第29卷第2期太陽能學(xué)報(bào)Vol 29, No. 22008年2月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAFeb,,2008文章編號:0254006(2008)02-04606在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化的研究(I以空氣-水蒸汽為氣化劑生產(chǎn)低熱值燃?xì)馔趿⑷?,張俊如3,朱華東3,周浩生12,宋旭,王同章1(1.江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院鎮(zhèn)江22013;2.丹麥技術(shù)大學(xué)化工工程學(xué)院哥本哈根;3.天津華能集團(tuán)能源設(shè)備有限公司,天津301900摘要:在6kW流化床氣化爐工業(yè)示范裝置上以空氣水蒸汽為氣化劑將生物質(zhì)煤按不同比例進(jìn)行了共氣化的實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)研究的運(yùn)行條件下得到了生物質(zhì)煤混合比例對氣化爐工作溫度燃?xì)鉄嶂禋怏w產(chǎn)率和氣化效率等重要技術(shù)參數(shù)的影響。對玉米芯/煤的比例為8/19時的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:氣化爐工作溫度86℃,空氣當(dāng)量比ER=0.21,S/B=0.20時氣體產(chǎn)率19%m3/kg,燃?xì)鉄嶂?4M/m3,氣化效率71.3%,燃?xì)庵薪褂秃啃∮贗0mg/m3,該爐經(jīng)過連續(xù)運(yùn)行考核,運(yùn)行平穩(wěn),工況穩(wěn)定。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);流化床;共氣化;空氣水蒸汽中圖分類號:TK6,TQ351.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言不僅可以改善流化特性,而且能改善氣化特性。共氣化實(shí)驗(yàn)表明,氣化溫度提高使產(chǎn)出氣中焦油含量生物質(zhì)容重小、灰分少、含固定碳少在其氣化明顯減少,氣化性能明顯改善。過程中不易形成穩(wěn)定的料層,所以在流化床中需要我們在600kW工業(yè)規(guī)模流化床氣化爐上以生物加入一定惰性粒子(如河砂等)以改善流化床氣化爐質(zhì)和煤的不同比例,用空氣水蒸汽及純水蒸汽2種的流化特性。近幾年國內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)3提及煤與生氣化劑進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)并獲得很好的結(jié)果。本物質(zhì)在流化床中共氣化的概念,但其主要研究共燃文論述以空氣水蒸汽為氣化劑生產(chǎn)低熱值燃?xì)獾臒?。國外也有少量共氣化研究的?bào)道46。試驗(yàn)研究結(jié)果能方面許多互補(bǔ)性,如生物質(zhì)熱值較低(約為煤的6%),1生物質(zhì)流化床氣化爐及其工藝流程揮發(fā)份高(約為煤的2倍),生物質(zhì)固定碳含量低(約如圖1,該氣化爐以空氣和水蒸汽為氣化劑生為煤的1/4),灰分含量極少,生物質(zhì)容重約為煤的1產(chǎn)低熱值燃?xì)鈿饣癄t本體為內(nèi)有耐火材料襯里外5。從元素分析可以看出,煤為碳?xì)浠衔?生物質(zhì)有鋼板外殼的圓柱體爐體爐底部直徑為270m,氣為碳水化合物生物質(zhì)炭含量約為煤的60%氫含量化爐配置有帶料倉的2個螺旋加料裝置,加料量自約為煤的4倍,因此生物質(zhì)的氣化與煤的氣化明顯動可調(diào)。生物質(zhì)加料口上部裝有4個噴嘴,根據(jù)工不同。煤由于熱值高氣化溫度可達(dá)100℃以上,因藝要求加入蒸汽,沿爐體上、中、下布置3個熱電偶此產(chǎn)品氣中焦油含量極少。而生物質(zhì)熱值低,氣化以測量氣化爐的工作溫度。氣化爐為正壓操作,空溫度僅為700~750℃,產(chǎn)品氣中焦油含量高這是生氣由羅茨風(fēng)機(jī)供給,空氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量,蒸汽物質(zhì)氣化急待解決的問題。生物質(zhì)與煤在流化床中由余熱鍋爐供給除一小部分自用外,其余外供。共氣化,煤不僅可以起到惰性粒子的作用且煤粒子該工藝流程由燃?xì)鈨艋?、余熱回收及燃?xì)鈨Υ孢€是發(fā)熱體參與反應(yīng)過程形成高溫的穩(wěn)定料層,3部分組成由羅茨風(fēng)機(jī)(7)來的空氣從風(fēng)室經(jīng)布風(fēng)中國煤化工收稿日期:20060724CNMHG基金項(xiàng)目:江蘇省科技攻關(guān)項(xiàng)目(BE2004304)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。twq00@yahoo.com.m2期王立群等:在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化的研究(I)247板送人爐內(nèi),由余熱鍋爐(3)來的水蒸汽經(jīng)噴嘴送入燃?xì)饨褂秃?、煤和玉米芯的工業(yè)和元素分析均現(xiàn)爐內(nèi)將爐內(nèi)的生物質(zhì)(0~10mm)與煤(0~6mm)流場取樣送中心化驗(yàn)室分析化驗(yàn)?；乖显诹骰癄顟B(tài)下與空氣、水蒸汽發(fā)生部分燃燒和熱解氣化反應(yīng)2運(yùn)行結(jié)果與分析C+O2+376N2→2CO0+376N2+Q(1)21數(shù)據(jù)測取與處理方法C+H2O→C0+H2-Q每一工況均需生物質(zhì)流化床氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行4h后,進(jìn)行數(shù)據(jù)測取?？紤]到在現(xiàn)有條件下,不可生物質(zhì)(CH14O06)→可燃?xì)怏w(CO,H2,CHCO2等)+焦油和水蒸汽+炭能準(zhǔn)確直接測定出總的固體物料分布,因?yàn)轱w灰、灰分和殘?jiān)煸谙到y(tǒng)中,也不可能準(zhǔn)確測定焦油總量。生物質(zhì)與煤共氣化這3種反應(yīng)可在較高的溫度在這種條件下,整個物料平衡也難以實(shí)現(xiàn)。然而,產(chǎn)下保持熱平衡,從而可獲得熱值較高、產(chǎn)氣率高焦出的灰渣的量可以通過直接稱重來測定,因?yàn)榧恿嫌秃可俚目扇細(xì)怏w。爐內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫粗燃?xì)饬?、空氣量蒸汽量、飛灰量、產(chǎn)氣量和運(yùn)行參數(shù)均可從爐出口進(jìn)入高溫旋風(fēng)分離器(2)分離下的含炭粉精確測量,燃?xì)庵薪褂秃扛鶕?jù)國標(biāo)GB120890取塵進(jìn)入儲灰箱(8),初除塵的燃?xì)膺M(jìn)入余熱鍋爐(3樣和測量。燃?xì)獬煞钟脢W式分析儀和氣相色譜儀進(jìn)與其進(jìn)行換熱降溫到300℃以下,進(jìn)入洗滌塔(4)經(jīng)行分析。根據(jù)以下所定義的特征量對整個工藝過程噴淋洗滌凈化,溫度降至50℃以下,經(jīng)水封槽進(jìn)入儲氣柜(5),供用戶使用。余熱鍋爐產(chǎn)生05MPa的襲進(jìn)行評價(jià)氣化爐的平均溫度T為汽,除一部分生產(chǎn)自用外其余外供。軟水T1+T2+73(1)干基產(chǎn)出氣低熱值(LHV),Q(k/m3)Q=4.18(2580×H2%+30.19×C0%+8527×CH%+141.14×C2H4%)(2)其中:H2%,C0%,CH%,CH%(m%)—?dú)怏w組成百分?jǐn)?shù)。氣量(m3h)V1生物質(zhì)流化床氣化爐2高溫旋風(fēng)分離器3.余熱鍋爐4洗滌塔5儲氣柜幻沉淀水池:7羅茨風(fēng)機(jī)8儲灰料量(kg/h)箱,9帶螺旋加料機(jī)的煤倉;10帶蝶旋加料機(jī)的生物其中,Y——?dú)怏w產(chǎn)率,m3/kg;M—一加料量,kgh;質(zhì)倉;11風(fēng)室;2布風(fēng)板;13蒸氣噴嘴V—干產(chǎn)氣量,mh圖1生物質(zhì)流化床氣化爐工藝流程圖氣化效率7,為:Fig. I The process flow of the gasifierrQof fluidized bed of bioma7,=31Q1+S:Q1,%實(shí)驗(yàn)研究分兩個階段。第一階段調(diào)整優(yōu)化運(yùn)其中:S1、S2—生物質(zhì)和煤在混合料中所占的比行參數(shù)。在使用玉米芯和煤按不同比例在穩(wěn)定狀況下運(yùn)行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定出生物質(zhì)煤不同比例下,氣例:Q生)、Q1)—生物質(zhì)和煤的低熱值。蒸汽分化爐的產(chǎn)氣量產(chǎn)氣率、燃?xì)鉄嶂岛蜌饣实淖兓饴蔛D(%)為:規(guī)律為共氣化流化床氣化爐的運(yùn)行操作提供依據(jù)。SD=2xCH%+B%+2x%)x第二階段是對玉米芯/煤的比例為80/20時的典型運(yùn)的可靠性。前者是研究者根據(jù)現(xiàn)場條件檢測(空氣、8224%×0行工況進(jìn)行全面檢驗(yàn),以驗(yàn)證該氣化爐的運(yùn)行結(jié)果中國煤化工—?dú)怏w組成的量用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)水蒸汽量用冷凝法,燃?xì)饬坑冒俜謹(jǐn)?shù)水蒸汽量CNMHG氣柜計(jì)量燃?xì)獬煞钟脢W式分析儀等)。第二階段請kgh;W心小墨,。山。碳轉(zhuǎn)化率v檢測單位進(jìn)行檢測測試。除現(xiàn)場計(jì)量外,燃?xì)獬煞?、?248太陽能學(xué)報(bào)29卷V(CH %+C0%+C0, %+2.5x C, H %)x 12表1玉米芯和煤的工業(yè)分析和元素分析22.4xTable 1 The proximate and ultimate analysisof corn core and coal其中:X——混合料中灰含量,%;C%—一混合料生物質(zhì)中固定炭含量。名22運(yùn)行前的準(zhǔn)備A/%6.2426.501)進(jìn)料量與螺旋給煤機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系曲線見圖2。7692生物質(zhì)和煤的不同比例下的流態(tài)化特性以確定氣化爐適宜的操作速度,見圖362.31H-/%4.91N/%0.851.0237.72生物質(zhì)P/%0.294熱值Q/kkg123120給料機(jī)轉(zhuǎn)速rl00/min23典型運(yùn)行結(jié)果圖2生物質(zhì)和煤的進(jìn)料量與給料機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系進(jìn)料量:玉米芯1353kg/h,煤32kg/hFig. 2 The connection between the qualities進(jìn)氣量:空氣量200m3/h,蒸汽量35kg/hof biomass/coal fixtures and the rotate speed of the feeder氣化爐工作溫度:T1=873.5℃,72=861.6℃一料層高度200mT3=8534℃,T。=869℃蒸氣產(chǎn)量:105kg/hN1400燃?xì)猱a(chǎn)量:32712m3/h氣體產(chǎn)率:1.96m3蒸氣分解率:92%碳轉(zhuǎn)化率88%空氣量/m3h氣化效率:71.3%圖3生物質(zhì)煤比值為4/1時流化床的流態(tài)化特性曲線氣化強(qiáng)度:20934kg/m3hFig 3 Fluidization properties when the ratio燃?xì)獬煞峙c熱值見表2。表2燃?xì)獬煞峙c熱值2)氣化原料特性Table 2 The composition of gas and the heat value玉米芯和煤的工業(yè)分析和元素分析見表1。玉燃?xì)獬煞?%Q/焦油含量米芯的粒度0~10m;煤的粒度0~6mm[CO][C][O][CoJ[CH][H]IN] J."m-33)進(jìn)料量總進(jìn)料量150~180kg;1222.00.916.24812.651.36393.8<10生物質(zhì)煤按1000、80/20、60/40、20800/100624結(jié)果與討論個量依次進(jìn)行調(diào)節(jié)。24.1氣化溫度4)進(jìn)氣量ER氣化溫度是影響氣化爐的氣化效率燃?xì)庵薪笶R在02~03進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié),圖4~圖7數(shù)油共和判甲行且五正世的關(guān)鍵參數(shù)。所以對沿中國煤化工據(jù)是在進(jìn)氣量為200m/h實(shí)驗(yàn)條件下測取的。著段一當(dāng)?shù)目刂圃谠O(shè)計(jì)階CNMHG于燃燒反應(yīng)的速度遠(yuǎn)快于氣化反應(yīng),所以燃燒反應(yīng)發(fā)生在氣化爐底部2期王立群等:在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化的研究(I)249較淺的區(qū)域并在密相層O2很快消盡,流化床上部的稀相區(qū)一般是進(jìn)人粉粒料的熱解氣化反應(yīng)區(qū)和水煤氣反應(yīng)區(qū)。因此燃燒區(qū)和水煤氣變換區(qū)域是氣化爐必不可少的氣化區(qū)域。為此,沿著氣化爐高度安裝5000裝3根熱電偶。由T、T2和T3來估計(jì)流化運(yùn)行狀態(tài),這些溫度值取決于所選擇的運(yùn)行條件(如生物質(zhì)煤的比值,空氣量蒸汽量和給料量)。如對任何物0/8040/6060/4080/20100/0料僅通空氣而不通水蒸汽時,T1溫度很快從850℃生物質(zhì)/煤升至1000℃,其間溫度分布呈現(xiàn)T>T2>T3的規(guī)律;若當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)變到空氣水蒸汽混合氣化正常運(yùn)行圖5生物質(zhì)/煤的比值對燃?xì)鉄嶂档挠绊憰r溫度分布呈現(xiàn)T2>T1>T3或T1>T2>T3的規(guī)Fig. 5 The influence to the heat value ofthe product gas by the ratios of the biomass/coal律,前者可能與生物質(zhì)比例較少有關(guān),而后者恰好相反。當(dāng)溫度分布的次序?yàn)門3>T2>T1時,此時通常發(fā)生了不正常狀況。這將導(dǎo)致通過流化床層的氧氣過量或超量。當(dāng)流化床表觀速度大于1m/s時,床層波動較大,很難精確控制運(yùn)行溫度,一般使用T1T2、T的平均值T學(xué),它可以較為合適地表征流化床的運(yùn)行狀況。圖4給出玉米芯與煤兩種物料混合氣化流化床的溫度線圖。在共氣化中氣化溫度7隨20/8040/6060/4080/20100/0生物質(zhì)在混合物的比例增大而下降。一般混合物共生物質(zhì)/煤氣化T取值在850~920℃之間。圖6生物質(zhì)煤的比值與氣體產(chǎn)率的關(guān)系Fig. 6 The influence to the yield of theproduct gas by the ratios of the biomass/coal煤比例的關(guān)系。隨著生物質(zhì)在混合物料中比例的增加,氣體產(chǎn)率明顯提高。如玉米芯/煤的比率從40/60增加到80/20時,氣體產(chǎn)率從1.4m3/kg增加到1.9m/kgo244氣化效率20/8040/6060/4080/20100/0生物質(zhì)/煤圖7表示氣化效率與玉米芯/煤比例的關(guān)系?？倸饣嗜Q于氣體產(chǎn)率氣體低熱值、混合物的圖4生物質(zhì)煤的比值對流化床溫度的影響類型和比例。由于氣體產(chǎn)率和氣體低熱值受運(yùn)行狀Fig 4 The influence to the況的影響,使混合物料比例與總氣化效率之間很難of the huidized bed by the ratios of the biomasa/ coal找到一個線性關(guān)系。當(dāng)固定氣化溫度時總氣化效率242產(chǎn)品氣體低熱值隨混合物中玉米芯比例的增加而提高。但是實(shí)際運(yùn)圖5給出了玉米芯煤的比值與產(chǎn)品氣體低熱行表明煤在混合物料中比例小于10%氣化溫度將無值的關(guān)系。隨著玉米芯的比例的增加,產(chǎn)出氣的低法保持在850℃以上,而且由于流化床中不能維持一熱值有明顯的增加趨勢。如當(dāng)玉米芯煤的比例為穩(wěn)定料層,使氣化爐難以穩(wěn)定運(yùn)行。為達(dá)到生物質(zhì)8020時,產(chǎn)品氣低熱值最大值可達(dá)7100kJ/m3。和煤艸氣化的日的,生物居在混合物料中的比例不243氣體產(chǎn)率易大中國煤化工圖6表示每千克混合物料的氣體產(chǎn)率與玉米芯CNMHG太陽能學(xué)報(bào)29卷[參考文獻(xiàn)][1]秦育玉,馮杰李文英,等.生物質(zhì)氣化影響因素分析[J.節(jié)能技術(shù),2004,224):4-5.[1] Qin Yuyu, Feng Jie, Li Wenying, et al.Discussionson theeffect of operating conditions on biomass gasification fluid-ized bed reactor[ J]. Energy Conservation Technology, 200422(4):4-520/8040/6060/4080/20100/0生物質(zhì)/煤[2]郭慶杰張鍇,劉振字等.生物質(zhì)的流化床轉(zhuǎn)化[J].煤炭轉(zhuǎn)化,1998,23(3):35-37圖7生物質(zhì)煤的比值與氣化效率的關(guān)系[2] Guo Qingjie, Zhang Kai, Liu Zhenyu, et al. Conversion ofFig. 7 The influence to the gasificationbiomass in the fluidized bed[ J]. Coal Conversion, 1998, 23cy by the ratios of the biomass/co(3):35-324.5燃?xì)庵薪褂秃縖3]徐茂蓉,嚴(yán)建華,蔣旭光。替代燃料與煤混合燃燒的特提高氣化爐的反應(yīng)溫度是除焦油的關(guān)鍵措施之點(diǎn)與應(yīng)用前景[J.能源與環(huán)境200,(5):45-51。本技術(shù)采用生物質(zhì)與煤共氣化,由于煤的熱3]XMmo, Yan Jianhu, iang Xuguang. Co-combustion值高,氣化爐的反應(yīng)溫度可達(dá)1000℃以上。在生物Cato質(zhì)煤混合比例為8020,氣化溫度(T。)為870時prospects[ J]. Energy and Environment, 2004, (5):45燃?xì)饨?jīng)一次噴淋洗滌后,焦油含量少于I0 )mg/m而[4]PmYc,Bax,vE,el. Removal of tar by secondary air in fluidized bed gasification of residual biomass and質(zhì)與煤在流化床中共氣化,由于易形成高溫炭層,加calJ.Foel,199,78:103-1709之空氣中加入適量水蒸汽將有效促進(jìn)焦油分解,因[5] PanG,veoE, Roca x,etal. Fluidized-bed co-gasifica此是解決生物質(zhì)氣化燃?xì)饨褂秃扛叩挠行Х椒?。tion of residual biomass/ poor coal blends for fuel gas productin[J].Fe,200,79:1317-13263結(jié)論[6]Collot A G, Zhuo Y, Dugwell D R, et al. Co-pyrolysis and本次實(shí)驗(yàn)表明:在玉米芯煤的比例為100~gasification of coal and biomass in bench-scale fixed bed and80/20時,空氣當(dāng)量比在02~0.3范圍內(nèi),S/B值在fluidized bed reactors[J]. Fuel, 1999, 78: 667-6790.2~0.3范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整,使氣化爐的工作溫度在[7]王磊吳創(chuàng)之陳平,等.生物質(zhì)氣化焦油在高溫木炭床上的裂解試驗(yàn)研究[J].可再生能源,2005,123850~950℃運(yùn)行時可得到氣化結(jié)果為:燃?xì)鉄嶂?(5):30-347.0M/m3燃?xì)猱a(chǎn)率17-20m/kg、氣化效率[7] Wang lei, Wu Chuangzhi,amh,td,Bmp70%-75%,副產(chǎn)蒸汽10kgh焦油含量少于1Omgcation tar destruction in a high temperature charcoal bed[J]m3。燃?xì)庀礈焖柩趿?84~48.0mg/L、化學(xué)Renewable Energy, 2005, 123(5): 30-34需氧量98~185mgL氨氮3.29~84mg/L[8] Delgado J, Amar M P, Corella J. Biomass gasification withsteam in fluidized bed effectiveness of Cao, MgO and Ca0-MgO for raw gas claning[ J]. Ind Eng Chem Res, 1997, 361535-1543.中國煤化工CNMHG2期王立群等:在流化床氣化爐中生物質(zhì)與煤共氣化的研究(I)STUDY ON CO-GASIFICATION OF BIOMASS ANDCOAL IN FLUIDIZED BED GASIFIER (I)-PRODUCING LOW CALORIE VALUE GASWITH AIR-STEAM AS GASIFYING AGENTWang Liqun, Zhang Junru, Zhu Huadong, Zhou Haosheng", Song Xu, Wang tongzhang1. Scood df Energy and Power Engineering Jiangsu Uniersity, Zhenyiang 212013, China; 2. Department of Chemical Engineering TechnicalUniuersity f Demark, Derumark: 3. Tianiin Huaneng Group Energy Resorces Equipment Co, Ltd, Tiaryin 301900, China)Abstract A study that different ratios of biomass/coal fixtures gasified in a demonstrated fluidized bed gasifier of 600kWused air-steam as gasifying agent was introduced in the paper. Under the testing conditions, the important effect of differ-ent ratios of biomass/coal on the temperature of the gasifier, the heat value and the yield of the product gas, and the gas-ification efficiency were found The typical results of a ratio 81/19 of biomass/coal show that the yield of the product gasis 1.96m/kg, the heat value is 6.4MI/m, and the gasification efficiency is 71.3% and the tar quality of is less than10mg/m, when the temperature of the gasifier is 869C, ER is 0. 21, S/B is 0. 20, through continuous operation, thgasifier operates steady and wellKeywords: biomass; fluidized bed; co-gasification; air-steam中國煤化工CNMHG