第29卷第3期太陽能學(xué)報(bào)Vol 29, No. 32008年3月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA文章編號(hào):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?xì)馔趿⑷?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(zhèn)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(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究了影響燃?xì)鉄嶂禋怏w產(chǎn)率燃?xì)饨M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(nèi)燃?xì)鉄嶂?1-13Mm3,氣體產(chǎn)率11-1.3m3/kg,氣化效率75%~80%燃?xì)庵薪褂秃啃∮?.9mg/m3的結(jié)果。通過將本技術(shù)與國外現(xiàn)有生產(chǎn)中熱值燃?xì)獾姆椒ㄟM(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)本技術(shù)具有產(chǎn)生較高熱值燃?xì)夂腿細(xì)庵械徒褂秃康葍?yōu)點(diǎn)關(guān)鍵詞:流化床;生物質(zhì);中熱值燃?xì)?水蒸汽;共氣化中圖分類號(hào):TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言在700℃以上。但一般水蒸汽難以達(dá)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(yīng)用空氣為氣化劑生產(chǎn)低熱值燃?xì)鈺r(shí),可燃?xì)庵猩蒆2CH較多,C2C0等含量相對(duì)較少有利于N含量約達(dá)0%,如能除去可燃?xì)庵械腘,其熱值燃?xì)獾倪M(jìn)一步處理。目前世界上使用水蒸汽氣化的將相應(yīng)增加一倍,達(dá)到10-16MJm。所以中熱值氣很少,主要用于實(shí)驗(yàn)室研究。化的基本方法是使用不含N2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(yàn)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(shè)備,故運(yùn)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(shù)量和溫度的限制,一般熱解氣化爐的溫度法不能超過800℃C,氣化效率較低。另一方面由于運(yùn)行氧氣氣化與空氣氣化相似,屬自熱型氣化方式可燃?xì)鈿饣瘎┎缓琋2,燃?xì)鉄嶂递^高,其CO、H含量較高,CH含量較低。由于氧氣氣化反應(yīng)溫度可隨意調(diào)節(jié),反應(yīng)完全,氣體產(chǎn)量較高,氣化效率相應(yīng)較高,其技術(shù)成熟、工藝簡單、運(yùn)行穩(wěn)定,適于規(guī)?；a(chǎn)但需要相應(yīng)的制氧設(shè)備,投資和運(yùn)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(yàn)生物質(zhì)室規(guī)模到中試設(shè)備都有,但國內(nèi)有關(guān)生物質(zhì)氧氣氣高溫砂子化僅處于實(shí)驗(yàn)室研究階段2。水蒸汽氣化必須有兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)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?dú)饣磻?yīng)即水煤氣反應(yīng)要求水蒸汽溫度必須中國煤化工dbm收稿日期:20060724CNMHG基金項(xiàng)目:江蘇省科技攻關(guān)項(xiàng)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(nèi)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?xì)獾姆椒磫我涣骰捕綒饣?又稱間歇式生物質(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(yàn)裝置與工藝流程爐;4洗滌塔;5儲(chǔ)氣柜;6煙囪;7沉淀水池;8羅茨風(fēng)機(jī);9儲(chǔ)灰箱;10.帶螺旋加料機(jī)的煤倉;11帶螺旋加如圖2所示,氣化爐進(jìn)氣管中設(shè)空氣控制閥(1-料機(jī)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(shè)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?xì)饪刂崎y制閥(1-2)和燃?xì)饪刂崎y(22)。當(dāng)氣化爐啟動(dòng)運(yùn)行時(shí),蒸汽閥(21)和燃?xì)忾y(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)開啟,這時(shí)羅茨風(fēng)機(jī)經(jīng)空氣閥(1-1)由風(fēng)Fig. 2 The process flow of the water gas gasifier室向爐內(nèi)供入一次空氣,同時(shí)螺旋加煤機(jī)向爐內(nèi)加煤為使燃料能在爐內(nèi)完全燃盡,設(shè)計(jì)有20%二次空時(shí)氣化階段結(jié)束,蒸汽閥(21)和燃?xì)饩W(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)依次開啟氣燃燒的氣體成分繼續(xù)燃盡使?fàn)t內(nèi)溫度迅速升高燃化爐又轉(zhuǎn)人燃燒階段。這兩個(gè)階段交替往復(fù)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?xì)鉄煔庀到y(tǒng)凈化后排入大氣中。當(dāng)爐內(nèi)溫度上升到設(shè)水煤氣反應(yīng)是此方法的基礎(chǔ),所以其氣化設(shè)備定溫度時(shí)(1000),燃燒階段結(jié)束這時(shí)空氣閥(11)酸稱為生物質(zhì)流化床水煤氣爐,其工藝被稱為流化和煙氣閥(1-2)自動(dòng)關(guān)閉蒸汽閥(21)和燃?xì)忾y(2.床二步法制氣工藝。兩對(duì)控制閥門:空氣閥煙氣2)自動(dòng)開啟從余熱鍋爐來的水蒸汽經(jīng)過熱器蒸汽、蒸汽閥燃?xì)忾y的轉(zhuǎn)換由轉(zhuǎn)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(jī)向爐溫限決定于原料的反應(yīng)速率高溫限決定于原料的內(nèi)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(yàn)原料的轉(zhuǎn)換溫度設(shè)定為950~化狀態(tài)下發(fā)生水煤氣反應(yīng)及生物質(zhì)的熱解氣化反100℃可獲得較好的氣化效果。運(yùn)行中需要特別注應(yīng),產(chǎn)生中熱值燃?xì)?。由于該反?yīng)是吸熱反應(yīng),使?fàn)t意調(diào)整煙氣閥和燃?xì)忾y的相對(duì)滯后的啟閉時(shí)間,以內(nèi)溫度快速下降,這時(shí),產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)旋風(fēng)分離器、使燃?xì)獗M量進(jìn)入燃?xì)庀到y(tǒng)。余熱鍋爐、燃?xì)忾y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(dāng)爐內(nèi)溫度下降到設(shè)定溫度(950℃玉米芯和煤的工業(yè)分析和元素分析見表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(yùn)行結(jié)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(xiàn)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)過比例CNMHG如下。一個(gè)月的運(yùn)行試驗(yàn)。表明該爐運(yùn)行平穩(wěn)操作方便,21興型買驗(yàn)結(jié)果性能穩(wěn)定。轉(zhuǎn)換溫度設(shè)定為:900~950℃,9501)進(jìn)料量356太陽能學(xué)報(bào)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?xì)馊紵A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。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(zhuǎn)換溫度950~1000℃按上述參數(shù)操作運(yùn)行,可得氣化結(jié)果為:燃?xì)鉄嶂?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(jì)算的氣化效率圖4燃?xì)獾蜔嶂蹬cSB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?xì)獬煞峙c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?xì)獬煞?%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?xì)庵蠬2、CH和CO的含量11.00.527.09.841.5140000.9與SB的關(guān)系曲線。從圖中可以看出在實(shí)驗(yàn)條件22分析與討論下,燃?xì)庵蠬2含量隨著水蒸汽量增加而增加,而1)氣化溫度CH4、C0含量隨著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)鍵參說明cH4+H2O→CO+3H2,CH+H2O→CO2+H2這數(shù)。隨著轉(zhuǎn)換溫度的提高氣體產(chǎn)率和氣化效率均兩種反應(yīng)有所增強(qiáng)。相應(yīng)提高。但氣體熱值隨著轉(zhuǎn)換溫度提高而有所降低,主要表現(xiàn)為[H2]隨著溫度提高而增加,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( S/Bkg·kg圖5燃?xì)庵蠬、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的類型當(dāng)氣化溫度確定后總氣化效率隨著混中國煤化工圖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)焦油含量隨著氣化溫度的提高,燃?xì)庵薪褂蜏p少。在900~950℃,950~1000℃,1000~1050℃3種溫度范圍條件下,燃?xì)庵薪褂秃吭?2~0.7mg/m3范圍內(nèi)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(yīng),使燃?xì)庵薪褂秃匡@著低于已有的研究成果56。00/0802060/4040/6020/800/100生物質(zhì)/煤3現(xiàn)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(shí)產(chǎn)權(quán)的一種新的氣化方Fig. 6 The influence to the gasification法,現(xiàn)將該方法與現(xiàn)有國外生產(chǎn)中熱值燃?xì)夤に囘M(jìn)efficiency by the ratios of the biomass/coal行比較6(見表3)。表3現(xiàn)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(shè)備蒸汽發(fā)生器制氧機(jī)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(zhuǎn)化率/%氣體產(chǎn)率/m3kg15∞.01.00.55氣體熱值M13.016.0氣化強(qiáng)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(wěn)定性一般較好較差較好應(yīng)用狀況很少較多較少始應(yīng)用條一次投資般較高較高一般運(yùn)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(nèi)以極快的反應(yīng)速度進(jìn)行熱解氣越性。與氧氣氣化相比,其投資省,運(yùn)行成本低,且化。使該氣化技術(shù)才能達(dá)到如此高的氣化性能指和雙流化床氣化法相比本技術(shù)無論是技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)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(yīng)溫度(達(dá)100℃以上),使第一臺(tái)流化床水煤氣爐在鎮(zhèn)江投人工業(yè)運(yùn)行,現(xiàn)在已358太陽能學(xué)報(bào)29卷在城市煤氣、工業(yè)燃?xì)夂突ず铣蓺夥矫娴玫酵茝V應(yīng)[3] Sheng ping,uYu, Wang Xiaoying,el. The research of用現(xiàn)在單臺(tái)氣化爐規(guī)模產(chǎn)氣量已達(dá)80m/h2conditions for pyrolysis and gasification of sugarcane bagasse年以來在煤氣化技術(shù)基礎(chǔ)上開展了生物質(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(yīng)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(yīng)快,易于獲得較高的燃燒溫度,這種互補(bǔ)性在本技術(shù)中體現(xiàn)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(yàn)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(jié)構(gòu)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(jì)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過度消耗對(duì)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(duì)于無steam in fuidized bed effectiveness of cao, mgo and法單獨(dú)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(kuò)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?xì)?由于工藝簡單,運(yùn)行成本低,為生物質(zhì)解和氣化研究[].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),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發(fā)應(yīng)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(xiàn)]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].太陽能學(xué)報(bào),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.[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