氣化劑參數對流化床生物質(zhì)氣化指標影響的模型研究

第46卷第4期生物質(zhì)化學(xué)工程Vol 46 No 42012年7月Biomass Chemical EngineeringJuly 2012研究報告—一生物質(zhì)能源氣化劑參數對流化床生物質(zhì)氣化指標影晌的模型研究徐紅東,門(mén)長(cháng)貴,賀根良,林益安(西北化工研究院,陜西西安710054)摘要:以典型生物質(zhì)資源麥稈為原料,采用流化床氣化方法,通過(guò)建立熱力學(xué)平衡模型,計算并分析氣化劑參數對氣化指標的影響,理論優(yōu)化了以蒸汽+空氣為氣化劑時(shí)的氣化指標,得出了空氣中氧氣濃度的增加能夠顯著(zhù)提高氣化指標,降低消耗;氣化劑預熱溫度的増加可以増加氣化爐操作度,降低氣化過(guò)程無(wú)用的熱負荷,降低消耗;空氣中氧氣濃度和蒸汽/空氣質(zhì)量比與氣化反應溫度近似成線(xiàn)性關(guān)系,即氧氣濃度增加,氣化爐溫度増加,蒸汽/空氣質(zhì)量比增加,氣化爐溫度降低;蒸汽/空氣質(zhì)量比能夠調節氣化爐反應溫度和氣體紐成,當該值在0.05時(shí),氣化溫度為1270K,合成氣中CO+H2+CH4體積分數為25.7%,氣化指標較好。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化劑;流化床;氣化中圖分類(lèi)號:TQ351;TQ91文獻標識碼:A文章編號:1673-5854(2012)04-0032-05Model Investigation on Effects of Characteristics of Gasifying Agent onBiomass Gasification ProcessXU Hong-dong, MEN Chang-gui, HE Gen-liang, LIN YiNorthwest Research Institute of Chemical Industry, Xi'an 710054, China)Abstract: In this paper, the fluid-bed gasification technology is adapted to the conversion of biomass into energy. The gasifyingagents characteristics have an important impact on gasification process and the products. A thermodynamics equilibrium modelwas built to predict the gasification results with typical biomass resource i. e. straw, as raw material. By analyzing the key factorsin gasification, an optimization gasification results with the agent of steam and air was drawn. It was found that the steam/ air is0. 05 and the temperature was 1 270 K, effective gas component(CO, H, CH )can reach 25. 7%Key words: biomass; gasifying agent fluid-bed; gasification生物質(zhì)資源在我國能源結構中占有較為重要的地位,而流化床氣化是比較適合生物質(zhì)能源轉化的技術(shù)之一。在流化床生物質(zhì)氣化過(guò)程中,氣化劑成分及相互間比例、氣化劑溫度等特性對流化床的床層穩定性、氣化強度、原料消耗、有效氣體成分等有很大的影響。流化床生物質(zhì)氣化工藝根據氣化劑的不同,大體上可分為空氣氣化、富氧氣化、純氧氣化。為了調節爐溫、提高氣化效率、提高氫氣分率,在氣化過(guò)程中會(huì )適當添加部分蒸汽,滿(mǎn)足特定用途時(shí)對合成氣的要求。本文作者以空氣氣化和富氧氣化為例通過(guò)建立熱力學(xué)平衡模型,得出了典型的生物質(zhì)氣化技術(shù)指標。同時(shí)根據靈敏度分析,得出了氣化劑溫度、氣化劑配比對合成氣組成、氣化溫度的影響趨勢,為流化床生物質(zhì)氣化工藝研究、設計提供了部分依據。1基礎數據以典型生物質(zhì)資源麥稈為原料根據參考文獻[]中例舉的部分數據通過(guò)歸納整理后,其工業(yè)分中國煤化工CNMHG收稿日期:2011-06-03作者簡(jiǎn)介:徐紅東(1980-),男,寧夏中衛人,學(xué)士從事燃料氣化相關(guān)研究設計工作;聯(lián)系電話(huà):13402977059;Emal:hdxu-100@163. com第4期徐虹東,等:氣化劑參數對流化床生物質(zhì)氣化指標影響的模型研究析和元素分析數據見(jiàn)表1。其中,工業(yè)分析為空表1麥稈工業(yè)分析和元素分析氣干燥基質(zhì)量(%),元素分析為干燥無(wú)灰基質(zhì)量Table 1 Proximate and ultimate analysis of straw分數(%)項目成分質(zhì)量分數/%表1分析數據表明:麥稈中水分含量較低,灰component水分 moisture分含量適中,揮發(fā)分含量高,固定碳含量低,說(shuō)明工業(yè)分的◇揮發(fā)分 volatile67.27其反應活性較好。元素含量中,氫、氧含量高,硫 proximate固定碳 fixed carbon含量低,與揮發(fā)分含量高相對應。發(fā)熱量相對化灰分ash8.54石燃料偏低,其空氣于燥基低位發(fā)熱量只有18089MJ/kg元素分析cHoNs0.672氣化模型2.1熱力學(xué)模型建立采用熱力學(xué)平衡模型為計算依據。氣化反應過(guò)程為:氣化劑自爐底氣流分布裝置進(jìn)入氣化爐,將粉碎后由另一管路進(jìn)入氣化爐的麥稈充分流化。在800℃、0.05MPa的條件下,麥稈快速經(jīng)歷升溫、脫水、脫揮發(fā)分、熱解、殘焦形成,熱解氣及熱解過(guò)程產(chǎn)生的微量焦油殘焦與氣化劑中的氧氣、水蒸氣在高溫下進(jìn)一步發(fā)生氧化還原反應,產(chǎn)生以CO、H2、CO2、CH4為主的合成氣。整個(gè)過(guò)程反應式概括如下:根據物料平衡熱量平衡化學(xué)反應平衡可以列出如下等式dCH4+eN2+/H2S+gH2OCH,O,S,+u(002+(1-D)N2)+hH,0=aC02+bC0+cH2碳平衡:1=a+b+d氧平衡:y+2u+k=2a+b+g氫平衡:x+2k=2c+4d+2f+2g(3)氮平衡:u(1-)=e硫平衡:z=f(5)變換反應:CO+H2O←→CO2+H2平衡常數:k1a xcPo×PH20b×g(6)甲烷化反應:C+2H2→→CH4平衡常數:k2=dx(a+b+c+d+e+f+g)(7)(Pt2)式(6)、(7)中k1、k2是氣化反應溫度的函數,根據下式(8)、(9)計算而得。7082.8487.466×102.164×106.567lnT0.701×10262r+32541)(8)P+1.86lnT-2.7×10‘7、5820018.007)5870.53(9)熱量平衡:△Hn(T)=△H(Tn)+∑nCdT(10)考慮熱損失的前提下,系統處于絕熱條件,即△H(T)=△Hn(Tn)+∑ n, C, dT=0,參比溫度下反應熱由物質(zhì)燃燒熱確定,其中△H1是反應熱,Cn是i物質(zhì)的比熱中國煤化工2.2模型計算CNMHG模型計算采用迭代求解未知數,已知x√y、z、U,加入水蒸氣量k由u確定,通過(guò)迭代計算求d、e、f、g生物質(zhì)化學(xué)工程第46卷輸入基本參數:x設定氣化溫度T,假定u由(8)、(9)求k1、k2求a、b、c、d、e、∫、求進(jìn)、出熱量Q進(jìn)、QQ進(jìn)一Q出<001Q進(jìn)輸出:a、b、cg結束圖1熱力學(xué)模型計算流程圖Fig. 1 Flowsheet of thermodynamic model如圖1所示。首先輸入基本參數x、y、x、U、u、T,由反應溫度T根據式(8)、(9)計算平衡常數k1、k2。確定k、后根據式(1)~(7)聯(lián)立求解未知數a~g,并據此計算氣化爐進(jìn)、出熱量值Q進(jìn)和Q出。若Q>Q出或者Q進(jìn)-Q出<0.01Q不成立,則為u賦予新值uw,循環(huán)計算a~g,直至方程式Q>Q曲和Q進(jìn)-Q出<0.01Q進(jìn)同時(shí)滿(mǎn)足,輸出a、b、c、d、e、f、g、u。模擬結果分析及優(yōu)化3.1典型氣化指標以表1所列麥稈工業(yè)分析和元素分析數據為基準,設定麥稈入爐流量為100kg/h、氣化溫度為表2出氣化爐氣體典型氣化指標800℃、蒸汽/空氣質(zhì)量比為0.06,根據建立的模Table 2 Typical gasification index型計算,則所需要的參與反應的空氣量為組分體積流量/(Nm3h-1)體積分數/%159.25Nm3/h,需要的蒸汽量為12.45kg/h,其典型氣化指標如表2所示。從表2數據可以看出,出氣化爐氣體成分中13.57CO+H2+CH4約占總體積的29%以上。由于空氣中帶人的大量氮氣,燃氣中N2的體積占總氣體N2126.3055.28體積的一半以上。盡管如此,燃氣的低位發(fā)熱量H2s0.0仍達到234092kJ/Nm3,完全可作為工業(yè)及民用燃氣原料使用。3.2氣化劑參數優(yōu)化分析3.2.1氣化劑中氧氣濃度對氣化的影響由于氣化劑中氧氣中國煤化工看出:氣體中N2含量過(guò)高影響氣化指標和燃氣特性而降低入氣化爐N2量是YHCNMH③措施。通過(guò)設定不同氧氣濃度,在入氣化爐氣化劑總量不變的前提下,隨著(zhù)氧氣濃度的增加,合成氣成分發(fā)生如下圖2所示的明顯變化。即N2的量顯著(zhù)降低,CH4因氧氣濃度增加導致氣化溫度增加而逐漸降低,合成氣第4期徐虹東,等:氣化劑參數對流化床生物質(zhì)氣化指標影響的模型研究中H2與CO含量有不同程度的增加,而CO2和H2O含量也有所增加。圖3是氧氣濃度與氣化溫度的關(guān)系。從圖中可以看出,氧氣濃度幾乎與氣化溫度成正比例線(xiàn)性關(guān)系。當氧氣濃度由20%增加至60%時(shí),氣化反應溫度從1048K增加至1309K。顯然是由于氧氣量增加,增加了氣化過(guò)程的熱效率、氣化爐內的熱負荷及氣化爐的溫度,并相應使氮氣量減小,而氮氣通常作為熱量的帶走者幾乎不參與有效的氣化反應。1200110025303540455氧氣體積分數%氧氣體積分數/%xNz:-0-CH;-△-H2O;圖2氧氣濃度與粗煤氣組成的關(guān)系圖3氧氣濃度與氣化溫度的關(guān)系Fig 2 Relationship of oxygen concentration andFig 3 Relationship of oxygen concentration andraw gas component綜上所述,增加氣化劑中氧氣濃度能夠提高氣化爐操作溫度,增加氣化反應合成氣中的有效成分提高氣化效率。即隨著(zhù)氧氣濃度的增加,在流化床氣化反應爐操作溫度穩定的情況下,生產(chǎn)單位有效氣體量所需要的空氣量顯著(zhù)減小,帶入氣化爐的氮氣量減小。因此,在有條件的前提下,生物質(zhì)流化床氣化應盡可能采用高濃度氧氣氣化,降低合成氣中氮氣的含量,提高氣化效率。度之間的關(guān)系。隨著(zhù)空氣預熱溫度的增加氣化溫度也隨之增的B3.22空氣預熱溫度對氣化的影響氣化劑溫度對氣化過(guò)程14有較強的影響。以空氣氣化為例,圖4是空氣預熱溫度與氣化溫加。這是因氣化反應溫度要遠高于空氣溫度,將常溫空氣加熱120至氣化反應溫度需要消耗大量的熱能,而提高空氣預熱溫度則能有效降低空氣在氣化爐內外的溫差,降低加熱空氣所需熱量消耗,增加氣化爐的反應溫度。3.2.3蒸汽/空氣質(zhì)量比對氣化的影響氣化反應中,加入蒸空氣預熱溫度K汽主要用于控制反應溫度并通過(guò)變換反應提供部分H2,減少C0圖4空氣預熱溫度與氣化溫度的關(guān)系的量,因此蒸汽/空氣質(zhì)量比對氣化反應溫度和氣化指標有較大rg4 Relationship of gasification agent的影響。通過(guò)計算,得出了如圖5所示的蒸汽/空氣質(zhì)量比與氣temperature and gasification tem體組成之間的關(guān)系。隨著(zhù)蒸汽/空氣質(zhì)量比從0增加至0.1,H2體積分數從9%增加到13%,CO體積分數從17%降低至8%,CO2體積分數增加,N2體積分數減小,氣化爐溫度有所降低,CH體積分數因爐溫的降低有所增加?？傮w而言,隨著(zhù)蒸汽空氣比增加,氣化效率總體呈微弱減小的趨勢。圖6顯示隨著(zhù)蒸汽/空氣質(zhì)量比的增加氣化溫度接近線(xiàn)性變官臨薩蒸汽/空氣質(zhì)量比由0增加到0.1,氣化溫度從1600K減至1000K,氣化反應汽/空氣質(zhì)量CNMH比對氣體組成和氣化溫度的影響,在保證氣化溫度穩定的前提下,能懷權空氣質(zhì)量比,以所用麥稈原料為例,最佳的蒸汽/空氣比為0.05左右,此時(shí)氣化爐操作溫度1270K,合成氣中CO+H2+CH4體積分數為25.7%,指標較好。生物質(zhì)化學(xué)工程第46卷1500碎址了1200020080.1900020040060080蒸汽/空氣質(zhì)量比蒸汽/空氣質(zhì)量比一CO2;一米一H2O,-O-CH4圖5蒸汽/空氣質(zhì)量比與氣體組成之間的關(guān)系圖6蒸汽/空氣質(zhì)量比與氣化溫度之間的關(guān)系Fig 5 Relationship of steam/ air and raw gasFig 6 Relationship of steam air and gasification3.3模型驗證氣化指標理論計算在已知原料特性、假定表3模型計算與試驗數據比較部分氣化操作條件的前提下,根據工藝過(guò)程、物Table 3 comparison of model and test data料平衡熱量平衡、熱力學(xué)平衡建立相應的模出氣化妒氣體組分氣體體積分數 volume fraction%型,采用一定的數學(xué)計算方法獲取數據的一種模型計算值試驗數據model dataest data方式,數據的準確性需要試驗檢驗。本研究采用秸稈為原料,其模擬計算結果和前人試驗數13.5717.6據對比如下通過(guò)對計算數據和試驗數據對比,可以看55.2856.74出除甲烷含量有所偏差外,其它組分理論計算2S0.02值與試驗測試取得的數據基本接近。甲烷含量偏差較大主要是試驗試燒時(shí)氣化爐內局部操作溫度相對較髙,甲烷化反應在髙溫下平衡向吸收熱量的方向偏移,從而造成理論計算甲烷含量較試驗值較髙。4結論以典型生物質(zhì)資源麥稈為原料,采用流化床氣體方法,通過(guò)建立熱力學(xué)平衡模型,分析計算了氣化劑參數對氣化指標的影響得出如下結論。4.1空氣中氧氣濃度的增加能夠顯著(zhù)提高氣化指標,降低消耗4.2氣化劑預熱溫度的增加可以增加氣化爐操作溫度,降低氣化過(guò)程無(wú)用的熱負荷,降低消耗。4.3空氣中氧氣濃度和蒸汽/空氣質(zhì)量比與氣化反應溫度近似成線(xiàn)性關(guān)系,即氧氣濃度增加,氣化爐溫度增加,蒸汽/空氣質(zhì)量比增加,氣化爐溫度降低。44蒸汽/空氣質(zhì)量比能夠調節氣化爐反應溫度和氣體組成,當該值在0.05的時(shí)候,氣化溫度為1270K,合成氣中CO+H2+CH4體積分數為25.7%,氣化指標較好。參考文獻:[1馬隆龍,吳創(chuàng )之,孫立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003[2]陳仲秀,顧飛燕,胡望明化工熱力學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,200[3]鐘秦俞馬宏.化工數值計算[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003中國煤化工CNMHG