16應用能源技術2009年第7期(總第139期)氣化爐中生物質- -煤共同氣化的模擬研究韓玉杰(青島農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,青島266109)摘要:在氣化爐 內采用煤粉和生物質共氣化可解決生物質不易穩(wěn)定流化和生成焦油兩大難題,采用流程模擬軟件PROI對爐內的氣化過程進行了模擬計算,得到了汽氧比和氧碳比和.生物質/煤比對氣化過程的影響。氣化爐內優(yōu)化的反應條件為:反應溫度1350C,[H20]/[O2]=0.32,[0][C]= 1.06,氣化得到的合成氣的高位熱值Q =7150kJ/Nm2' ,有效氣產率為1.9Nnm'/kgo關鍵詞:氣化爐,共同氣化,PROII中國分類號:TK229.92文獻標識碼:B文章編號 :1009 - 3230(2009)07 - 0016 - 03Preliminary Analysis of CO2 Emission Reduction in ChinaHAN Yu- jie .(Qingdao Agriculation University,Resource and Environment College, Qingdao 266109 , China)Abstract: Co- gasifcation of woody biomass and coal in entrained flow gasifer can improve the fluidiza-tion of biomnass and prohibit the production of tar. A comprehensive gasification model is developed for co- gasifcation of biomass and coal in an entrained flow gasifier using the PRO I simulator and the efect of[H20]/[O2] and [0]/[C] on the gasification condition is obtained. The optimized operation conditions ofthe gasifer were at the reacting temperature of 1350C，at [H,0]/[O2] of0.32 and [0]/[C] of1.05.Finally, the high calonific value of syngas is 7150kJ/Nm', and the yield of the efective syngas is1.59Nm /kg.Key words: gasifer; co- gaifcatin; PROII0引言1生物質一煤共氣化氣化爐的反應去除燃氣中含有的焦油等污染物和如何改善機理氣化爐內生物質的流化特性是生物質氣化發(fā)電技在氣化爐內，由于反應溫度很高,生物質和煤術應用的兩大難點。生物質容重小、灰分少、含固粉的受熱速度極快,可以認為兩種燃料發(fā)生快速定碳少,在其氣化過程中不易形成穩(wěn)定的料層;固的熱分解脫除揮發(fā)分,生成半焦和氣體產物。氣定床和流化床氣化爐內氣化溫度低于1000C,導體產物中的可燃成分(包括CO、H,、CH和其他碳致合成氣中焦油含量較高,焦油的存在不僅降低氫化合物C.H,)在富含氧氣的條件下,迅速與O2了氣化爐氣化效率,而且在低溫下能凝結,堵塞輸燃燒,放出的熱量使粉煤和夾帶它的氣體溫度急氣管道,使氣化設備運行困難。在氣化爐內采用劇升高,維持了氣化反應的進行。煤粉和生物質共氣化,即可改善生物質的流化特半焦中的固定碳高溫下同氣化介質(O2和性和氣化特性,也可有效去除焦油，提高碳轉化H20)進行著氣化反應:率,近幾年得到了國內外的廣泛關注1-51。C+02→CO2(1)本文借助于PROI流程模擬軟件,對氣化爐內的反應機理進行了研究，建立了生物質-煤共2C+ 02→2C0氣化氣化爐的計算模型,進行數(shù)值模擬計算,為試C+ H20->C0+ H(3)驗研究提供理論基礎和參考數(shù)據。另外,高溫的半焦顆粒與反應生成氣也存在氣化反應:收璃日期: 209-05-019 修訂稿日期: 2009-06-21C+ CO2 +2C0(4)作者簡介:韓玉杰( 1980-).女.助教，畢業(yè)于中山大學環(huán)境C+ 2H,+CH4(5)科學專業(yè),現(xiàn)在主要從事資源利用與污染控制方向的研究。氣化反應生成的氣體在高溫條件下活性很2009年第7期(總第139期)應用能源技術I7強,在它們自身被生成的同時,相互之間也存在著整個氣化流程主要包括產率反應器和平衡反可逆反應:應器兩個模塊。生物質和煤粉兩種物料首先在產CO+ H0→CO2 +H .率反應器內被分解成碳.氫、氧、氮、硫等基本元2生物質一煤共氣化氣化爐的模型素。這些元素物流被送到平衡反應器內，與氣化建立介質進行反應,通過最小Gibbs自由能原理獲得生物質一煤共氣化氣化爐模型如圖 1所示，反應設定溫度 下氣化產物的平衡組分。并作如下假設'6):0-DECOMP(1)整個反應系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài);(2)燃料中的H、0、N、S全部轉化為氣相,而C的轉化率因條件的不同發(fā)生變化;DECOMP IN-CASIFY 》GASIFERRO-OAS(3)氣化爐中燃料顆粒溫度均勻,不存在溫度梯度;A; QLOST(4)流程中物流的組成除氣體成分外,還定義圖1生物質煤共氣化氣化爐模塊流程示意圖了Coal 、Bionasss和Ash三種非常規(guī)組分;(5)燃料中的Ash為惰性物質,氣化過程中不3生物質及煤粉組成參與反應;生物質取用木粉,通過粉碎機粉碎;煤粉也通過(6)氣化爐中溫度較高,所有氣相反應很快達粉碎機粉碎, 兩者的工業(yè)分析和元素分析見表l,由到化學平衡。元素分析可得木粉的化學表征式為CHsham.木粉和煤粉的工業(yè)分析和元素分析Mad%Aad% Vad% FCd%_C%H%_S%N%Qnet,v,ar(k/kg)木粉8.552.8175.1913.4548.476.1943.840.560.9417870煤粉2.3020.48 29.3547.8781.835.4110.321.011.4324690木粉進料量為90kg/h,煤粉進料為60kg/h,氣4.1不同汽氧比對干基 氣化合成氣組分含量和化劑選用空氣，空氣被預熱,氣化爐中氣化壓力為氣化溫度的影響0.5MPa。干基產出燃氣的高位熱值Q。(kJ/m2' )定從圖2中看到:隨著汽氧比值的增大,氣化溫義為:度降低,這是因為水分進人氣化爐要消耗氣化潛Q。= 100x (CO% x 12.64+H2%x12.74+熱,平衡氣化合 成氣的組成向CO2增加的方向進CH % x39.82)行,H2含量單調增高,C0含量單調降低，合成氣式中，C0%，H%，CH.%-分別為干基燃氣有效組成(H2 + C0)含量降低。中CO,H2和CH4的體積分數(shù)。4模擬結果及討論汽氧比、氧碳比和生物質/煤比是影響氣化爐氣化性能的主要參數(shù)，分別以[H2O][Q,]和[0]/-co,.1∞0[C]表示,定義式如下:[H20][O2]= ;Cm(/hm");G.g(c0212+2[or(C]-2.4(nmn/m);08122式中:圖2 [H20][02 ]對燃氣成分摩爾分敷和氣化溫度的影響G.a一空氣中氧氣的體積流量,Nm/h;4.2不同汽氧比對氣化合 成氣高位熱值和蒸汽Gu一生物質的質量流量, kg/h;分解率的影響Mo.w -生物質中氧元素的濕基含量, %;從圖3中可以看到,隨著汽氧比的增高,氣化G煤粉的質量流量, kg/h;合成氣的熱值單調減小，蒸汽分解率單調增大,但Mo.n-煤粉中 氧元素的濕基含量，%。增大的速率逐漸減小。在汽氧比增大到1.4g/N/m’18應用能源技術2009年第7期(總第139期)時,蒸汽分解率開始由負值變?yōu)檎怠＿@說明,在值為7150kJ/Nm'。較低的汽氧比條件下,由于氣化溫度較高,抑制了反應(1.3)和(1.6)的進行,導致煤中的氫與CO2反應生成了C0和H,0,使蒸汽分解率出現(xiàn)負值。由于氣化爐中干法進料時一般是液態(tài)排渣,氣化-反應溫度600 P操作溫度較高。因此在氣化過程中,蒸汽的加入量主要用于調節(jié)氣化操作溫度,蒸汽加入量過多反而造成蒸汽浪費。一的心商位熱值201/I, mol/mal圖5 [0][C]對氣化合成氣高位熱值的影響5結論本文通過PROII軟件,對氣化爐內生物質一煤共同氣化過程進行了模擬計算得到如下結論:(1)隨著汽氧比值的增大,氣化爐內的反應溫106。度降低合成氣有效組成(H + C0)含量降低,氣(H0/IO1 lw/emn’化合成氣的熱值單調減小，蒸汽分解率單調增大。圖3 [H0]/[O2 ]對氣化合成氣高位熱值和蒸汽分解率的影響蒸汽的加入主要是調節(jié)氣化操作溫度和滿足氣化4.3不同氧碳比對氣化合 成氣組分含量和氣化需求,蒸汽加入量過多反而造成蒸汽浪費。溫度的影響(2)隨著氧碳比的增加，氣化溫度單調增大，從圖4中可以看到，隨著氧碳比的增加，氣化在氧碳比達到0.92左右,冷煤氣效率可達最大值溫度單調增大，這是因為,在進料量不變的條件97.9% ,碳轉化率也可達99% ,當氣化溫度達到下,氧碳比增加意味著氧氣量增加,更多的碳燃燒1350 C時,進料的最佳氧碳比約為1.05,此時合生成CO2釋放熱量,是導致溫度升高的主要原.成氣的高位熱值為7150kJ/Nm'。因。N2的含量迅速增大，H的含量迅速下降,(3)隨著氧碳比的增加,氣化溫度單調增大，CH4的含量單調下降,在氧碳比增大為1時,CHN2的含量迅速增大，H的含量迅速下降,CH4的的含量接近于零,CO的含量先增加后降低,CO2含量單調下降,在氧碳比增大為1時,CH的含量的含量先降低后增加,這都是由于氧碳比的增加接近于零,Co的含量先增加后降低,CO2的含量即氧氣量增加使爐內反應進行更加完整的原因。先降低后增加。參考文獻[1] Deng KY. Devenmopment strategy of China' s bio enengy in2let centuy[J]. Eetrie Power,0000(9);82 - 84.[2] Brown CR, Liu Q, Norton C. Catalytic eects observedduring the co- gaifcaion of coal and sichgas[J]. Bi-onass and Bioenergy 2000.18(3):499- 506.3] Chmielniak T, Sciazko M. Co - gasifcation of biomass一氣化膩度200and coal for methanol syuthesis [J]. Applied Energy.2003,74(5):393-. 403.-100000[4] Mclendon TR, Lui AP, Pineault RL, Beer SK, Richard-son sw. High- pessure co- gaifcation of coal and bio-mase in a fuidized bed[J]. Biomass and Bioenergy, 2004,26(6):377- 388.圖4 [O][C]對氣化合成氣組分含量和氣化溫度的影響[5] Antorio V, Sergio U. 0xy- co- gasification of coal and4.4不同氧碳比對氣化合成氣高位熱值的影響biomass in an integrated gasifcation combined cycle(CCC) power plant[J]. Energy, 2006. 31(8): 1643 -基于氣化爐內操作溫度較高,欲使氣化合成1655.氣中不含焦油,需確保爐內溫度高于1000C。從[6] Mehrdokht BN, Nader M. Simulaion of biomnass gasifca-圖5中可以看到，當氣化溫度達到1350 C時,進tion in fluidized bed reactor using ASPEN PLUS[J]. Bio-料的最佳氧碳比約為1.05, 此時合成氣的高位熱mas and Bioenergy, 2008,32(12):1245- 1254.