第9卷第4期過程工程學(xué)報V0l.9 No.42009年8月The Chinese Joumal of Process EngineeringAug. 2009干燥/熱解與半焦氣化解耦的生物質(zhì)氣化特性胡景輝”，汪印'，劉新華'， 蔣登高'， 許光文!(1.中國科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100190; 2.鄭州大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，河南鄭州450001)摘要: 利用固定床上下兩段反應(yīng)器，以酒糟為氣化燃料，對比分析了解耦氣化與傳統(tǒng)耦合氣化的焦油產(chǎn)率、碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率的差異.結(jié)果表明，在解耦氣化熱解溫度550C、氣化溫度800C、耦合氣化溫度800C、燃料含水量40%(0)和氣化劑中氧含量49%()的條件下，相對于傳統(tǒng)的耦合氣化，解耦氣化焦油產(chǎn)率降低了35.3%， 氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)氣率分別提高4.0%, 18.4%和 20%.提高燃料含水量(0-80%, )、氣化溫度(800~-900 C)和氣化劑中氧含量(4%~6%, ),解耦氣化的焦油產(chǎn)率降幅、生成氣中H2或c含量及燃料C轉(zhuǎn)化率的增輻均比耦合氣化高.關(guān)鍵詞:解耦氣化;生物質(zhì):酒糟:焦油重整;半焦催化中圖分類號: TK6文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號: 1009 606X(2009)04 -0731-071前言化(Decoupling Gasification, DG)和耦合氣化(CouplingGasification, CG)的反應(yīng)特性，驗證解除燃料干燥/熱解普通的生物質(zhì)空氣氣化過程中，干燥、熱解、燃燒、與半焦氣化、焦油重整反應(yīng)之間耦合的解耦氣化技術(shù)在焦油重整等物理變化和化學(xué)反應(yīng)耦合在一起，造成生成降低焦油生成、利用燃料水分強化氣化反應(yīng)過程等方面燃?xì)獾臒嶂祪H4~6 MJ/Nm',焦油含量偏高，在0.5~150的優(yōu)越性，并考察了氣化溫度和氣化劑中氧含量對解耦g/Nm2之間"!.兩段氣化可有效減少焦油的生成2-7.氣化與耦合氣化的不同作用.為該工藝進(jìn)一步的工程技Henriksen等4通過聯(lián)合螺旋式熱解爐和下行式半焦氣術(shù)研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ).化爐，利用半焦的催化作用使氣化氣中焦油含量降低至2實驗15 mgNm'; Wang 等P]通過在重整爐中燃燒部分來自熱解爐的熱解氣形成高溫反應(yīng)區(qū)裂解和重整焦油，可使生2.1實驗原料成氣中的焦油含量降至0.5 gNm3' 以下.但兩段氣化生原料啤酒糟采自北京燕京啤酒廠，鮮糟首先在110成的燃?xì)鉄嶂等暂^低，與普通的一段氣化接近.雙床氣C的恒溫干燥箱中干燥3 h,然后自然冷卻并置于密閉化(流化床耦合輸送床)可以有效提高燃?xì)鉄嶂?，吳?chuàng)之的容器中備用，其工業(yè)分析和元素分析如表1所示.等圖指出雙床氣化可將燃燒與熱解/氣化反應(yīng)過程分離，表1干酒糟的工業(yè)分析與元素分析有效避免了燃燒空氣帶入的Nz和燃燒生成的CO2對氣Table 1 Proximate and ultimate analysis of dried beer lees化氣的稀釋,生成燃?xì)獾臒嶂颠_(dá)10~15 MJNm'.但現(xiàn)Proximate analysis (%, 2 Ultimate analysis (%, w)(MIJkg)存的流化床氣化操作溫度通常在900"C以下間，造成燃79.90 3.93 16.17 48.74 6.73 4.58 38.95 14.68氣中焦油含量在10~50 g/Nm'之間，使氣化效率偏低.Note: 1) Lower heating value.而且, McKendryl0'指出，氣化燃料含水量超過30%()實驗用半焦的制備:依據(jù)解耦氣化實驗中要考察的時將造成點火困難和氣化效率下降.酒糟含水量對干糟進(jìn)行加濕并置于嚴(yán)密坩堝中，待熱解為同時解決氣化過程中焦油產(chǎn)率高、生成氣熱值較爐升至550C時，迅速將坩堝放入熱解爐中，熱解時間低、且對高水分燃料適應(yīng)性差的問題，Xu等I"I提出 了與解耦氣化時間相同(如30 min). 取出坩堝在空氣中冷新型雙床氣化(解耦雙床氣化)工藝.與普通雙床氣化不卻2~3min后放入干燥器中冷卻至室溫備用.同的是，此工藝在流化床反應(yīng)器內(nèi)增加隔板，將其分為2.2實驗裝置與儀器左右兩室，使生物質(zhì)干燥/熱解與半焦氣化、焦油重整反實驗用反應(yīng)器為雙層石英反應(yīng)器(圖1), 由外反應(yīng)應(yīng)過程分離，且有效利用了燃料干燥產(chǎn)生的蒸汽作為反管(內(nèi)徑36 mm，高1380 mm)、內(nèi)部上反應(yīng)管(內(nèi)徑26應(yīng)劑，獲得低焦油、較高熱值的氣化氣.為此，本工作mm，高815mm)、內(nèi)部下反應(yīng)管(內(nèi)徑26mm，高650使用具有上下兩段的固定床反應(yīng)裝置研究模擬解耦氣mm)、 內(nèi)部上反應(yīng)管上蓋四部分組成為實現(xiàn)上、下內(nèi)收稿日期: 2009 -03-31,修回日期: 2009-0-24基金項目:國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(編號: 20606034); 國家自然科學(xué)基金贊助項目(編號: 2076144)4作者簡介:胡景輝(1982-). 男，河南省周口市人，硬士研究生，化學(xué)工藝專業(yè):許光文，汪印，通訊聯(lián)系人，TelFax: 010-62550075,E-mail: gwxu@home.ipe ac.cn, wangyin@home.ipe.c.cn.732過程工程學(xué)報第9卷1. Mass Mow controlle開。中2 Inner upper ube3. Inner lower lube向白Ar4. Plunger pump5. ThermocoupleCondensate fiter直6 Coenaele7. lmpinger bltles8. Wet volume gas meter強送..9,10. Dring btes11. Gasbag0012. Emited gas detector圖1氣化實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the gasification experimental apparatus反應(yīng)管的配合，在內(nèi)部上反應(yīng)管下端有-縮徑;上、下間(如30 min)平均而確定.內(nèi)反應(yīng)管中均有- -厚度為3 mm的石英燒結(jié)板以支撐物耦合氣化實驗流程與解耦氣化相似,不同的是只在料和分散氣流，反應(yīng)管組裝過程中，內(nèi)、外反應(yīng)管及上上內(nèi)反應(yīng)管中放置與解耦氣化實驗相同量的干酒糟，且反應(yīng)管上蓋之間通過磨口密封，上、下內(nèi)反應(yīng)管可分別所需的空氣與氮氣都從上內(nèi)反應(yīng)管通入.從外反應(yīng)管的兩端取出，便于加料和冷卻等操作.該上2.3.2分析方法下兩段反應(yīng)器采用雙溫區(qū)控溫電爐加熱.生成的可燃?xì)鉄嶂?Lower Heating Value, LHV)儀器: Agilent 3000微型氣相色譜儀(美國Agilent公(MJ/Nm)為單位體積生成氣中的可燃?xì)怏w成分，包括司)，ABB-AO2020煙氣分析儀(德國ABB公司), DH-101H2, CO, CH4, C2H4, C2H6, CjH6, C;Hg的熱值總和，按下型恒溫千燥箱(.上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)，式計算:FA1104分析天平(上海天平儀器廠), HX-1050恒溫水浴uhv = Zl(N/Nnm_)xLHV}(1)冷凝器(北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司)，LMF-1 型濕式體積流量計(長春汽車濾清器有限責(zé)任公司)，自制熱解基于氣相色譜測得的氣體各組分濃度，結(jié)合同時測爐、秒表等.量的從反應(yīng)器釋放的氣體體積摩爾流率，按下式計算2.3實驗方法0~1時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為氣體(不含H2O)的C及H元素轉(zhuǎn)化率，2.3.1實驗流程以1時刻C的轉(zhuǎn)化率Xcr為例:解耦氣化實驗流程如圖1所示，首先在上內(nèi)反應(yīng)管(2)中放置- -定量干酒糟(5 g),通入氮氣(約1.943 NU/min)將反應(yīng)管內(nèi)的空氣完全排凈;下內(nèi)反應(yīng)管中放置與上內(nèi)相應(yīng)地，本工作定義產(chǎn)氣率Yps為單位質(zhì)量的酒糟反應(yīng)管中所放酒糟在相同的熱解條件下熱解所得的半(干重)通過氣化生成的不含O2 N2的氣體總體積，氣化焦(1.2 g),相當(dāng)于把上段熱解的半焦放到了下段，從而效率n為生成燃?xì)獾目偀嶂嫡季圃惆l(fā)熱量的百分比，總實現(xiàn)氣化反應(yīng)的解耦.待電爐溫度升至指定溫度后(如碳轉(zhuǎn)化率Xc為氣化氣中含C摩爾量占?xì)饣木圃阒泻隙螠囟?50C,下段溫度800"C),把通入下內(nèi)反應(yīng)管C摩爾量的百分比.中的氮氣切換為空氣(約0.457 NL/min),將上、下內(nèi)反氣體中焦油的收集方法:實驗后，將冷凝器和所有應(yīng)管從上、下2個方向同時插入外反應(yīng)管中，解耦氣化可能有冷凝物的連接管用丙酮溶液清洗3次以上，收集實驗開始計時，上反應(yīng)段進(jìn)行燃料干燥/熱解，熱解氣清洗液和洗氣瓶中的丙酮溶液，在50C恒溫干燥箱中(含水蒸汽)向下通過半焦層進(jìn)行半焦氣化和焦油重整反干燥至恒重，稱量.稱得的焦油量與纖維過濾器實驗前應(yīng)，氣化生成氣由下部排出，經(jīng)恒溫冷凝器冷凝、纖維后的質(zhì)量差之和即定義為所產(chǎn)生的總焦油量，其除以被過濾器過濾、丙酮/水洗、硅膠干燥后一部分由氣袋連續(xù)氣化的酒糟質(zhì)量即為焦油產(chǎn)率Yw收集，由微型氣相色譜離線分析，另一部分通過旁路(反3結(jié)果與討論應(yīng)即將結(jié)束時經(jīng)煙氣分析儀監(jiān)測后)排空.當(dāng)煙氣分析儀檢測到的CO2含量為0.5%(q)時，結(jié)束氣化反應(yīng)實驗.3.1解耦氣化與耦合氣化的對比酒糟含水量通過向干酒糟中連續(xù)注水模擬，由柱塞泵監(jiān)圖2和3比較了兩種不同反應(yīng)條件下的解耦氣化與控注水流率，流率依據(jù)酒糟含水量、針對給定的反應(yīng)時耦合氣化的實驗結(jié)果.解耦氣化實驗條件:上段熱解溫第4期胡景輝等:干燥/熱解與半焦氣化解耦的生物質(zhì)氣化特性733度5s0C,下段氣化溫度800C,氣化劑中氧含量4%(O).半 焦氣化與焦油/碳?xì)浠衔镏卣磻?yīng)，充分發(fā)揮了半焦耦合氣化實驗條件:上、 下反應(yīng)段溫度均為800C，氣對重整反應(yīng)的催化作用112,并利用千燥/熱解所產(chǎn)水蒸化劑中氧含量49%(Q). 實驗用酒糟的水分含量分別為汽作為反應(yīng)劑，促進(jìn)半焦氣化及焦油/碳?xì)浠衔镏卣?0%()[圖2()和60%(@)[圖2(b)].上段熱解溫度選擇應(yīng):550"C的根據(jù)為:(1)實際操作過程中生物質(zhì)熱解通常發(fā)C,H.+nH2O→mC+(n+m/2H2,(3)生在500~600C; (2) 在低溫?zé)峤鈼l件下實現(xiàn)的效果較耦合氣化具有優(yōu)勢(如生成的焦油更低)，能確保在高溫從而降低焦油產(chǎn)率、增加單位質(zhì)量燃料的產(chǎn)氣率和氣化熱解條件下該結(jié)果成立.效率.圖2還表明，解耦氣化的生成氣熱值稍低，如從圖2表明，解耦氣化的焦油產(chǎn)率明顯低于耦合氣耦合氣化的11.9 MJ/Nm3 降為解耦氣化的10.3化，而氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)氣率比耦合氣化都有一MINm2[圖2()],實質(zhì)上緣于圖3所示2種氣化方式在定程度的增加，針對含水量40%(a)的燃料[圖2()]，單生成氣組成上的差異.位質(zhì)量酒糟的焦油產(chǎn)率由耦合氣化的52.7 g/kg降低到圖3表明，解耦氣化由于使燃料干燥/熱解的生成氣解耦氣化的34.1 gkg,氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氣率則(含蒸汽)通過氣化的半焦層，在促進(jìn)焦油裂解生成小分分別由耦合氣化的51.9%, 71.8%和0.65 Nm/kg增加至子可燃性 氣體的同時，-部分大分子碳?xì)浠衔镆舶l(fā)生解耦氣化的54.0%, 85.0%和0.78 Nm/kg.了裂解[式(3)],使C2H, C2H6, CjH6, C3H濃度明顯降低，解耦氣化由于分離了燃料干燥/熱解與半焦氣化，而H, co含量則大幅增加.熱解和燃燒反應(yīng)生成的CO2使干燥/熱解|的生成氣通過半焦層,在半焦層中同時發(fā)生參 與半焦氣化反應(yīng)[式()],使其摩爾分率較耦合氣化低.6C(間) Hp 40%(@) tuol()H,O 60%(a)in he30-845易t 600卜30-5t15LHV_ Y___ nX。Y_LHV_Y_力xGasification parameterGasifcation parameter圖2解耦與耦合氣化的焦油產(chǎn)率、氣體熱值、產(chǎn)氣率、氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率的比較Fig.2 Comparison of tar yield, LHV of produced gas, gas yield, gasification eficiency and carbo conversionrate between decoupling gasification (DG) and coupling gasification (CG) processes45-(細(xì))HO 40%() in fuel(D)H2O 60%/()>) in fuel15-HCH,CoCO2 CH.+2oCO2C.HmGas species圖3解耦與耦合氣化生成氣組成比較Fig.3 Comparison of produced gas compositins between decoupling and coupling gasification processes734過程工程學(xué)報第9卷CO,+C→2C0.4)解耦氣化由于分離了燃料干燥/熱解與半焦氣化，另一方面，耦合氣化也必然首先發(fā)生燃料熱解反干燥/熱解產(chǎn)生的水蒸汽被充分用作焦油重整與半焦氣應(yīng)，表明在800C的耦合氣化溫度時仍可能產(chǎn)生較多的化的反應(yīng)劑，含水量增加促進(jìn)了焦油重整反應(yīng)[式(3)]，碳?xì)浠衔?因此，如果CH4在其通過800"C的氣化半從而降低焦油產(chǎn)率，證明解耦氣化可有效利用燃料水分焦層時難以裂解和重整，圖3解耦氣化的低CH4生成可降低焦油產(chǎn)率同時，解耦氣化中半焦層對焦油裂解的能與其低熱解溫度(550"C)有關(guān).對應(yīng)這種組成特性，解催化作用使生成氣中的焦油含量進(jìn)一步降低3圖4還耦氣化生成氣由于其高CO和H2、低C,Hm濃度而具有表明，燃料水分由0增至40%(@)時，解耦氣化的焦油較低的熱值.產(chǎn)率減少幅度最大，從42.7 gkg降到34.1 gkg,降輻圖2, 3中針對燃料含水量60%(o)的實驗[圖2(b)，達(dá)20.1%;水分含量進(jìn)-一步增加，焦油產(chǎn)率的降低相對3(b)]揭示了相同的結(jié)果，進(jìn)一步證明了前述解耦與耦合變?nèi)酰鐝乃?0%(@)時的34.1 gkg降到水分60%(@)氣化的效果.時的31.8 gkg,降幅僅為6.7%.考慮到水蒸汽用量增加3.2氣化條件的影響會降低氣化系統(tǒng)的熱效率叫,解耦氣化適宜的水蒸汽用氣化過程水蒸汽量、反應(yīng)溫度和氣化劑中氧含量對量(包括燃料自身的水分)應(yīng)為燃料量的40%(0)左右.解耦氣化與耦合氣化有不同的作用.在上述實驗條件下，圖5比較了燃料水分含量由03.2.1水蒸汽增至40%(o)時解耦氣化與耦合氣化的H2含量和C轉(zhuǎn)化燃料中水分在干燥/熱解階段蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)樗羝?其中數(shù)據(jù)上方的百分?jǐn)?shù)代表對應(yīng)參數(shù)的相對變化率.在解耦氣化中這部分水蒸汽可作為氣化劑參與反應(yīng)[式可見，兩種情形下水含量對氣化行為的影響趨勢相同，(3)].因此，有必要研究燃料含水量對氣化過程的影響.但解耦氣化時的變化幅度更大.如解耦氣化生成氣中本工作利用連續(xù)注水方式模擬連續(xù)氣化中由燃料干燥/H2含量和C轉(zhuǎn)化率增幅分別達(dá)17.8%和9.1%，高于耦熱解產(chǎn)生的水蒸汽量.圖4比較了燃料含水量0~80%(0)合氣化的4.4%和2.6%.該結(jié)果進(jìn)一步證明， 解耦氣化的解耦與耦合氣化2種情形下的焦油產(chǎn)率，其中解耦氣利用燃料水分 強化焦油重整[式3)]和促進(jìn)半焦氣化[式化的上段熱解溫度550'C、下段氣化溫度800C、氣化(5)的能力比耦合 氣化強.劑中氧含量4%(q),而耦合氣化中上、下反應(yīng)段溫度均C+H2O→CO+H,(5)為800C，氣化劑中的氧含量相同([4%()].15-my0(%,2)-1009.1%558840-7550官1045+D40-253503DG CG DGGasification method圖5解耦與耦合氣化的生成氣中H2含量和C轉(zhuǎn)化率Water content in the fuel, myo (%, 0)隨燃料水分含量的變化圖4解耦與耦合氣化中燃料水分對焦油產(chǎn)率的影響Fig.5 Variations of H2 content in produced gas and carbonFig.4 Effects of water content in the fuel on tar yield inconversion rate with water content in the fuel fordecoupling and coupling gasifcation processesdecoupling and coupling gasification processes由圖4可看出，可利用燃料水分作為氣化劑的解耦3.2.2溫度和氧含量氣化(DG)的焦油產(chǎn)率隨燃料含水量的增加明顯降低，即固定燃料水分含量40%(a),在解耦氣化上段熱解由42.7 gkg降到28.0 gkg,降幅達(dá)34.4%.而耦合氣化溫度550C、氣化劑中氧含量均為4%(p)的條件下比較(CG)時燃料水分的作用很小，在水分0~80%(0)范圍 內(nèi)了不同氣化溫度(800~900"C)對解耦氣化與耦合氣化焦耦合氣化的焦油產(chǎn)率由52.9 gkg降到45.0 g/kg,降幅油產(chǎn)率的影響[圖6(a)], 并在解耦氣化上段熱解溫度僅14.9%.550C、下段氣化溫度800C、 耦合氣化上、下反應(yīng)段第4期胡景輝等:干燥/熱解與半焦氣化解耦的生物質(zhì)氣化特性735溫度均為800C條件下比較了氣化劑中氧含量(4%~ 6%,焦油產(chǎn)率從34.1 gkg降低到25.2 gkg,降幅達(dá)26.0%;中)對解耦氣化與耦合氣化的焦油產(chǎn)率的影響[圖6(b)].耦合氣化的焦油產(chǎn)率則從52.7 gkg降低到44.5 gkg,可見，升高氣化溫度[圖6(a)]或增加氣化劑中氧含降幅僅為15.5%。氣化劑中氧含量增加[圖6(b)],解耦氣量[圖6(b)]都可使氣化過程的焦油產(chǎn)率減少，與文獻(xiàn)報化與耦合氣化的焦油產(chǎn)率降幅分別是17.5%和 11.8%.道4相符.但圖6進(jìn)一步揭示了在相同的氣化溫度和氧這些結(jié)果表明，解耦氣化中半焦的催化作用強化了氣化含量條件下，解耦氣化的焦油產(chǎn)率明顯比耦合氣化低，溫度及氣化劑中氧對焦油裂解、重整反應(yīng)的作用2.因而且隨反應(yīng)條件的變化解耦氣化的焦油產(chǎn)率降低幅度此，變化相同反應(yīng)溫度或氧含量，解耦氣化更大幅度地比耦合氣化大.在圖6(2)中(氣化溫度變化),解耦氣化的抑制了焦油的生成.6C30-(a)15.5%T(心))11.8%C。(%,則5050-882900222640一26.0%17.5%2020-oLCGDGGasification method圖6解耦與耦合氣化中氣化溫度與氣化劑中氧含最對焦油產(chǎn)率的影響Fig.6 Efects of gasification temperature and oxygen content in gasification reagent ontar yield in decoupling and coupling gasifcation processes40-(a) T,(C)10040[(6) C,1%,@)4.8%00二800區(qū)09000.6%80218.6%官3020一40x°10-10CG___ DG圖7解耦與耦合氣化的生成氣中CO含量和C轉(zhuǎn)化率隨溫度和氧含量的變化Fig.7 Variations of CO content in produced gas and carbon conversion rate with gasification temperatureand oxygen content for decoupling and coupling gasification processes圖7比較了與圖6相同實驗中得到的解耦與耦合氣含量增加9.3%和15.9%,這些結(jié)果與圖6所揭示的焦油化生成氣中co含量和C轉(zhuǎn)化率，表明2種氣化方式都產(chǎn)率隨溫度及氣化劑中氧含量的變化趨勢互為因果關(guān)增加了轉(zhuǎn)化為氣體的C轉(zhuǎn)化率,并使生成氣中Co濃度系，即隨氣化溫度和氣化劑中氧含量的增加，耦合氣化更高.化學(xué)反應(yīng)上該結(jié)果主要源于高反應(yīng)溫度下焦油/的焦油減少幅度較低表明了通過焦油裂解和重整轉(zhuǎn)化碳?xì)浠衔锔嗟乇环纸夂椭卣鸞式(3)]，而增加氣化劑為生成氣的物料量少，因而導(dǎo)致C轉(zhuǎn)化率及生成氣中中的氧含量則直接增加了O2與半焦、焦油的氣化反應(yīng).CO含量的增幅較低.但圖7表明，耦合氣化時CO含量和C轉(zhuǎn)化率的增加比3.3反應(yīng)過程分析解耦氣化低，如800~900C溫度時[圖7(a)], 耦合與解上述分析針對解耦與耦合氣化的最終氣化效果，而耦氣化的C轉(zhuǎn)化率相對增加0.6%和4.7%,生成氣中CO操 作條件對兩種氣化方式下燃料轉(zhuǎn)化的影響過程尚不736過程工程學(xué)報第9卷清楚.因此,通過比較燃料中C, H元素轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時與其熱解發(fā)生在較高溫度下有關(guān)，而反應(yīng)后段解耦氣化間的變化，揭示解耦和耦合在氣化進(jìn)程方面的差異.表現(xiàn)的較高C轉(zhuǎn)化率與其在半焦催化作用下將焦油更圖8表示了對應(yīng)圖4~7的C轉(zhuǎn)化率隨時間的變化，多地轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)品有關(guān).對于解耦氣化,燃料熱解與表明不同實驗條件下燃料的C轉(zhuǎn)化率有一個共同特點:半焦氣化及焦油重整要求在反應(yīng)上相互匹配.上段高速解耦氣化的C轉(zhuǎn)化率在初始反應(yīng)階段(前500 s)比耦合熱解可能致使其產(chǎn)生的焦油在下段半焦氣化中來不及氣化低，而在反應(yīng)后段比耦合氣化高，即總的C轉(zhuǎn)化率被催化裂解和重整.因此，雖然圖8揭示了解耦氣化在高.解耦氣化實驗中將原料與半焦分別放置于反應(yīng)器的初期具有一定的反應(yīng)滯后，但該特點有利于利用半焦催上段和下段，熱解溫度為550C，而耦合氣化時上下段化功能，強化焦油裂解和重整，降低氣化過程中焦油的均為800"C.因此，耦合氣化初始階段的較高C轉(zhuǎn)化率生成，提高產(chǎn)氣率和氣化效率.100 f00 r80-間)向)30 FB0區(qū)40-4020GCeC)20 FDG cc .(%,0)二900....0 500 1000 1500 2000 2500t(S)t(8)t(間)圖8不同反應(yīng)條件下解耦與耦合氣化C轉(zhuǎn)化率(Xc)隨反應(yīng)時間的變化Fig.8 Transient carbon conversion rate (Xc) under diferent gasification conditions for decoupling and coupling gasification processes40-間50 rB)30-區(qū)20DG cG m。(%,回)DG cc τ心)10-8005001000 1500 2000 25005001000 1500， 2000t(s)圖9不同反應(yīng)條件下解耦與耦合氣化H轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間的變化Fig.9 Transient hydrogen conversion rate under different gasification conditions for decoupling and coupling gasification processes圖9反映了在上述實驗條件下變化燃料水分和氣量比耦合氣化低.化反應(yīng)溫度時的H轉(zhuǎn)化率動態(tài)變化過程,同樣揭示了解4結(jié)論耦氣化在反應(yīng)初期比耦合氣化有一-定滯后，但耦合氣化實現(xiàn)的總H轉(zhuǎn)化率仍然比解耦氣化低，盡管差異程度不.利用微型固定床上下兩段反應(yīng)器，以酒糟為燃料，大.圖9顯示解耦氣化與耦合氣化的最大H轉(zhuǎn)化率均僅對比分析了不同實驗條件下解耦氣化與傳統(tǒng)耦合氣化在40%左右，這可能是由于在本實驗條件下大部分H在焦油脫除、氣體組成及氣化效率等方面的差異，得到與反應(yīng)劑中的O2發(fā)生了反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)樗?雖然圖3表明.以下結(jié)論:生成氣中的H2 含量在解耦氣化時明顯高于耦合氣化，(1)與耦合氣化相比，解耦氣化由于分離了干燥/但圖9卻顯示2種氣化方式時的H轉(zhuǎn)化率相差很小，原熱解與半焦氣化反應(yīng)過程，使含焦油的熱解氣通過熾熱因是解耦氣化的生成氣中其他含氫氣體(碳?xì)浠衔?含半焦層，充分利用半焦的催化作用進(jìn)-步強化焦油/碳?xì)涞?期胡景輝等:干燥/熱解與半焦氣化解耦的生物質(zhì)氣化特性737化合物的裂解與重整反應(yīng)，因此焦油產(chǎn)率低，產(chǎn)氣率、參考文獻(xiàn):C轉(zhuǎn)化率及氣化效率高，而且生成氣中H2含量高，碳[1]許光文，紀(jì)文峰，萬印華，等.輕工業(yè)纖維素生物質(zhì)過程殘渣能源轉(zhuǎn)化技術(shù)[].化學(xué)進(jìn)展2007, 19(78): 1164-1176.氫化合物含最低.[2] Devi L, Ptasinski K 1, JansenF JJG A Review of the Primary(2)變化燃料含水量，解耦氣化比耦合氣化顯示了Mcasures for Tar Elimination in Biomass Gasificatio Processes切更強的抑制焦油生成、提升C轉(zhuǎn)化率和增加生成氣中Biomass Bioenengy, 2003, 24(2): 125-140.H2含量的能力.燃料含水量從0增至40%(@),解耦氣[3] Bui I, Loof R, Bhattacharya s C. Muli-stage Reactor for ThermalGasifcation of Wood [n]. Energy, 1994, 19(4): 397- 404.化焦油產(chǎn)率降幅達(dá)20.1%，耦合氣化基本無變化，解耦[4] Henriksen U, Ahrenfeldt J, Jeasen T K, et al. The Design,氣化的H2濃度和C轉(zhuǎn)化率的增幅分別達(dá)17.8%和9.1%，Constnuction and Operation of a 75 kW Two-stage Gasifier 0.Energy, 2006, 310/11); 1542-1553.高于耦合氣化的4.4%和 2.6%.由于解耦氣化中半焦的[5] Wang Y, Yoshikawa K Namioka T, et al. Performance Opimization催化作用，變化氣化反應(yīng)溫度、氣化劑組成(如O2)都對of Two staged Gasifcation System for Woody Biomass 0. Fuel解耦氣化顯示了更顯著的影響和作用.Process. Technol, 2007, 88(3): 243. -250.(3)解耦氣化因其熱解發(fā)生在較低溫度下，相對耦[6] Fagbemi L, Khezami L, Capart R. Pyrolysis Products from DifferentBiomases: Application to the Thermal Cracking of Tar [I. AppL.合氣化在反應(yīng)初期(前500 s)表現(xiàn)了一定程度的滯后， 但Energy, 2001, 69(4): 293-306.這種反應(yīng)滯后使熱解與半焦氣化及焦油裂解/重整在反[7] Pan Y G, Roca x Velo E, et al Rempoval of Tar by Secondary Air in應(yīng)進(jìn)程上匹配更合理，因而在反應(yīng)后期解耦氣化表現(xiàn)了Fluidised Bed Gasifcation of Residual Biomass and Coal D Fuel,1999, 78(14); 1703-1709.更大的C, H轉(zhuǎn)化率.[8]吳創(chuàng)之，徐冰嫌，羅曾凡，等.生物質(zhì)中熱值氣化技術(shù)的分析及符號表:探討凹煤氣與熱力，1995, 15(2):8-14.∞生成氣中CO含量(9%,0)[9] LvP M, Xiong Z H, Chang J, et al. An Experimental Study on的生成氣中的2含量(%,則)Biomass Air-steam Gasifcation in a Fluidized Bed [U. Bioresour.生成氣中組分i的摩爾濃度(%, mol)Technol, 2004, 95(1): 95-101.氣化劑中氧含量(%, q)Crosendpe生成氣中各組分含量 (%, 中[10] McKendry P. Energy Production from Biomass: Part 3. Casifiation時刻1Ar與1之間的氣體摩爾流率(mol/s)Technologies []. Bioresour. Technol, 2002, 83(1): 55-63.LHV,組分i的低位熱值(MJNm)[1] Xu G W, Murakami T, Suda T, et al. Eficiency Gasification of WetG組分1分子中C原子數(shù)Biomass Residue to Produce Middle Caloric Gas [辦Particuology,mHo酒糟含水量(%, 0)2008, 6(S);: 376-382.酒糟中C原子的總摩爾數(shù)(mol)干燃?xì)饪偰枖?shù)(O2, N2除外) (mol)[12]吳正舜，粟薇，吳創(chuàng)之，等生物質(zhì)氣化過程中焦油裂解的工業(yè)生成的可燃?xì)饨M分i的摩爾數(shù)(mol)應(yīng)用研究[I.化學(xué)工程, 2006,0 34(10) 67-70.氣化反應(yīng)時間()[13] EI-Rub Z A. Bramer E A, Brem G. Experimental Comparison of氣化溫度(C)Biomass Chars with Other Catalysts for Tar Reduction [小Fuel, 2008,總碳轉(zhuǎn)化率(%)87(10/11): 2243-2252.t時刻的碳轉(zhuǎn)化辜(%)fu1時刻的氫轉(zhuǎn)化率(%)[14]Cao Y, Wang Y, Riey JT, et al. A Novel Bioma88 Air Gasification產(chǎn)氣率(Nm'kg)Process for Producing Tar free Higher Heating Value Fuel Gas切.焦油產(chǎn)率(gkg)Fuel Process. Technol, 2006, 87(4): 343- -353.氣化效率(%)Characteristics of Biomass Gasification by Decoupling DryingPyrolysis and Char GasificationHU Jing-huilt, WANG Yin', LIU Xin-hua'，JIANG Deng-gao?, XU Guang wen'(1. National Key Laboratory of Muliphase Compler System, Institute of Process Engineering, CAS, Beijing 100190, China;2. Cllege ofChemical Engineering, Zhengzhou Universiy, Zhengzhou, Henan 450001, China)Abstract: Using a laboratory two stage fixed-bed reactor, the characteristics of decoupling gasification (DG) of beer lees, in comparisonwith that of traditional coupling gasification (CG), were investigated on tar yield, carbon conversion rate and gasification eficiency.Experimental results showed that under the reaction temperature of 550C for pyrolysis, 800C for gasification in DG and 800C in CGwater content of 40%() in the fuel and O2 content of 4%() in the gasificatio reagent, compared with cG the tar yield was decreasedby 35.3%, the gasification fficiency, carbon conversion rate and gas yield were increased by 4.0%, 18.4% and 20%, respectively in DGExamination of the efects of water content in the fuel (0-80%, o), gasification temnperature (800-900 C) and oxygen content in thegasification reagent (4%-6%, φ) demonstrated that DG led to more considerable infuences than CG did by causing higher H2 or Cocontent in the produced gas and higher carbon conversion rate.Key words: decoupling gasification; biomass; beer lees; tar reforming; char catalysis