CH,產(chǎn)量的變化趨勢不明顯，因的變化趨勢相近,但是添加CO2后的合成氣熱值此CH的對比無(wú)實(shí)際參考價(jià)值。比添加水蒸氣后合成氣的熱值高，這是因為添加圖2(a)為添加水蒸氣和CO2后H2產(chǎn)量的變CO2后合成氣中CO的產(chǎn)量增幅比添加等量水蒸化對比,添加水蒸氣比添加CO2的合成氣中H2氣后合成氣中H2的增幅大,而單位體積H,與產(chǎn)量明顯增加。在CO2/B(S/B) =0.9時(shí),前者CO的熱值相近。CO2/B =0.9時(shí),產(chǎn)氣熱值達到比后者多產(chǎn)出H2約9.4g/kg。因此，如果以制取最高8576 kJ/m',而S/B=0.9時(shí),產(chǎn)氣熱值為富氫氣體為目標，添加水蒸氣可以起到較好的8091 kJ/m' ,顯然將等量的CO2與水加熱至反應效果。圖2(b)顯示了添加水蒸氣和添加CO2后CO溫度,后者的能耗要大的多。所以,利用CO2/02的變化,可以看出,添加CO2后,合成氣中CO的在氣流床內對生物質(zhì)進(jìn)行氣化制取高品質(zhì)合成產(chǎn)量迅速增加,在CO2/B=0.3時(shí)比單純氧氣氣氣,在一定程度上可以替代水蒸氣的作用?；黾恿?0. 8%,而添加水蒸氣的合成氣中CO對圖2(e)兩組實(shí)驗的碳轉化率結果對比后發(fā)現,添加CO2后,碳轉化率迅速上升,在CO2/B的增量表現的比較平緩。從生物質(zhì)產(chǎn)生CO2的對比上看[圖2(c)]，=0.3時(shí),就達到96. 47%,添加水蒸氣的這組實(shí)添加CO2后,由生物質(zhì)產(chǎn)生的CO2呈逐漸下降趨驗碳轉化率呈逐步上升趨勢。當CO2/B(S/B) >勢,而添加水蒸氣的合成氣中,CO,的產(chǎn)量則相0.9后,兩者基本在同一水平。能源工程2010年,第3期-35 -新能源及工藝心0r+Steam/0, 4C./010029032530哥86331世Steam/0, +CO/O700.00.20.40.60.81024LCO/B S/B0.0 0.20.40.6 0.8 1.0 1.2e)(a)圈2水蒸氣、CO, 添加量對海藻粉氣流床氣化500特性的影響480f [-Steam/0, +0,/046044042013結論420 t。 400380 t(1)生物質(zhì)海藻粉在氣流床中02/S氣化對產(chǎn)360340氣組分有較大影響,H,產(chǎn)量上升最為明顯。.320 t(2)生物質(zhì)海藻粉在氣流床中0/CO2氣化300 E280 t對C0的生成有明顯的促進(jìn)作用;當0/B=0.3,260 t240FCO2/B=0.9時(shí),生物質(zhì)產(chǎn)生CO,明顯受到抑制，220 L氣化反應對CO,的利用率提高,比單純氧氣氣化時(shí)H2 ,CO產(chǎn)量產(chǎn)氣熱值分別提升了33. 9%、75. 8%(b和55.3%。但是CO2的添加不是越多越好,過(guò)量S2OF世Steam/01 +CO./01的CO2會(huì )增加產(chǎn)氣中CO2的比例,削弱了02/480CO2氣化對熱值的貢獻,同時(shí)也增加了合成氣后4400續處理的難度。' 400(3)少量添加CO,對有效氣體的產(chǎn)量、CO2的? 380E利用、熱值在一-定程度上可以替代水蒸氣氣化,同時(shí)可以降低系統能耗和簡(jiǎn)化氣化設備。參考文獻:2400.00.20.40.60.8101.2[1]劉竟,馬曉茜 微藻氣化發(fā)電生命周期評價(jià)及碳循環(huán)(C)分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報,2008 29(11):1414-4 1418.[2] 陳雪莉,張巍巍,粟 冬,等.生物質(zhì)氣流床氣化技9000術(shù)分析與探討[J]計算機與應用化學(xué),2007,248500-(3) :355 -358.8000[3] 周勁松,趙 輝,曹小偉.等.生物質(zhì)氣流床氣化制。7500取合成氣的試驗研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報,2008, 29.7000(11):1406 - 1413.告6500[4] 昊創(chuàng )之,馬隆龍.生物質(zhì)能現代化利用技術(shù)[M].北6000京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.5500Stcam/0, -C0./05] 戢緒國,張翠清,徐春霞,等. 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