新能源及藝不同氣化劑下海藻粉在氣流床下氣化特性試驗研究梅勤峰,周勁松,陳青,劉炳俊,駱仲泱(浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室,浙江杭州310027)摘要:為考察O2/水蒸氣和O2CO2作為氣化劑對海藻粉氣化特性的影響,在自制的小型生物質氣流床氣化爐上開展海藻粉在氣流床下氣化特性試驗研究。當氧氣/生物質比(O/B)為0.3、氣化溫度為1200℃時,不同水蒸氣/生物質比(S/B=0~1.2)對合成氣組成有較大影響,其中H2產(chǎn)量的上升趨勢最為明顯,S/B=1.2時比單純氧氣氣化提高了81.4%。而在O2CO2氣化條件下,由生物質產(chǎn)生的CO2隨二氧化磯/生物質比(CO2/B)的增加而下降,當CO2/B=0.9時H2、CO的產(chǎn)量分別比單純氧氣氣化提高了339%和75.8%,熱值由51/m3上升至8576以/m3。結果表明,如果以提高熱值為制取合威氣的目標時,添加CO2在一定范圍內(nèi)可以達到水蓁氣的數(shù)果,同時降低了系統(tǒng)能耗及簡化了氣化設備。關鍵詞:生物質;氣流床氣化;CO2中圖分類號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1004-3950(2010)03-0032-05Experimental study on the effect of different gasification agents onseaweed powder gasification in an entrained flow gasifierMEI Qin feng, ZHOU Jin-song, CHEN Qing, et alState Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)Abstract: The influences of 0, /Co, and 0, /Steam as different gasification agents on the characteristics of seaweedpowder gasification in a bench-scale entrained flow gasifier were studied. Different ratios of steam/biomass had effectson the gas composition: H, content increased obviously, which were improved by 81.4% with S/B=1.2. The contentof CO, produced from biomass was reduced with the increasing of the ratio of CO,/biomass. Compared with oxygen gasification,H, and Co contents were improved by 33. 9% and 75. 8% respectively. The heating value increased from5521 k/m to 8576 kJ/m. The results indicated that the addition of Co, can achieve the effect of steam to some ex-tent aimed at the heating value of syngas, while reducing the energy consumption and simplifying the gasification equip-Key words: biomass; entrained-flow gasification; CO,氣化爐,其氣化溫度均小于1000℃,致使氣化爐0引言產(chǎn)出的粗煤氣中或多或少含有焦油。焦油的存在藻類與其他生物質(如木質纖維素材料)相對于熱解氣化過程以及相關的設備都有較大的危比,具有光合作用效率高、環(huán)境適應能力強、生長害2。而氣流床具有原料適應性強、反應溫度周期短、生物產(chǎn)量高的特點,同時藻類在水中生高、氣化強度大、合成氣中有效成分高且不含焦油長,不占用農(nóng)業(yè)用地,因此微藻引起了很多研究者等特點,已在煤氣化中得到工業(yè)化應用,而生物質的注意,本實驗選擇海藻作為氣化原料氣流床氣化國內(nèi)外尚處在研究階段3。在氣化生物質氣化的主體是生物質氣化爐,目前主劑的選擇上,有空氣氣化、水蒸氣氣化、O2水蒸要應用的生物質氣化爐包括固定床氣化爐和流化氣氣化及富氧氣化,各有特點。床氣化爐兩種類型。但無論是流化床還是固定床M凵中國煤化工作氣化劑或者收稿日期:2009-12-23CNMHG基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展(973)計劃資助項目(200CB210208);國家自然科學基金資助項目(90610035)作者簡介:梅勤峰(1981-),男,浙江嘉興人,碩士研究生,從事生物質氣化研究3一新能源及加入CO2替代部分水蒸氣作氣化劑,生產(chǎn)出的高料方式即生物質在載氣(N2)輸送下,由爐頂螺純C0或者具有不同組成的合成氣,可滿足不同旋給料機,定量送人原料噴嘴,與經(jīng)氣化劑預熱器合成氣用途的需要。在這個技術領域的應用與研的氣化劑(O2、O2+水蒸氣或O2+CO2)混合,在究中,國外報道的資料較少,國內(nèi)近幾年研究的進爐膛內(nèi)進行氣化反應。氣化產(chǎn)生的合成氣經(jīng)爐膛展較快底部激冷室冷卻后,經(jīng)旋風分離器和水洗過濾器目前生物質CO2氣化的大部分研究主要關等裝置,灰渣由爐膛底部的排渣室和除塵器底部對熱解產(chǎn)物的氣化6,張德厚”等以焦炭為原收集裝置收集料,O2和CO2為氣化劑,在固定床氣化爐內(nèi)高溫1.2實驗原料連續(xù)氣化,制取含CO約70%的粗CO氣。而直實驗原料為海藻粉,粒度為80~100目,其工接利用CO2作為氣化劑在氣化爐內(nèi)對生物質進業(yè)分析和元素分析如表1所示行熱解氣化制備可燃氣的研究尚處起步階段。本文介紹在自制的實驗室規(guī)模(0.5kg/h)的沉降式氣化裝置上,研究在特定工況下(氧氣生物質比為0.3、氣化溫度為1200℃),對O2/水蒸氣和O2CO2作為氣化劑在氣流床內(nèi)對海藻粉進行氣化研究氣流床條件下添加CO2氣化的可行性。實驗1.1實驗裝置自制的常壓下生物質氣流床氣化實驗臺主要由給料系統(tǒng)、氣化劑預熱器、沉降式氣化爐、合成圖1生物質高溫氣流床氣化系統(tǒng)氣冷卻裝置、旋風除塵器水洗過濾器等組成,系1一氮氣;2一二氧化碳;3一氧氣;4一流量計;統(tǒng)如圖1所示。氣化爐高1500mm,外徑65mm5一三通閥;6—氣化劑預熱器(水蒸氣發(fā)生器);內(nèi)徑60mm,外面包裹保溫材料厚度為15mm,由7—蠕動泵水滴注入點;8—螺旋給料器;9—氣化爐;電爐絲加熱,設計工作溫度為1200℃,原料處理10一爐膛;11-灰斗;12一旋風分離器;13-水洗器;能力為02~0.5kg/h。預熱器可將氣化劑預熱14-過濾器;15-氣泵;16-氣相色譜分析儀;7-溫控儀至350℃。生物質燃料的供給采用螺旋加氣力給表1海藻粉工業(yè)分析及元素分析工業(yè)分析/%元素分析/%FC低位熱值/小J·g1C10.494426.5116.56107238.052.59l.989.181.3實驗方法([CO]+[CO2]+[CH4])xQ/2.4海藻粉進行篩分、烘干處理后,對螺旋給料器P·W/12給料量進行標定。實驗前對氣化爐膛充入足量式中:[CO]、[CO2]、[CH4]—C0、CO2和CHN2進行排空然后對氣化爐及氣化劑預熱器進行的體積百分比濃度,%;預熱,待溫度到達設定值并穩(wěn)定后,開啟給料器,Q—合成氣體積流量,m3/h;并通入氣化劑,待合成氣出氣穩(wěn)定后進行取樣P—生物質中含碳量,%;數(shù)據(jù)計算中國煤化工氣化反應過程中,燃料中的C元素主要以CNMHG據(jù)合成氣的成CO、CO2、CH,的形式存在于合成氣中因此碳轉分計化率可按以下公式進行計算:∑斜源堆2010年,第3期-33嘶聽能及堅藝式中Q1—合成氣的低位發(fā)熱量kJ/m3;氣流床內(nèi)對合成氣組分影響起主要作用的反x—合成氣中各單質氣體的體積百分應方程有數(shù),%;2C+O2=2C0+246.4kJ/molQ。—合成氣中各組成氣體的低位發(fā)熱C+0,=CO,+408. 8 kJ/mol(2)值,kJ/12C0+02=2C02+571.1kJ/mol(3)1.5合成氣成分分析CO2+C=2C0-1624kJ/mol(4)凈化后的合成氣溫度在50℃以下,用氣包搜2H20+C=CO,+2H,-131 kJ/mol (5)集后送入氣體分析儀分析。合成氣成分分析采用H,0+C0=CO, +H,+41. 2 kJ/mol (6)北分3420氣相色譜分析儀,可對H2、CO2、CO、2H2+O2=2H2O-483.6kJ/mol(7)N2CH4O2CH,等進行監(jiān)測,并將數(shù)據(jù)以表格2.1添加不同量的水蒸氣對氣體產(chǎn)物的影響形式輸出。海藻粉在O2/水蒸氣氣氛下,相同O/B比,添2試驗結果與討論加不同量水蒸氣時,進行五組實驗,反應結果如表2所示。氣流床氣化過程實際上是燃料在高溫下的熱O2流量為0.1m3/h(O/B=0.3),經(jīng)預熱器化學反應過程。由于在氣化爐內(nèi)高溫條件下發(fā)生加熱至350℃,反應溫度設定為1200℃,表2顯示多相反應,反應過程極為復雜,可能進行的化學反了在氣化劑中添加不同量的水蒸氣對海藻在氣流應很多。氣化反應過程可概括如下:床下的氣化結果影響(其中總產(chǎn)氣量扣除了合成(1)燃料的干燥及裂解與揮發(fā)物的燃燒氣化氣中N2的成分)。從表2中可以得到隨著S/B(2)固體顆粒與氣化劑間的反應的增加,合成氣中H2的產(chǎn)量增加趨勢明顯,合成(3)生成的氣體與固體顆粒間的反應氣熱值不斷上升,在S/B=0.9時達到最高值(4)反應生成氣體彼此間進行的反應8091kJ/m3。2海藻粉O2/水蒸氣氣化結果0.30.9合成氣產(chǎn)量/m3·kg0.819.7024.6935.72255.5275.8325.6CH4/g·kg10.10l1.1012.96l2.6411.98CO2/g·kg1334.0432.7451.3碳轉化率/%74.493,48Qk·m374868091注:氣化溫度=1200℃;給料量=0.5kg/h;O/B=0.3在氧氣中添加水蒸氣后,促進了C、CO與水不同量CO2時,進行五組實驗反應結果如表3蒸氣的反應,即反應(5)、(6)向正方向進行,但是所示反應(6)為放熱反應,在高溫下受抑制,因此反應添加不同量的CO2(CO2/B分別為0、0.3(5)主導著H2的產(chǎn)量。如果以制氫為目的,添加0.609、1.2)后,從表3可以看出,以每千克生物適量水蒸氣可以起到明顯的改善作用。有文獻表質產(chǎn)生的氣體質量為基準,氣化劑中添加了CO明”,較高的S/B會使氣化溫度降低不利于高后,總產(chǎn)氣量較添加水蒸氣的略多(扣除了N2)質量燃氣的產(chǎn)生。對一給定的氣化過程,S/B存合成效成分(H.COCH4)都有不同程在一個由熱平衡影響的最佳操作范圍。本實驗度的中國煤化工=0.6時分別比中,S/B的理想值在0.9左右單純CNMHG3.5%,熱值由2.2添加不同量的CO2對氣體產(chǎn)物的影響5521kJ/m3升至7860kJ/m3,提高了42.3%。本海藻粉在O2CO2氣氛下,相同O/B比,添加實驗以產(chǎn)氣中的CO2量減去投入的CO2量為研3一斷新能誘及篷藝究對象,來分析生物質在氣化過程中CO2的產(chǎn)趨勢。氣化反應中,H2主要由反應(5)產(chǎn)生,由量。由圖2(c)可以看出,隨著CO2量的增加,生于CO的增加推動水煤氣反應,即反應(6),促進物質的完全氧化反應受到抑制從圖2(b)中CO了H2產(chǎn)量的增加。V. Minkova0認為CO2氣化產(chǎn)量的上升可以得到驗證。綜合分析可以得出:促進了生物質熱解氣化后焦炭的轉化,提高了碳在確定氣化溫度和O/B的情況下,氣化劑中適當轉化率。但是CO2添加到一定值后,產(chǎn)氣熱值及添加CO2有利于增加合成氣中可燃組份的產(chǎn)量、碳轉化率有所降低,過量CO2(以海藻為例,CO2合成氣熱值及碳轉化率。B>0.9),會導致合成氣中CO2比例的增加,從而添加不同比例CO2后氣化抽取的合成氣中稀釋了有效氣組分,同時合成氣熱值也會下降,甚CO產(chǎn)量均有不同程度的提高,這是因為反應(4)至低于純氧氣化的合成氣熱值,而且過量的CO2的正向進行,使得生物質產(chǎn)生的CO2呈逐漸下降增加了合成氣后續(xù)的處理負擔。表3海藻粉O2/CO2氣化結果CO2/B/kg·kg00.30合成氣產(chǎn)量/m3kg1.01.2gCo/g·kg255.5411.0443.5475.210.81334.0324.8碳轉化率/%96.475521.37306786085767996注:氣化溫度=1200℃;給料量=0.5kg/h;O/B=0.32.3水蒸氣、CO2添加量對海藻粉氣流床氣化特反。這是由于CO2添加后,抑制了碳的完全氧性的影響比較化,更多的碳轉化為CO,從圖2(b)可以取得驗圖2為添加水蒸氣、CO2后海藻粉在氣流床證。而添加水蒸氣則促進了反應(4)和反應(5)下氣化結果的對比。由于氣化溫度較高,CH,的的正向進行,導致CO2產(chǎn)量的上升產(chǎn)量非常少(小于合成氣體積濃度的3%),且不從合成氣的熱值對比來看[圖2(d)],兩者同氣化劑添加對CH4產(chǎn)量的變化趨勢不明顯,因的變化趨勢相近,但是添加CO2后的合成氣熱值此CH4的對比無實際參考價值。比添加水蒸氣后合成氣的熱值高,這是因為添加圖2(a)為添加水蒸氣和CO2后H2產(chǎn)量的變CO2后合成氣中CO的產(chǎn)量增幅比添加等量水蒸化對比,添加水蒸氣比添加CO2的合成氣中H2氣后合成氣中H2的增幅大,而單位體積H2與產(chǎn)量明顯增加。在CO2/B(S/B)=0.9時,前者CO的熱值相近。CO2/B=0.9時,產(chǎn)氣熱值達到比后者多產(chǎn)出H2約948/kg。因此如果以制取最高8576kJ/m3,而S/B=0.9時,產(chǎn)氣熱值為富氫氣體為目標,添加水蒸氣可以起到較好的8091kJ/m3,顯然將等量的CO2與水加熱至反應效果。溫度,后者的能耗要大的多。所以,利用CO2O圖2(b)顯示了添加水蒸氣和添加CO2后CO在氣流床內(nèi)對生物質進行氣化制取高品質合成的變化,可以看出,添加CO2后,合成氣中CO的產(chǎn)量迅速增加,在CO2B=0.3時比單純氧氣氣氣,在一定程度上可以替代水蒸氣的作用化增加了60.8%,而添加水蒸氣的合成氣中CO對圖2(e)兩組實驗的碳轉化率結果對比后的增量表現(xiàn)的比較平緩。發(fā)現(xiàn)況上升,在CO2中國煤化工從生物質產(chǎn)生CO2的對比上看[圖2(c)],0蒸氣的這組實添加CO2后由生物質產(chǎn)生的CO2呈逐漸下降趨驗碳CNMHGO, /B(S/B)勢,而添加水蒸氣的合成氣中,CO2的產(chǎn)量則相0.9后,兩者基本在同一水平源黑框2010年,第3期-35-丶新能源及藝→Scan/o亠O/0升/B S/B0yB S/B圖2水蒸氣、CO2添加量對海藻粉氣流床氣化特性的影響3結論(1)生物質海藻粉在氣流床中O2S氣化對產(chǎn)氣組分有較大影響H2產(chǎn)量上升最為明顯。(2)生物質海藻粉在氣流床中O2CO2氣化對CO的生成有明顯的促進作用;當O/B=0.3,CO2/B=0.9時,生物質產(chǎn)生CO2明顯受到抑制0.002040.60.81.0氣化反應對CO2的利用率提高,比單純氧氣氣化時CO/B S/H2CO產(chǎn)量、產(chǎn)氣熱值分別提升了39%、75.8%和55.3%。但是CO2的添加不是越多越好,過量500F +-Steam/O,-+-CO, /O的CO2會增加產(chǎn)氣中CO2的比例,削弱了02CO2氣化對熱值的貢獻,同時也增加了合成氣后續(xù)處理的難度。(3)少量添加CO2對有效氣體的產(chǎn)量、CO2的利用、熱值在一定程度上可以替代水蒸氣氣化,同時可以降低系統(tǒng)能耗和簡化氣化設備。ma00吉參考文獻CO/B S/B[I]劉競馬曉茜微藻氣化發(fā)電生命周期評價及碳循環(huán)分析[]太陽能學報,2008,29(11:144-1418.[2]陳雪莉,張巍巍,粟冬,等.生物質氣流床氣化技9000術分析與探討[J].計算機與應用化學,2007,24883(3):355-358.[3]周勁松,趙輝,曹小偉,等.生物質氣流床氣化制取合成氣的試驗研究[J].太陽能學報,2008,29(11):1406-141360g[4]吳創(chuàng)之,馬隆龍生物質能現(xiàn)代化利用技術[M].北Steam/0,-+CO,/0[5]中國煤化工或部分替代水蒸9000CNMHGJT.潔凈煤技術,CO/B S/B2007,13(2):52-54(下轉第40頁)「新能源攻藝飛陽能干燥裝置及太陽能海水淡化裝置等,又適合于偏遠無電地區(qū)、海島、船舶、高山等特殊環(huán)境下使用。設備具有自動跟蹤、運行安全維護方便的漏油小特點。不足之處是經(jīng)濟性和跟蹤精度,有待于進步提高。參考文獻:漏油小孔[1]徐文燦,袁俊,嚴偉,等.太陽能自動跟蹤系統(tǒng)活塞探索與實驗[]物理實驗,2003,23(9):45-48[2]陳維,李戩洪.太陽能利用的跟蹤控制方式的研究[J]能源工程,2003(3):18-21圖5阻尼裝置[3]鄭小年,黃巧燕.太陽能跟蹤方法及應用[刀].能源技術,2003,24(4):149-15[4]胡以懷,賈靖,紀娟.太陽能熱化學制氫技術研究進展[J].能源工程,2008(1):19-23.軸方向[5] SNYDERG J. Application of the compatibility factorto the design of segmented and cascaded thermoelectric阻尼器generators[ J]. Appl Phys Lett, 2004, 84(5): 2436圖6阻尼器安裝位置[6 GEORGE C B. Design and construction of a two-axis器,設計時應盡量簡化結構,降低成本,同時要考PTC)efficiency improvement [J]. Renewable Ener-慮在各種天氣情況下的安全性。本文中的太陽自gy,2006,31(12):24l1-2421動跟蹤裝置直接利用太陽光熱提供動力,既適合[7]王如竹代彥軍太陽能熱利用基礎[M].北京:化學般情況下的太陽能熱水裝置、光伏發(fā)電裝置、太工業(yè)出版社,2007(上接第36頁)[6] MARQUEZ FM, CORDER0T, RODRIGUEZ MJ,e[9趙先國,常杰,呂鵬梅,等.生物質富氧水蒸氣氣aL. CO, and steam gasification of a grapefruit skin char化制氫特性研究[J]太陽能學報,2006,27(7):677[玎].Fuel,2002,81:423-4297]張德厚,徐濱以O2和CO2為氣化劑生產(chǎn)高純10]MNKOⅴAV, MARINOV SP, ZANZI R,eal.TherCO氣[J].氮肥技術,2008,29(1):7-8mochemical treatment of biomass in a flow of steam or in[8]趙輝.生物質高溫氣流床氣化制取合成氣機理試a mixture of steam and carbon dioxide [J]. Fuel pr驗研究[D].杭州:浙江大學,2007cessing technology, 2000, 62(1): 45-52中國煤化工CNMHG