在流化床气化炉中生物质与煤共气化的研究(Ⅰ)以空气-水蒸汽为气化剂生产低热值燃气

第29卷第2期太阳能学报Vol.29, No.22008年2月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAFdb. ,2008文章编号: 0254-006(2008)020246-06在流化床气化炉中生物质与煤共气化的研究( I )以空气-水蒸汽为气化剂生产低热值燃气王立群'，张俊如，朱华东’，周浩生'2，宋旭'， 王同章'(1.江苏大学能源与动力工程学院,镇江212013; 2.丹麦技术大学化工工程学院,哥本哈根;3.天津华能集团能源设备有限公司,天津301900)摘要: 在600kW流化床气化炉工业示范装置上以空气水蒸汽为气化剂,将生物质/煤按不同比例进行了共气化的实验研究。在实验研究的运行条件下,得到了生物质/煤混合比例对气化炉工作温度、燃气热值气体产率和气化效率等重要技术参数的影响。对玉米芯/煤的比例为81/19时的典型实验结果表明:气化炉工作温度869C,空气当量比ER=0.21,S/B=0.20时，气体产率1.96m'/kg,燃气热值6.4M]/m2? ,气化效率71.3%，燃气中焦油含量小于10mg/m' ,该炉经过连续运行考核,运行平稳,工况稳定。关键词:生物质;流化床;共气化;空气水蒸汽中图分类号: TK6,TQ351.2文献标识码: A不仅可以改善流化特性,而且能改善气化特性。共0引言气化实验表明，气化温度提高使产出气中焦油含量生物质容重小、灰分少、含固定碳少，在其气化明显减少,气化性能明显改善。过程中不易形成稳定的料层,所以在流化床中需要我们在600kW工业规模流化床气化炉上以生物加入- -定惰性粒子(如河砂等)以改善流化床气化炉质和煤的不同比例,用空气水蒸汽及纯水蒸汽2种的流化特性。近几年国内有关文献1-3提及煤与生气化剂,进行连续运行试验并获得很好的结果。本物质在流化床中共气化的概念但其主要研究共燃文论述以空气-水蒸汽为气化剂生产低热值燃气的烧。国外也有少量共气化研究的报道(4-6]。试验研究结果。由于生物质与煤在物理特性和气化性能方面有许多互补性,如:生物质热值较低(约为煤的60%)，1生物质流化床气化炉及其工艺流程挥发份高(约为煤的2倍)，生物质固定碳含量低(约如图1,该气化炉以空气和水蒸汽为气化剂生为煤的1/4),灰分含量极少,生物质容重约为煤的1/产低热值燃气, 气化炉本体为内有耐火材料衬里外5。从元素分析可以看出，煤为碳氢化合物,生物质有钢板外壳的圆柱体,炉体炉底部直径为270mm,气为碳水化合物,生物质炭含量约为煤的60%,氢含量化炉配置有带料仓的2个螺旋加料装置,加料量自约为煤的4倍,因此生物质的气化与煤的气化明显动可调。生物质加料口上部装有4个喷嘴,根据工不同。煤由于热值高,气化温度可达1000C以上,因艺要求加入蒸汽，沿炉体上、中、下布置3个热电偶此产品气中焦油含量极少。而生物质热值低,气化以测量气化炉的工作温度。气化炉为正压操作,空温度仅为700~ 750C ,产品气中焦油含量高,这是生气由罗茨风机供给,空气量由转子流量计计量,蒸汽物质气化急待解决的问题。生物质与煤在流化床中由余热锅炉供给,除-小部分自用外,其余外供。共气化,煤不仅可以起到惰性粒子的作用且煤粒子该工艺流程由燃气净化、余热回收及燃气储存还是发热体,参与反应过程,形成高温的稳定料层，3 部分组成，由罗茨风机(7)来的空气从风室经布风收稿日期: 20607-24基金项目:江苏省科技攻关项目(BE2004304)通讯作者:王立群(1964+ -).男,副研究员,主要从事热能工程领域研究。thwlq2000@ yabo. com. m2期王立群等:在流化床气化炉中生物质与煤共气化的研究(I)247板送入炉内,由余热锅炉(3)来的水蒸汽经喷嘴送人燃气焦油含量、煤和玉米芯的工业和元素分析均现炉内,将炉内的生物质(0~10mm)与煤(0~6mm)流场取样送中心化验室分析化验。化，使原料在流化状态下与空气、水蒸汽发生部分燃.2运行结果与分析烧和热解气化反应:C+ 02 +3.76N2- +2C0+3.76N2+Q(1) 2.1 数据测取与处理方法C+H20→C0+H2-Q(2)每一工况均需生物质流化床气化炉稳定运行生物质(CH, O。)-可燃气体(CO, H, CH,4h后,进行数据测取。考虑到在现有条件下,不可CO2等)+焦油和水蒸汽+炭(3)能准确直接测定出总的固体物料分布,因为飞灰、灰生物质与煤共气化这3种反应可在较高的温度分和残渣混在系统中,也不可能准确测定焦油总量。下保持热平衡，从而可获得热值较高、产气率高、焦.在这种条件下,整个物料平衡也难以实现。然而,产出的灰渣的量可以通过直接称重来测定，因为加料油含量少的可燃气体。炉内反应产生的高温粗燃气量、空气量、蒸汽量、飞灰量产气量和运行参数均可从炉出口进入高温旋风分离器(2)分离下的含炭粉精确测量,燃气中焦油含量根据国标GB12208-90取尘进入储灰箱(8),初除尘的燃气进人余热锅炉(3)样和测量。燃气成分用奥式分析仪和气相色谱仪进与其进行换热降温到300C以下,进入洗涤塔(4)经行分析。根据以下所定义的特征量对整个工艺过程喷淋洗涤净化，温度降至50以下,经水封槽进人储进行评价:气柜(5),供用户使用。余热锅炉产生0.5MPa的蒸.气化炉的平均温度T。为:汽,除一部分生产自用外其余外供。T+ T2+ T,软水- +D2T。=(1)几91干基产出气低热值(LHV), Q。(J/m')且|Qg=4.18(25.80x H% + 30.19x C0% +10亩85.27x CH,%+ 141.14x CH%)其中: H2%，CO% , CH%, CH% (mol%)--气体组成百分数。.y=于产气量(m/h)_ Vs1.生物质流化床气化炉2.高温旋风分离器3.余热锅Y=-加料量(kg/h) M炉:4.洗族塔:5.储气柜:6.沉淀水泡:7.罗茨风机:8.储灰箱:9.带螺旋加料机的煤仓;10.带蠑能加料机的生物其中,Y一气体产率, m'/kg; M-- -加 料量, kg/h;质仓;11.风室;12.布风板;13.蒸气喷嘴V。-干产气量 ,m'/h。,图1生物质流化床气化炉工艺流程图气化效率n为:Fig.1 The proces Alow of the gasifierYQgof fluidized bed of bioma8s办= S Qn生) + S2Qk)(4)实验研究分两个阶段。第一阶段,调整优化运其中:SS2-生物质和煤在混合料中所占的比行参数。在使用玉米芯和煤按不同比例在稳定状况例;Qk生)、QK编一生物 质和煤的低热值。蒸汽分下运行进行实验,确定出生物质/煤不同比例下,气解率SD( %)为:化炉的产气量、产气率、燃气热值和气化效率的变化规律,为共气化流化床气化炉的运行操作提供依据。SD= (2xCH% +H2% +2x CH,%)D.xW1+ W2第二阶段是对玉米芯/煤的比例为80/20 时的典型运18/22.4% x 100行工况进行全面检验,以验证该气化炉的运行结果其中: CH%、H2%、CH。% (mol%)一气体 组成的的可靠性。前者是研究者根据现场条件检测(空气量用玻璃转子流量计,水蒸汽量用冷凝法燃气量用百分数;V,-干产气量,m'/h; W一水 蒸汽量，气柜计量,燃气成分用奥式分析仪等)。第二阶段请kg/h;Wz-物料中总含水量,kg/h。 碳转化率7。检测单位进行检测测试。除现场计量外,燃气成分、为:248太阳能学报29卷7e=V.(CH% + C0% +CO2% +2.5xC.H %)x12表1玉米芯和煤的工业分析和元素分析22.4x(1- X)C%Table 1 The proximate and ulimate analyis(6)of com core and coal其中:X一混合料中灰含量,%;C%-- 混合料名称生物质煤中固定炭含量。M,1%5.64.72.2运行前的准备A_/%6.2426.501)进料量与螺旋给煤机转数关系曲线见图2。V_/%76.927.94生物质和煤的不同比例下的流态化特性以确定气化FC_/%11.24 :60.86炉适宜的操作速度,见图3。C.1%47.6362.31200/H_/% .4.912.86N_1% .0.851.02: 150f0_/%37.21.90析●生物质S/%0.110.71P/%0.294i 50热Qw/kJ.kg"'17242312002468101214给料机转速rx100/min2.3典型运行结果进料量:玉米芯135.3kg/h,煤32k/h图2生物质 和煤的进料量与给料机转速的关系进气量:空气量200m'/h,蒸汽量35kg/hFig.2 The connection between the qualities气化炉工作温度:of biomass/coal fxtures and the rotate speed of the feeder2200[T = 873.5C,T2 = 861.6C2000Tz= 853.4C, T。= 869C料层高度200mm1800蒸气产量:105kg/h1600燃气产量:327.12m'/h1400气体产率:1.96m'/kg12001000蒸气分解率:92%5100 150 200 250碳转化率:88%空气量/m'h+气化效率:71.3%图3生物质/煤比值为 4/1时,流化床的流态化特性曲线气化强度:2934kg/m2 *h燃气成分与热值见表2。Fig.3 FHuidization propertie when the raioof biomas/coal is 4/1表2燃气成分与热值2)气化原料特性Table 2 The composion of gas and the heat value玉米芯和煤的工业分析和元素分析见表1。玉燃气成分/%Qm/焦油含量/米芯的粒度0~ 10mm;煤的粒度0~ 6mm。[Oo][C] [0,] [co][CH][H] [N] kJm-3 mg'm-33)进料量12.2 2.0 0.9 16.2 4.8 12.6 51.36393.8<10总进料量150~ 180kg;生物质/煤按100/0、 80/20、60/40、20/80.0/100 62.4结果与讨论2.4.1气化温度个量依次进行调节。气化温度是影响气化炉的气化效率、燃气中焦4)进气量ERER在0.2~0.3进行相应的调节,图4~图7数油含量和判别运行是否正常的关键参数。所以对沿据是在进气量为200m’/h实验条件下测取的。着气化炉床层的发生、运转和适当的控制在设计阶段所要求的温度要特别注意。由于燃烧反应的速度远快于气化反应,所以燃烧反应发生在气化炉底部2期王立群等:在流化床气化炉中生物质与煤共气化的研究( I)249较浅的区域,并在密相层02很快消尽，流化床上部7500[7000的稀相区--般是进人粉粒料的热解气化反应区和水煤气反应区。因此燃烧区和水煤气变换区域是气化60005500炉必不可少的气化区域。为此，沿着气化炉高度安5000装3根热电偶。由T、T2和T,来估计流化运行状态,这些温度值取决于所选择的运行条件(如生物质起40003500I煤的比值,空气量、蒸汽量和给料量)。如对任何物300020/80 40/60 60/40 80/20 100/0料仅通空气而不通水蒸汽时，T温度很快从850C生物质/煤升至1000,其间温度分布呈现Ti> T2> T3的规.图5生物质/煤的比值对燃 气热值的影响律;若当运行转变到空气-水蒸汽混合气化正常运行Fig.5 The influence to he heat value of时,温度分布呈现T2>T>T或TI>T2> T,的规the product gas by the raios of the bionas/coal律,前者可能与生物质比例较少有关，而后者恰好相..0p反。当温度分布的次序为T> T2> T时,此时通.s常发生了不正常状况。这将导致通过流化床层的氧里2.0气过量或超量。当流化床表观速度大于1n/s 时,床层波动较大,很难精确控制运行温度,一- 般使用T尔、T2、T3的平均值T。,它可以较为合适地表征流化床的运行状况。图4给出玉米芯与煤两种物料混合气.oL化流化床的温度线图。在共气化中气化温度T。随生物质在混合物的比例增大而下降。- -般混合物共气化T。取值在850~ 920C之间。图6生物质/煤的比值与气体产率的关系920Fig.6 The influence to the yield of theproduct gas by the raios of the bionass/coal/煤比例的关系。随着生物质在混合物料中比例的赵880增加，气体产率明显提高。如玉米芯/煤的比率从86040/60 增加到80/20时,气体产率从1.4m' /kg增加到8401.9m' /kg。,822.4.4气化效率图7表示气化效率与玉米芯/煤比例的关系。总气化效率取决于气体产率、气体低热值、混合物的图4生物质/煤的比值对流化床温度的影响类型和比例。由于气体产率和气体低热值受运行状Fig.4 The influence to the temperaure况的影响,使混合物料比例与总气化效率之间很难of the fuidined bed by the retioe of the boasseal找到一个线性关系。当固定气化温度时总气化效率2.4.2产品气体低热值随混合物中玉米芯比例的增加而提高。但是实际运图5给出了玉米芯/煤的比值与产品气体低热行表明煤在混合物料中比例小于10%气化温度将无值的关系。随着玉米芯的比例的增加,产出气的低法保持在850C以上，而且由于流化床中不能维持一热值有明显的增加趋势。如当玉米芯/煤的比例为稳定料层,使气化炉难以稳定运行。为达到生物质80/20时,产品气低热值最大值可达7100kJ/m。和煤共气化的目的，生物质在混合物料中的比例不2.4.3气体产率.易大于90%。图6表示每千克混合物料的气体产率与玉米芯250太阳能学报29卷900o[参考文献] .70}[1] 秦育玉,冯杰,李文英,等.生物质气化影响因素分析[J].节能技术,2004, 22(4):4- -5.[1] Qin Yuyu, Feng Jie, Li Wenying, et al. Discusionson theeffect of operating conditionsg on biomass gasificationIn fuid-ized bed reactor[J]. Enengy Conservation Technology, 2004，22(4):4-5.20/80 40/60 60/40 80/20 100/0[2]郭庆杰,张 错,刘振字,等. 生物质的流化床转化[J].生物质/煤煤炭转化,1998, 23(3): 35- -37.图7生物质/煤的比值与气化效率的关系[2] Guo Qingjie, Zhang Kai, Liu Zhenyu, et al. Converion ofFig.7 The influence to he gifcationbionass in the fuidized bed[J]. Coal Conversion, 1998, 23fficiency by the ratioe of the biomas/coal(3):35- -37.2.4.5燃气中焦油含量[3]徐茂蓉,严建华,蒋旭光. 昝代燃料与煤混合燃烧的特提高气化炉的反应温度是除焦油的关键措施之点与应用前景[J].能源与环境,2004, (5):45- -51.- [78]。 本技术采用生物质与煤共气化,由于煤的热[3] Xu Maorong, Yan Jianhua, Jiang Xuguang. Co combustion of值高,气化炉的反应温度可达1000C以上。在生物altemative fuels with coal: The charateristics and a plicaionprospets[J]. Energy and Environment, 2004, (5): 45-质/煤混合比例为80/20,气化温度(T。)为870C时，燃气经一次喷淋洗涤后,焦油含量少于10ng/m'。 而[4] Pan YG, Roca x, Velo E, et al. Removal of tar by scond.洗涤水经检测并未发现焦油。实验表明,采用生物ary air in fuidized bed gasification of residual bionass and质与煤在流化床中共气化,由于易形成高温炭层,加cal[J]. Fuel, 1999 78: 1703- -1709.之空气中加入适量水蒸汽将有效促进焦油分解,因[5] PanYG, Velo E, Roca x, et al. Fudize-bed ∞gsicar此是解决生物质气化燃气焦油含量高的有效方法。tion of residual biomas/poor coal blends for fuel gas productin[J]. Fuel, 2000, 79: 1317-1326.3结论[6] Collo A G, huo Y,Dugwell D R,et al. Co-prolysis and co-gasification of coal and biomass in bench scale fixed bed and本次实验表明:在玉米芯/煤的比例为100/0~fuidized bed reactors[J]. Fuel, 1999 78: 667- -679.80/20时,空气当量比在0.2-0.3范围内,S/B值在[7] 王磊,吴创之,陈平,等.生物质气化焦油在高温木0.2~ 0.3范围内进行调整,使气化炉的工作温度在炭床上的裂解试验研究[J].可再生能源，2005, 123850~ 950C运行时可得到气化结果为:燃气热值5.6(5):30-34.~ 7.0MJ/m2、燃气产率1.7~ 2.0m'/kg、气化效率[7] Wag Lei, wu Changehi, Cen Png, etal. Biomues gi70%~75%,副产蒸汽105kg/h.焦油含量少于10mg/cation tar destuction in a high temperature charcoal bed[J].m'。燃气洗涤水生化需氧量18.4 ~ 48.0m/L、化学Renewable Energy, 2005, 123(5): 30- -34.需氧量98 ~ 185mg/L、氨氮3.29 ~ 8.41mg/L。[8] Delgado J, Axnar M P, Corella J. Bionae gaification withsteam in fuidized bed ffectivenee of CaO, Mg0 and CaO-Mg0 for raw ges claning[J]. Ind Eng Chem Res, 1997, 36:1535- -1543. .2期王立群等:在流化床气化炉中生物质与煤共气化的研究(I)251STUDY ON CO-GASIFICATION OF BIOMASS ANDCOAL IN FLUIDIZED BED GASIFIER (I )一-PRODUCING LOW CALORIE VALUE GASWTTH AIR-STEAM AS GASIFYING AGENTWang Liqun' , Zhang Junnu' ，Zhu Huadong , Zhou Haosheng"2，Song Xu' , Wang Tongzhang(1. Schood of Energo and Power Engineing Jiangsu Uninersiy, Zherjiang 212013, China; 2. Department of Chenical Enginering TechnicalUnieriy of Dennank, Dermark; 3. Tianjin Fhuaneng Group Energy Resores Eqipnent Co,Ld, Tianjin 301900, China)Abstract:A study that diferent ratios of bionass/coal fxtures gasifed in a demonstrated fluidized bed gasifer of 600kW,used air-steam as gasifying agent was introduced in the paper. Under the testing conditions, the important efet of difer-ent ratios of biomass/coal on the temperature of the gasifier, the heat value and the yield of the product gas, and the gas-ifcation eficiency 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 6.4MJ/m'，and the gasifcation eficiency is 71.3% and the tar quality of is less than10mg/m' , when the temperature of the gasifer is 869C，ER is 0.21, SIB is 0.20, through continuous operation, thegasifier operates steady and well.Keywords:biomass; fluidized bed; co gasifcation; air steam