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 SINICAFeb,,2008文章編號:0254006(2008)02-04606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1,張俊如3,朱華東3,周浩生12,宋旭,王同章1(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院鎮江22013;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(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8/19時(shí)的典型實(shí)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(shí)氣體產(chǎn)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(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: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(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一定惰性粒子(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46。試驗研究結果能方面許多互補性,如生物質(zhì)熱值較低(約為煤的6%),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270m,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100℃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700~750℃,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(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)中國煤化工收稿日期:20060724CNMHG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。twq00@yahoo.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板送人爐內,由余熱鍋爐(3)來(lái)的水蒸汽經(jīng)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?；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數據測取與處理方法C+H2O→C0+H2-Q每一工況均需生物質(zhì)流化床氣化爐穩定運行4h后,進(jìn)行數據測取?？紤]到在現有條件下,不可生物質(zhì)(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中,也不可能準確測定焦油總量。生物質(zhì)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(gè)物料平衡也難以實(shí)現。然而,產(chǎn)下保持熱平衡,從而可獲得熱值較高、產(chǎn)氣率高焦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GB120890取塵進(jìn)入儲灰箱(8),初除塵的燃氣進(jìn)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(jìn)與其進(jìn)行換熱降溫到300℃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)入儲氣柜(5),供用戶(hù)使用。余熱鍋爐產(chǎn)生05MPa的襲進(jìn)行評價(jià)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。軟水T1+T2+73(1)干基產(chǎn)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。氣量(m3h)V1生物質(zhì)流化床氣化爐2高溫旋風(fēng)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(fēng)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(chǎn)率,m3/kg;M—一加料量,kgh;質(zhì)倉;11風(fēng)室;2布風(fēng)板;13蒸氣噴嘴V—干產(chǎn)氣量,mh圖1生物質(zhì)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(shí)驗研究分兩個(gè)階段。第一階段調整優(yōu)化運其中:S1、S2—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下運行進(jìn)行實(shí)驗確定出生物質(zhì)煤不同比例下,氣例:Q生)、Q1)—生物質(zhì)和煤的低熱值。蒸汽分化爐的產(chǎn)氣量產(chǎn)氣率、燃氣熱值和氣化效率的變化解率SD(%)為:規律為共氣化流化床氣化爐的運行操作提供依據。SD=2xCH%+B%+2x%)x第二階段是對玉米芯/煤的比例為80/20時(shí)的典型運的可靠性。前者是研究者根據現場(chǎng)條件檢測(空氣、8224%×0行工況進(jìn)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(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(zhì)中固定炭含量。名22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。7692生物質(zhì)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(jiàn)圖362.31H-/%4.91N/%0.851.0237.72生物質(zhì)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(zhì)和煤的進(jìn)料量與給料機轉速的關(guān)系進(jìn)料量:玉米芯1353kg/h,煤32kg/hFig. 2 The connection between the qualities進(jìn)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(chǎn)量:105kg/hN1400燃氣產(chǎn)量:32712m3/h氣體產(chǎn)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(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:20934kg/m3hFig 3 Fluidization properties when the ratio燃氣成分與熱值見(jiàn)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(jiàn)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(jìn)料量總進(jìn)料量150~180kg;1222.00.916.24812.651.36393.8<10生物質(zhì)煤按1000、80/20、60/40、20800/100624結果與討論個(gè)量依次進(jìn)行調節。24.1氣化溫度4)進(jìn)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(jìn)行相應的調節,圖4~圖7數油共和判甲行且五正世的關(guān)鍵參數。所以對沿中國煤化工據是在進(jìn)氣量為200m/h實(shí)驗條件下測取的。著(zhù)段一當的控制在設計階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(zhì)與煤共氣化的研究(I)249較淺的區域并在密相層O2很快消盡,流化床上部的稀相區一般是進(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爐必不可少的氣化區域。為此,沿著(zhù)氣化爐高度安裝5000裝3根熱電偶。由T、T2和T3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)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(shí),T1溫度很快從850℃生物質(zhì)/煤升至1000℃,其間溫度分布呈現T>T2>T3的規律;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(zhì)/煤的比值對燃氣熱值的影響時(shí)溫度分布呈現T2>T1>T3或T1>T2>T3的規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(zhì)比例較少有關(guān),而后者恰好相反。當溫度分布的次序為T(mén)3>T2>T1時(shí),此時(shí)通常發(fā)生了不正常狀況。這將導致通過(guò)流化床層的氧氣過(guò)量或超量。當流化床表觀(guān)速度大于1m/s時(shí),床層波動(dòng)較大,很難精確控制運行溫度,一般使用T1T2、T的平均值T學(xué),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(xiàn)圖。在共氣化中氣化溫度7隨20/8040/6060/4080/20100/0生物質(zhì)在混合物的比例增大而下降。一般混合物共生物質(zhì)/煤氣化T取值在850~920℃之間。圖6生物質(zhì)煤的比值與氣體產(chǎn)率的關(guān)系Fig. 6 The influence to the yield of theproduct gas by the ratios of the biomass/coal煤比例的關(guān)系。隨著(zhù)生物質(zhì)在混合物料中比例的增加,氣體產(chǎn)率明顯提高。如玉米芯/煤的比率從40/60增加到80/20時(shí),氣體產(chǎn)率從1.4m3/kg增加到1.9m/kgo244氣化效率20/8040/6060/4080/20100/0生物質(zhì)/煤圖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(gè)線(xiàn)性關(guān)系。當固定氣化溫度時(shí)總氣化效率242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定料層,使氣化爐難以穩定運行。為達到生物質(zhì)8020時(shí),產(chǎn)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(chǎn)率易大中國煤化工圖6表示每千克混合物料的氣體產(chǎn)率與玉米芯CNMHG太陽(yáng)能學(xué)報29卷[參考文獻][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),2004,224):4-5.[1] Qin Yuyu, Feng Jie, Li Wenying, et al.Discussionson theeffect of operating conditions on biomass gasification fluid-ized bed reactor[ J]. 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Fluidized-bed co-gasifica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 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(shí)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(shí),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(jìn)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(zhì)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(shí)可得到氣化結果為:燃氣熱值5(5):30-347.0M/m3燃氣產(chǎn)率17-20m/kg、氣化效率[7] Wang lei, Wu Chuangzhi,amh,td,Bmp70%-75%,副產(chǎn)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(xué)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]. 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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