第7卷第4期過程工程學報Vol 7 No 42007年8月The Chinese Journal of Process engineeringAug.2007生物質氣流床氣化前的處理工藝張巍巍,曾國勇,陳雪莉,于遵宏華東理工大學潔凈煤技術研究所,上海200237)摘要:針對生物質氣化過程面臨的問題,利用慢速熱解方法作為生物質氣流床氣化的前處理工藝并考察其可行性分析討論了熱解后半焦的化學組成和輸送特性,并使用 ASPEN PLUS模擬軟件計算比較了原料與半焦的氣化結果.結果表明,半焦的能量密度隨熱解溫度的升高而升高;熱解溫度在300-400℃之間,半焦的質量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率對于氣化工藝比較有利;熱解后半焦的內(nèi)摩擦角、休止角明顯降低,堆積密度明顯提高.使用 ASPEN PLUS模擬軟件進行計算比較,熱解溫度為400℃時的氣化效果最理想.關鍵詞:生物質;氣流床氣化;慢速熱解;半焦中圖分類號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1009-606X(2007)04-0747-041前言2實驗生物質能是太陽能轉換和積累的主要形態(tài)之一,是2.1實驗原料的制備唯一的既有礦物燃料屬性,又可儲存、運輸、再生、轉稻稈(取自上海市寶山區(qū))經(jīng)過粉碎過篩后,取換并較少受自然條件制約的能源.生物質能的開發(fā)利用80目(0.18-0.28mm)的篩間物作為實驗原料,并將其可緩解能源緊缺問題、環(huán)境污染問題和“三農(nóng)”問題等放置在105℃烘箱內(nèi)干燥3h后放入密封容器中備用.國家重大戰(zhàn)略問題.生物質氣化是生物質能高品位利用2.2實驗流程及條件發(fā)展最迅速最實用的技術之一,因此研究生物質氣化具22.1實驗流程有重要的現(xiàn)實意義1-3熱解實驗流程如圖1所示.生物質原料放入特制的由于生物質的能量密度和機械強度較低、堆積密度吊籃內(nèi),然后送入到外有電爐加熱的金屬反應器內(nèi)進行較小、休止角太大及流動性不好的特點,導致生物質在熱解.溫度由插入吊籃內(nèi)的熱電偶顯示.熱解后固體產(chǎn)氣化應用中遇到很多問題,如燃氣熱值較低(一般為5物半焦留在反應器內(nèi),實驗結束后取出稱重.產(chǎn)生的氣MJNm3左右,屬低熱值氣體)、合成氣中焦油含量較大、體由載氣帶出,通過除塵、除焦凈化后將其收集進行分生物質原料在輸送方面難以實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的送料.析.焦油收集主要由6個氣體洗瓶完成,第1個和第6近年來燃料利用和能源供應領域內(nèi)提岀了一種髙個氣體洗瓶裝有一半的玻璃微珠,第2,3,4氣體洗瓶裝溫空氣氣化技術( High Temperature Air Gasification,有100mL左右的二氯甲烷,第5個氣體洗瓶裝有1/3HTAG),是采用1000℃以上的高溫空氣對生物質進行氣化,獲得的燃氣具有熱值較高、焦油和酚類含量極低14對外界的污染很小等特點46但從生物質原料與氣化介質接觸方式考慮,徹底解決產(chǎn)出氣中不含焦油和酚類的相關技術國內(nèi)目前尚是空白,國外披露也較少.為了更好地實現(xiàn)生物質氣化,將生物質在進入氣流床氣化之前進行低溫慢速熱解處理,以達到提高合成氣熱值、本工作主要通過慢速熱解實驗對生物質原料進行1 Iee batf ontroller2. N2 Cylinder改善輸送特性的目的5. Pyrolysis basket 6. Quartz fiber filter8. Acetone-CO ice bath 9. Flow meter預處理,考察了熱解后固體產(chǎn)物半焦的質量產(chǎn)率、能量10.1. Valve產(chǎn)率及元素含量的變化,同時分析了生物質原料與半焦在物性方面的差別,并對比了熱解前后物料氣流床氣化圖1熱解中國煤化工CN MH Apparatus的 ASPEN PLUS過程模擬結果for slow pyrolsis收稿日期:2006-10-17,修回日期:2006-12-05作者簡介:張巍巍(1980-),女,蒙古族,吉林省通榆縣人,博士研究生,從事生物質熱解氣化的研究,Te:021-64253863,E-mail:zww2006@126com748過程工程學報7卷的玻璃微珠和50mL二氯甲烷.前4個氣體洗瓶放入冰煤質儀器廠生產(chǎn)的5E-1AC/M自動量熱儀測得.從表可浴中,后2個氣體洗瓶放入丙酮和干冰的混合液中以看出,隨著熱解溫度的升高,半焦的碳元素含量明顯222實驗條件增加,氧元素含量明顯降低;半焦的熱值也比原料的熱實驗開始前,用氮氣將反應器中的空氣排凈.熱解值顯著提高.說明熱解可以明顯地提高生物質的能量密終溫為300-550℃,升溫速率為5℃/min.通過設定控度溫儀上的參數(shù),使爐膛內(nèi)的溫度程序升溫至目標溫度,3.2半焦的質量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率恒溫一定時間,尾氣管口沒有氣體產(chǎn)生時認為反應結束質量產(chǎn)率n和能量產(chǎn)率n的定義如下83結果與討論char+ashOHVmE OHvbiomass3.1熱解后半焦的熱值及元素分析結果表1比較了原料與半焦各元素含量及熱值的差別.式中,mh和 mb分別為熱解后焦炭與灰分的質C,H,O,N,S元素含量由德國 Elementar公司生產(chǎn)的量和生物質原料的質量, OHEL和 OHV分別為半Vario macro元素分析儀進行定量分析,熱值由長沙焦和生物質原料的熱值表1原料與半焦的元素分析及熱值的比較samp xna ummate analy i s w i ermmm300℃ semi-char4.31400℃semi-char500℃-char2.570.4324.58lote: 1)Mass percentage on dry basis; 2) By difference圖2給出了半焦的質量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率隨熱解溫度生物質堆積密度小,難以實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的輸送,所以考的變化關系.由圖可見,半焦的質量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率都察低溫慢速熱解前后物料的物性參數(shù)變化對輸送性能隨著熱解溫度的升高而降低,且溫度越高,降低的幅度的影響.影響輸送性能的主要參數(shù)有堆積密度、休止角越大。原因是熱解溫度的提高使生物質內(nèi)不同結合形態(tài)內(nèi)摩擦角等.物料內(nèi)摩擦角的測量使用南京寧曦土的氧元素以揮發(fā)分的形式脫除,從而增加了熱解產(chǎn)物中壤儀器有限公司的SDJⅠ型應變直剪儀,摩擦角的計算液態(tài)和氣態(tài)部分,能量也相應地轉移到液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物使用國際通用的庫侖定律.圖3給岀了不同熱解溫度下中,因而半焦的質量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率都降低.綜合考慮原料與半焦的內(nèi)摩擦角、休止角和堆積密度的變化.圖半焦的質量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率,熱解溫度300400℃為宜.中20℃對應的點為原料的物性參數(shù)70從圖3(a)可以看岀,隨著熱解溫度的提高,內(nèi)摩擦?！?更角逐漸減小這是由于稻草本身具有韌性和彈性,熱解之后,表面出現(xiàn)不同程度的坍塌,變得更加粗糙,進而°增加了分子之間的吸引力和范德華力,同時熱解后物料在形狀上更接近球形,從而內(nèi)摩擦角變小如3(b)和3()所示,休止角隨熱解溫度的增加有降50合低的趨勢,熱解溫度為400℃時達到最低;而堆積密度則相反,隨熱解溫度的升高有升高趨勢,同樣在400℃300350400450500550時最高.休止角的降低和堆積密度的增加對生物質輸送Pyrolysis temperature(C)都是非常有利的圖2熱解溫度對半焦的質量產(chǎn)率和能量產(chǎn)率的影響從以上可看岀,休止角和內(nèi)摩擦角降低、堆積密度Fig 2 Effect of pyrolysis temperature on mass and energy增加對輸送都中國煤化工熱解不僅可以解yields of semi-char決能量密度低CNMHG改善生物質的物3.3原料與半焦物性的比較性,更好地實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的輸送.從實驗結果可知,熱輸送是生物質氣流床氣化的一個關鍵環(huán)節(jié).由于解溫度為400℃時對生物質的輸送最為有利.第4期張巍巍等:生物質氣流床氣化前的處理工藝74948E0100200300400500600Pyrolysis temperature(C)圖3原料與半焦的內(nèi)摩擦角、休止角和堆積密度的比較Fig3 Comparison of angle of internal friction, angle of repose and density between biomass and semi-char表2稻草和半焦的氣化結果比較Gasification (, Table 2 Comparison of gasification results of straw and semi-char300℃semi-char400℃semi-char500℃semi-char1057Molar ratio of oxygen to carbon1.650.95Carbon conversion rate(Effective gas productive rate(m/kg)1381.37Cold gas efficiency, nc(%)1.55Calorific value(kJ/N4885504851613.4 ASPEN PLU對氣化工藝的模擬結果效地改善生物質的輸送問題使用 ASPEN PLUS過程模擬軟件對生物質直接進(3)使用 ASPEN PLUS過程模擬軟件進行計算,當氣化爐和經(jīng)熱解處理后再進氣化爐進行模擬計算3氣化劑空氣)的溫度為25℃時,通過比較不同氣化原料氣化條件如下:氣化劑選用空氣,溫度為25℃,氣化在氣化溫度、OC摩爾比、碳轉化率、冷煤氣效率、合壓力0.2MPa,生物質或半焦的處理量為40kg/h.OC成氣熱值及有效氣產(chǎn)率的差別,得出熱解溫度400℃時摩爾比是決定氣化煤氣質量的關鍵因素,其定義為空氣的氣化效果最理想中氧與生物質所含氧的摩爾量之和與生物質中所含碳4)低溫慢速熱解工藝作為生物質氣流床氣化工藝摩爾量的比值.表2給岀了稻草和半焦氣流床氣化的主的前處理手段是可行的.生物質經(jīng)低溫慢速熱解后,所要氣化指標.以氣化爐溫度達到1000℃以上可以有效得生物質半焦的輸送特性、化學組成和工藝性質有明顯地除去焦油為前提,比較了稻草和半焦氣化的OC摩爾改善,從而可以有效地解決氣化合成氣熱值低、氣化煤比、碳轉化率、有效氣產(chǎn)率、冷煤氣效率及合成氣熱值氣焦油含量大及生物質輸送等問題的差別.從表可以看出,300和400℃熱解的半焦在氣參考文獻:化溫度達到1000℃以上時,碳轉化率都能達到99%以1姚向君,田宜水生物質能源清潔轉化利用技術M,北京:化學上.但從冷煤氣效率、合成氣熱值及有效氣產(chǎn)率可以看2雒廷亮,許慶利,劉國際,等生物質能的應用前景分析能出,400℃熱解的半焦略好于300℃的半焦源結構與信息,2003,19(4):194-1973]王璋保.對我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題的思考[J。工業(yè)加熱,4結論2003,32(2):1-54]曹小玲.生物質高溫空氣氣化的分析與探討.華東電力,2003,采用慢速熱解的方法將生物質進行前處理有望解(10):16-19決生物質氣化過程中所面臨的問題.通過對熱解后固體5]曹小玲,翁一武,蔣紹堅,等氣化參數(shù)對高溫空氣氣化的影響產(chǎn)物的分析與研究得出如下結論:能源工程,2003,(3):22-24.6]曹小玲,蔣紹堅,翁一武,等.生物質高溫空氣氣化分析、現(xiàn)狀(1)半焦的能量密度隨著熱解溫度的升高而升高.與前景中國煤化工熱解溫度在300-400℃之間,半焦的質量產(chǎn)率和能量產(chǎn)7UmkH,Jesp率對氣化工藝相對有利OperationHCNMHG. Energy. 2006, 311542-1553(2)熱解后生物質在物性上有很大改變.半焦的內(nèi)8 Bergman PC A. boersma A R, Kiel JH A. et al. orrefied Biomass摩擦角、休止角明顯降低,堆積密度明顯提高,可以有for Entrained-flow Gasification of Biomass [R]. Report750過程工程學報第7卷ECNC-05067,ECN,2005Degree of Internal Friction of Two Native Silica Packing Materials [J]⑨周靜,龔欣,原偉,等.空氣中煤低溫加熱性質變化門煤炭學J. Chromatogr.A.1998.818:155-168.報,2003,28(1):80-85]3]汪洋,代正華,于廣鎖,等.運用Gibs自由能最小化方法模擬1]傅磊,謝洪勇,馬麗霞,等.錐體料斗內(nèi)散料流動相對速度分布氣流床氣化爐[.煤炭轉化,2004,27(4):27-3的實驗研究[.應用力學學報,2004.21(2):115-1[4]徐越,吳一寧,危師讓,等.基于 ASPEN PLUS平臺的干煤粉[ll] Pablo J, Balasingam M, Gustavo V, et al. Flow and Shear Descriptors加壓氣流床氣化性能模擬門.西安交通大學學報,2003,37(7)of Preconsolidated Food Powders [J. J. Food Eng, 2006, 757-166’5]張斌,李政,江寧,等.基于 Aspen Plus建立噴流床氣化爐模型[12 Kathleen M, Thomas K, Andreas S M, et al. Measurement of the門J.化工學報,2003,54(8:1179-118Pretreatment Technology of Biomass Entrained Flow GasificationZHANG Wei-wei, ZENG Guo-yong, CHEN Xue-li, YU Zun-hong(nstitute of Clean Coal Technology, East China University of science and Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: Slow pyrolysis as the pretreatment technology before biomass entrained flow gasification was experimentally studied, and itsfeasibility assessed. The chemical composition and conveying characters of semi-char produced in the pretreatment were analyzed. Atthe same time, the entrained flow gasification results of biomass and semi-char were compared based on ASPEN PLUS software. Theresults show that the energy density of semi-char increases with the pyrolysis temperature. The mass and energy yields of semi-char arebeneficial to the biomass entrained flow gasification with the pyrolysis temperatures between 300 and 400 C. The angle of internalfriction and angle of repose decrease obviously with increasing the pyrolysis temperature. And the bulk density of semi-char is improvedevidently with increasing the pyrolysis temperature. Based on the analysis with ASPEN PLUS, the entrained flow galon result Ismost ideal when the pyrolysis temperature is 400CKey words: biomass; entrained flow gasification; slow pyrolysis; semi-char中國煤化工CNMHG