在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化研究(Ⅱ)——以水蒸汽為氣化劑生產(chǎn)中熱值燃氣

第29卷第3期太陽(yáng)能學(xué)報Vol 29, No. 32008年3月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA文章編號:025406(200)03035406在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化研究(Ⅱ)以水蒸汽為氣化劑生產(chǎn)中熱值燃氣王立群,宋旭,周浩生2,唐恒,王同章1(1江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,鎮江21203;2丹麥技術(shù)大學(xué)化工工程學(xué)院,哥本哈根摘要:以水蒸汽為氣化劑用玉米芯煤以不同比例為原料在60W流化床氣化爐上按二步法制氣工藝進(jìn)行連續運行實(shí)驗。實(shí)驗研究了影響燃氣熱值氣體產(chǎn)率燃氣組成及氣化效率的主要因素,確定出氣化爐適宜的操作條件及較佳的原料配比范圍。得出氣化溫度為950-100℃,玉米芯煤的比例為8020,SB在07-09范圍內燃氣熱值11-13Mm3,氣體產(chǎn)率11-1.3m3/kg,氣化效率75%~80%燃氣中焦油含量小于0.9mg/m3的結果。通過(guò)將本技術(shù)與國外現有生產(chǎn)中熱值燃氣的方法進(jìn)行比較發(fā)現本技術(shù)具有產(chǎn)生較高熱值燃氣和燃氣中低焦油含量等優(yōu)點(diǎn)關(guān)鍵詞:流化床;生物質(zhì);中熱值燃氣;水蒸汽;共氣化中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A0引言在700℃以上。但一般水蒸汽難以達到此溫度要求,所以氣體產(chǎn)量較少,氣化效率較低。其優(yōu)點(diǎn)是反應用空氣為氣化劑生產(chǎn)低熱值燃氣時(shí),可燃氣中生成H2CH較多,C2C0等含量相對較少有利于N含量約達0%,如能除去可燃氣中的N,其熱值燃氣的進(jìn)一步處理。目前世界上使用水蒸汽氣化的將相應增加一倍,達到10-16MJm。所以中熱值氣很少,主要用于實(shí)驗室研究?；幕痉椒ㄊ鞘褂貌缓琋2的氣化劑或改變加熱雙流化床氣化方法是美國國家可再生能源實(shí)驗方式使生物質(zhì)進(jìn)行熱解氣化,所得氣體主要成分為室研制的方法,其流程見(jiàn)圖1。這種方法既不需要C0、、CH和CO2。目前世界上有3種具體方外熱源,又不需要制氧設備,故運行成本低。但由于法,即氧氣氣化、水蒸汽氣化和雙流化床氣化方熱載體數量和溫度的限制,一般熱解氣化爐的溫度法不能超過(guò)800℃C,氣化效率較低。另一方面由于運行氧氣氣化與空氣氣化相似,屬自熱型氣化方式可燃氣氣化劑不含N2,燃氣熱值較高,其CO、H含量較高,CH含量較低。由于氧氣氣化反應溫度可隨意調節,反應完全,氣體產(chǎn)量較高,氣化效率相應較高,其技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單、運行穩定,適于規?；a(chǎn)但需要相應的制氧設備,投資和運行成本都較高氣化爐炭粒燃燒爐目前國外有關(guān)生物質(zhì)氧氣氣化的研究很多,從實(shí)驗生物質(zhì)室規模到中試設備都有,但國內有關(guān)生物質(zhì)氧氣氣高溫砂子化僅處于實(shí)驗室研究階段2。水蒸汽氣化必須有兩個(gè)關(guān)鍵設備即蒸汽發(fā)生器和氣化爐。生物質(zhì)熱解較理想的溫度在700℃以上,1四由占心擊毽且主要氣化反應即水煤氣反應要求水蒸汽溫度必須中國煤化工dbm收稿日期:20060724CNMHG基金項目:江蘇省科技攻關(guān)項目(BE20304)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。thw000Pyahoo.com.an3期王立群等:在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化研究(Ⅱ)355時(shí)焦炭和熱載體都在高溫下循環(huán),難以定量控制,爐軟水溫易變化,限制了其實(shí)用性,目前仍未有實(shí)用案例。江蘇大學(xué)在國內外首次提出單一流化床中以水蒸汽為氣化劑,用生物質(zhì)生產(chǎn)中熱值燃氣的方法即單一流化床二步氣化法(又稱(chēng)間歇式生物質(zhì)流化床水煤氣氣化工藝)。生物質(zhì)流化床水煤氣爐工藝流程HL1生物質(zhì)流化床氣化爐;2高溫旋風(fēng)分離器;3余熱鍋11實(shí)驗裝置與工藝流程爐;4洗滌塔;5儲氣柜;6煙囪;7沉淀水池;8羅茨風(fēng)機;9儲灰箱;10.帶螺旋加料機的煤倉;11帶螺旋加如圖2所示,氣化爐進(jìn)氣管中設空氣控制閥(1-料機的生物質(zhì)倉;12風(fēng)室;13.布風(fēng)板;14.蒸汽噴淚;1)和水蒸汽控制閥(2-1)。在余熱鍋爐后設煙氣控1~L空氣控制閥;1-2煙氣控制閥;2-1.蒸汽控制閥;22.燃氣控制閥制閥(1-2)和燃氣控制閥(22)。當氣化爐啟動(dòng)運行時(shí),蒸汽閥(21)和燃氣閥(22)關(guān)閉,空氣閥(1-1)和圖2生物質(zhì)流化床水煤氣爐工藝流程圖煙氣閥(1-2)開(kāi)啟,這時(shí)羅茨風(fēng)機經(jīng)空氣閥(1-1)由風(fēng)Fig. 2 The process flow of the water gas gasifier室向爐內供入一次空氣,同時(shí)螺旋加煤機向爐內加煤為使燃料能在爐內完全燃盡,設計有20%二次空時(shí)氣化階段結束,蒸汽閥(21)和燃氣網(wǎng)(22)相繼氣從噴咀加旋噴入使帶入懸浮段的微粒炭及不完全自動(dòng)關(guān)閉空氣閥(11)和煙氣閥(12)依次開(kāi)啟氣燃燒的氣體成分繼續燃盡使爐內溫度迅速升高燃化爐又轉人燃燒階段。這兩個(gè)階段交替往復進(jìn)行工燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)旋風(fēng)分離器余熱鍋爐、煙氣閥進(jìn)入作,生產(chǎn)中熱值燃氣煙氣系統凈化后排入大氣中。當爐內溫度上升到設水煤氣反應是此方法的基礎,所以其氣化設備定溫度時(shí)(1000),燃燒階段結束這時(shí)空氣閥(11)酸稱(chēng)為生物質(zhì)流化床水煤氣爐,其工藝被稱(chēng)為流化和煙氣閥(1-2)自動(dòng)關(guān)閉蒸汽閥(21)和燃氣閥(2.床二步法制氣工藝。兩對控制閥門(mén):空氣閥煙氣2)自動(dòng)開(kāi)啟從余熱鍋爐來(lái)的水蒸汽經(jīng)過(guò)熱器蒸汽、蒸汽閥燃氣閥的轉換由轉換溫度控制,一般低閥由風(fēng)室進(jìn)入氣化爐同時(shí)生物質(zhì)螺旋加料機向爐溫限決定于原料的反應速率高溫限決定于原料的內加入生物質(zhì),這時(shí)高溫料層和加入的生物質(zhì)在流灰熔點(diǎn)。本次實(shí)驗原料的轉換溫度設定為950~化狀態(tài)下發(fā)生水煤氣反應及生物質(zhì)的熱解氣化反100℃可獲得較好的氣化效果。運行中需要特別注應,產(chǎn)生中熱值燃氣。由于該反應是吸熱反應,使爐意調整煙氣閥和燃氣閥的相對滯后的啟閉時(shí)間,以?xún)葴囟瓤焖傧陆?這時(shí),產(chǎn)生的燃氣經(jīng)旋風(fēng)分離器、使燃氣盡量進(jìn)入燃氣系統。余熱鍋爐、燃氣閥進(jìn)人洗滌塔,經(jīng)洗滌冷卻后經(jīng)水封12氣化原料器進(jìn)入氣柜。當爐內溫度下降到設定溫度(950℃玉米芯和煤的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1表1玉米芯和煤的工業(yè)分析和元素分析Table 1 The proximate and ultimate analysis of com core and coal工業(yè)分析/%元素分析%低位發(fā)熱值vFC[C][H[N。[o][Sl,[P]Q。/kg生物質(zhì)5606247692112447634910.8537.720.110.204507.9460.86·62.312.861.020.71231202運行結果與分析100℃C,100~1050℃,使用玉米芯和煤按一定比例及不中國煤化工現以玉米芯煤的生物質(zhì)流化床水煤氣爐投入使用后,前后經(jīng)過(guò)比例CNMHG如下。一個(gè)月的運行試驗。表明該爐運行平穩操作方便,21興型買(mǎi)驗結果性能穩定。轉換溫度設定為:900~950℃,9501)進(jìn)料量356太陽(yáng)能學(xué)報29卷燃燒階段:30~45kgh(煤)米芯熱解產(chǎn)物增加所致。圖4所示為氣化溫度在氣化階段:120~180kg/h(玉米芯)950~100℃下,玉米芯/煤的比值為80/20時(shí),燃氣燃燒階段時(shí)間/氣化階段時(shí)閫:1.2~1.0低熱值與SB的關(guān)系曲線(xiàn)。生物質(zhì)/煤比例:80/202)進(jìn)氣量燃燒階段空氣量按1.3m/s流化速度選用制氣階段水蒸汽量按SB為08選用日域轉換溫度950~1000℃按上述參數操作運行,可得氣化結果為:燃氣熱值:14.0MJm3氣體產(chǎn)率:1.2m3/kg(生物質(zhì)和煤)(B)kgkg綜合氣化效率:80%(生物質(zhì)和煤混合原料綜合計算的氣化效率圖4燃氣低熱值與SB的關(guān)系3)玉米芯粒度0~10mm;煤粒度0~6mmFig 4 The influence to the heat value表2燃氣成分與熱值of the product gas by the value of S/BTable 2 The content and Q- of the product gas3)H2、CH和C0含量與S/B關(guān)系燃氣成分/%Q焦油含量圖5表示氣化溫度在950-100C下,玉米芯/ωO0C0馬”小m3/mg·m3煤的比值為80/20時(shí),燃氣中H2、CH和CO的含量11.00.527.09.841.5140000.9與SB的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖中可以看出在實(shí)驗條件22分析與討論下,燃氣中H2含量隨著(zhù)水蒸汽量增加而增加,而1)氣化溫度CH4、C0含量隨著(zhù)水蒸汽量的增加均有所降低。這氣化溫度是影響氣體產(chǎn)率和氣化效率的關(guān)鍵參說(shuō)明cH4+H2O→CO+3H2,CH+H2O→CO2+H2這數。隨著(zhù)轉換溫度的提高氣體產(chǎn)率和氣化效率均兩種反應有所增強。相應提高。但氣體熱值隨著(zhù)轉換溫度提高而有所降低,主要表現為[H2]隨著(zhù)溫度提高而增加,而[CH]則有所下降所致。圖3表示氣體產(chǎn)率與SB的關(guān)系曲線(xiàn)( S/Bkg·kg圖5燃氣中H、CH和CO的含量與SB的關(guān)系Fg.5 The influence to the五2、 CH and C000.20406081012141.6(S/B). kgpercents of the product gas by the value of S/B4)氣化效率圖3氣體產(chǎn)率與SB的關(guān)系總氣化效率取決于氣體產(chǎn)率氣體熱值、混合物Fig 3 The influence to the yield of the的類(lèi)型當氣化溫度確定后總氣化效率隨著(zhù)混中國煤化工圖6表示總氣化2)氣體熱值效率CNMHG在氣化溫度確定后隨著(zhù)玉米芯在混合物中比例的增加,產(chǎn)出氣的熱值明顯增大。這主要由于玉3期王立群等在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化研究(Ⅱ)357氣化溫度950-1000℃5)焦油含量隨著(zhù)氣化溫度的提高,燃氣中焦油減少。在900~950℃,950~1000℃,1000~1050℃3種溫度范圍條件下,燃氣中焦油含量在12~0.7mg/m3范圍內變化。其原因在于高溫焦炭層在水蒸汽作用下加速了焦油的裂解反應,使燃氣中焦油含量顯著(zhù)低于已有的研究成果56。00/0802060/4040/6020/800/100生物質(zhì)/煤3現有中熱值汽化方法與本技術(shù)比較圖6氣化效率與生物質(zhì)煤比值之間的關(guān)系本技術(shù)是具有自主知識產(chǎn)權的一種新的氣化方Fig. 6 The influence to the gasification法,現將該方法與現有國外生產(chǎn)中熱值燃氣工藝進(jìn)efficiency by the ratios of the biomass/coal行比較6(見(jiàn)表3)。表3現有中熱值氣化方法與本技術(shù)的比較Table 3 Contrast between the gasification technique of producingnedium-heating value fuelwadays and the technique in this paper蒸汽氣化氧氣氣化雙流化床氣化二步氣化法氣化介質(zhì)水蒸汽水蒸汽水蒸汽氣化溫度/℃850~950主要輔助設備蒸汽發(fā)生器制氧機余熱回收裝置余熱回收裝置氣化爐形式流化床循環(huán)床循環(huán)床流化床氣化效率/%件碳轉化率/%氣體產(chǎn)率/m3kg15∞.01.00.55氣體熱值M13.016.0氣化強度/kg“(m2h)-13000150024.015.02744.027.0cH4/%20.013.016.09.8CH/%4.05.5件H2/%20.025.0182.00.30.5技術(shù)難度一般一般較高一般穩定性一般較好較差較好應用狀況很少較多較少始應用條一次投資般較高較高一般運行成本一般較高較低焦油含量較多較少較多從表中可以看出,本技術(shù)在生物質(zhì)氣化中的優(yōu)生物質(zhì)在氣化爐內以極快的反應速度進(jìn)行熱解氣越性。與氧氣氣化相比,其投資省,運行成本低,且化。使該氣化技術(shù)才能達到如此高的氣化性能指和雙流化床氣化法相比本技術(shù)無(wú)論是技術(shù)性、經(jīng)濟V山凵中國煤化工性可操作性以及環(huán)保性等諸方面都優(yōu)于雙流化床4CNMHG氣化法。其根本原因在于由于采用煤和生物質(zhì)共氣該技術(shù)在我國的發(fā)展已經(jīng)歷了20a0。190年化,提高了氣化爐的反應溫度(達100℃以上),使第一臺流化床水煤氣爐在鎮江投人工業(yè)運行,現在已358太陽(yáng)能學(xué)報29卷在城市煤氣、工業(yè)燃氣和化工合成氣方面得到推廣應[3] Sheng ping,uYu, Wang Xiaoying,el. The research of用現在單臺氣化爐規模產(chǎn)氣量已達80m/h2conditions for pyrolysis and gasification of sugarcane bagasse年以來(lái)在煤氣化技術(shù)基礎上開(kāi)展了生物質(zhì)和煤共氣in steam[J]. Renewable Energy, 2005, 121(3):28-32.化的研究由于生物質(zhì)的氣化反應性好,而煤的固定[4王同章王立群,周浩生,一種生物質(zhì)與煤混合流化床氣化方法及其裝置[P].CN0410013943.4碳含量高灰熔點(diǎn)高低溫活性差燃燒反應快,易于獲得較高的燃燒溫度,這種互補性在本技術(shù)中體現得[4] Wang Tongzhang, Wang Liqun, Zhou Haosheng. A kind ofethod and device of the fu-非常明顯。idized bed[ P]. CN2004100139434如在燃燒階段加媒,容易獲得高溫下所需熱量,[5]王磊,吳創(chuàng )之,陳平等.生物質(zhì)氣化焦油在高溫為下一階段生物質(zhì)氣化提供極好的氣化條件,在溫木炭床上的裂解試驗研究[].可再生能源,00,123度1000℃,生物質(zhì)在水蒸汽作用下,快速發(fā)生熱解(5):30-34.氣化,從而獲得很好的氣化性能。因此在我國富煤[5] Wang Lei, Wu Changzhi, Cheng ping,eal. Biomass g缺油少氣的能源結構條件下,大力發(fā)展可再生能源ification tar destruction in a high temperatrue charcoal bed以解決經(jīng)濟發(fā)展與能源資源短缺的矛盾,化石燃料[J. Renewable Energy, 2005, 123(5): 30-34過(guò)度消耗對環(huán)境造成的影響。而且這種共氣化技術(shù)6 Delgado, Amar M P, Corella J. Biomass gasification將使我國的煤炭資源得到更合理的利用。如對于無(wú)steam in fuidized bed effectiveness of cao, mgo and法單獨氣化的劣質(zhì)煤,采用該技術(shù)將會(huì )改善煤的氣for raw gas claning[J]. Ind Eng Chem Res, 1997, 36:1535-1543.化性質(zhì)擴大煤的使用范圍而生物質(zhì)用此工藝生產(chǎn)[刀蘇學(xué)泳王智徽程從明等.生物質(zhì)在流化床中的熱中熱值燃氣,由于工藝簡(jiǎn)單,運行成本低,為生物質(zhì)解和氣化研究[].燃料化學(xué)學(xué)報,200,28(4):298制氣合成甲醇、二甲醚提取H創(chuàng )造了條件。因此生物質(zhì)流化床水煤氣爐的開(kāi)發(fā)應用將使我國生物質(zhì)[7] Su Xueyang, Wang Zhiwei, Cheng Congming,tl.氣化技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。on biomass pyrolysis and gasification in a fluidized bed[J]Joumal of Fuel Chemistry and Technology, 2000, 28(4)[參考文獻]298-305[1]吳創(chuàng )之徐冰羅曾凡等.生物質(zhì)中熱值氣化技術(shù)[8] herguido J,relJ, Gonzalez-Saiz J. Steam gasification of的分析及探討[.煤氣與熱力,1995,15(2):8-14.lignocellulosic residues in a fuidized bed at small pilot scale[1] Wu Chuangzhi, Xu Bingyan, Luo Zengfan, et al. Analysis ofeffect of the type of feedstock[ J]. Ind Eng Chem Res, 199938:4226-4235biomass gasification for MHV fuel gas[J]. Coal Gas andHeating Power,1995,15(2):8-14.Gil J, Corella J, Azmar M P. et al. Biomass gasification in at-[2】吳創(chuàng )之,陰秀麗羅曾凡,等.生物質(zhì)富氧氣化特性的ospheric and bubbing fluidized bed: effect of the type of研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報,199,18(3):238-242.gasifying on the product distribution[ J]. Biomass and Bioen-2] Wu Chuanzhi, Yin Xiuli, Luo Zendfan, e al. The perforery,1999,mance study of biomass gasification with oxygenr-nich air[門(mén).[10]王同章,王立群,一種水煤氣氣化方法及其裝置[P]Z90105680.4]沈萍,陸豫,王孝英,等,水蒸汽圍下甘蔗渣熱[10 Wang Tongzhan.Wagm,Adw腳四a解氣化條件的研究[J]可再生能源,2005,121(3):tion method and device[ P].Z9o1056804中國煤化工CNMHG3期王立群等:在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化研究(Ⅱ)359DEVELOPMENT STUDY ON CO-GASIFICATION OF BIOMASSAND COAL IN FLUIDIZED BED GASIFIER(II-PRODUCING MEDIUM-HEATING VALUE FUELGAS WITH STEAM AS GASIFYING AGENTWang Liqun, Song Xu, Zhou Haosheng., Tang Heng, Wang tongzhan(1. Schod d energy and Power Engineering JIangsu Uniersity, Zhenjiang 212013,China2.University of Demark, Demark)Abstract: Experiments for producing medium-heating value fuel gas were performed in a 600 kW fluidized bed gasifierwhich ran under a two-step gasification process. In the experiments, steam was used as gasifying agent, and com coreand coal mixtures with different mass ratios were applied as fuel. To optimize the operation conditions, the effects of thebed temperature, the ratio of core/coal, and the S/B on the heating value, the yield, the compositions of the productgas,and the gasification efficiency were investigated. The experimented results indicated that the heating value of theproduct gas is 11-13MJ/m, the yield of the product gas is 1. 1-1.3m/kg, the gasification efficiency is 75%-80%when the bed temperature of the gasifier is 869, and the amount of the tar is less than 0. 9mg/m' in the product gasand the optimized ratio of com core/ coal is 80/20, and S/B is 0. 20. A comparison of the invented technique with the re-ported techniques was also presented. It is found that the new technique has advantages of producing product gas withhigher heating value and much less tar in the product gas, eteKeywords: fluidized bed; biomass; medium-heating value fuel gas; steam; cogasification中國煤化工CNMHG