不同气化剂下海藻粉在气流床下气化特性试验研究

新能源及王艺不同气化剂下海藻粉在气流床下气气化特性试验研究梅勤峰,周劲松,陈青,刘炳俊 ,骆仲泱(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:为考察02/水蒸气和02/CO2作为气化剂对海藻粉气化特性的影响,在自制的小型生物质气流床气化炉上开展海藻粉在气流床下气化特性试验研究。当氧气/生物质比(0/B)为 0.3、气化温度为1200C时。不同水蒸气/生物质比(S/B=0~1.2)对合成气组成有较大影响,其中H,产量的上升趋势最为明显,S/B=1.2时比单纯氧气气化提高了81.4%。而在0,/C0,气化条件下,由生物质产生的CO,随二氧化碳/生物质比(CO2/B)的增加而下降,当CO/B=0.9时,H2、CO的产量分别比单纯氧气气化提高了33.9%和75.8% ,热值由5521 kJ/m'上升至8576 kUJ/m’。结果表明,如果以提高热值为制取合成气的目标时,添加CO,在一定范围内可以达到水蒸气的效果,同时降低了系统能耗及简化了气化设备。关键词:生物质;气流床气化;CO2中图分类号:TK6文献标识码:A .文章编号: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-ong, CHEN Qing, et al(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization , Zhejiang University, Hangzhou 310027，China)Abstract: The influences of 02/CO2 and 02/Steam as diferent gasification agents on the characteristics of seaweedpowder gaifcation in a bench-scale entrained flow gasifier were studied. Different ratios of steam/ biomass had eeeteson the gas composition: H, content increased obviously, which were improved by 81.4% with S/B= 1.2. The contentof CO2 produced from biomass was reduced with the increasing of the ratio of co2/biomass. Compared with oxygen gas-ification, H, and CO contents were improved by 33. 9% and 75. 8% respectively. The heating value inereased from5521 kJ/m' to 8576 kJ/m' . The resultse indieated that the addition of CO2 can achieve the efeet of steam to some ex-tent aimed at the heating value of syngas, while reducing the energy consumption and Bimplifying the gasification equip-ments.Key words: biomass; entrained-flow gasification; CO2气化炉,其气化温度均小于1000C,致使气化炉0引言产出的粗煤气中或多或少含有焦油。焦油的存在藻类与其他生物质(如木质纤维素材料)相对于热解气化过程以及相关的设备都有较大的危比,具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长害]。而气流床具有原料适应性强、反应温度周期短、生物产量高的特点，同时藻类在水中生高、气化强度大、合成气中有效成分高且不含焦油长,不占用农业用地,因此微藻引起了很多研究者等特点,已在煤气化中得到工业化应用,而生物质的注意",本实验选择海藻作为气化原料。气流床气化国内外尚处在研究阶段鬥。在气化生物质气化的主体是生物质气化炉,目前主剂的选择上,有空气气化、水蒸气气化、O2/水蒸要应用的生物质气化炉包括固定床气化炉和流化气气化及富氧气化”,各有特点。床气化炉两种类型。但无论是流化床还是固定床气化剂中用CO2取代水蒸气作气化剂,或者收稿日期:2009-12-23基金项目:国家重点基础研究发展(973)计划资助项目(2007CB210208);国家自然科学基金资助项目(90610035)作者简介:梅勤峰(1981-).男,浙江嘉兴人,硕士研究生.从事生物质气化研究。新能源及玉艺加入CO,替代部分水蒸气作气化剂,生产出的高料方式，即生物质在载气(N2)输送下,由炉顶螺纯Co或者具有不同组成的合成气,可满足不同旋给料机,定量送人原料喷嘴,与经气化剂预热器合成气用途的需要。在这个技术领域的应用与研的气化剂(02、02 +水蒸气或O2 +CO2)混合,在究中,国外报道的资料较少,国内近几年研究的进炉膛内进行气化反应。气化产生的合成气经炉膛展较快']。底部激冷室冷却后,经旋风分离器和水洗过滤器目前生物质CO2气化的大部分研究主要关等装置,灰渣由炉膛底部的排渣室和除尘器底部于对热解产物的气化6] ,张德厚”等以焦炭为原收集装置收集。料,02和CO2为气化剂，在固定床气化炉内高温1.2 实验原料连续气化,制取含CO约70%的粗CO气。而直实验原料为海藻粉,粒度为80~100目,其工接利用CO2作为气化剂在气化炉内对生物质进业分析和元素分析如表1所示。行热解气化制备可燃气的研究尚处起步阶段。本文介绍在自制的实验室规模(0.5 kg/h)的沉降式气化装置上,研究在特定工况下(氧气生物质比为0.3、气化温度为1200C),对O2/水蒸气和02/CO2作为气化剂在气流床内对海藻粉进行气化，研究气流床条件下添加CO2气化的可行性。1实验1.1 实验装置自制的常压下生物质气流床气化实验台主要由给料系统、气化剂预热器、沉降式气化炉,合成圈1生物质高温气流床气化系统气冷却装置、旋风除尘器、水洗过滤器等组成,系1一氮气;2-二氧化碳;3-氧气;4一流量计;统如图1所示。气化炉高1500 mm,外径65 mm,5- -三通阀;6- 气化剂预热器(水蒸气发生器);内径60 mm ,外面包裹保温材料厚度为15 mm,由7-蠕动泵水滴注入点;8-螺旋给料器;9-气化炉;电炉丝加热，设计工作温度为1200C,原料处理10- -炉膛;11-灰斗;12- -旋风分离器;13-水洗器;能力为0.2-0.5 kg/h。预热器可将气化剂预热14- -过滤器;15-气泵;16-气相色谱分析仪;17-温控仪至350心。生物质燃料的供给采用螺旋加气力给表1海藻粉工业分析及元素分析工业分析/%元素分析/%MVAFC低位热值/小.g-CN10. 4946.44 26.51 16. 561072328.052.5929.181.201.3 实验方法([C0]+[CO,] +[CH,]) xQ/22.4海藻粉进行筛分，烘干处理后,对螺旋给料器P。. W./12给料量进行标定。实验前对气化炉膛充人足量式中:[C0]、[CO2]、[CH,]一-CO 、CO2和CH。N2进行排空,然后对气化炉及气化剂预热器进行的体积百分比浓度,%;预热,待温度到达设定值并稳定后,开启给料器,Q-一合成气体积流量,m'/h;并通人气化剂,待合成气出气稳定后进行取样。P.-生物质中含碳量,%;1.4 数据计算W.- -生 物质投入量,kg/h。气化反应过程中,燃料中的C元素主要以合成气的低位热值QL可以根据合成气的成CO、CO2、CH,的形式存在于合成气中,因此碳转分计算:化率可按以下公式进行计算:Qi= 2xQs新能源及主艺的式中:Q--合 成气的低位发热量,kJ/m';气流床内对合成气组分影响起主要作用的反x,一合成气中各单质气体的体积百分应方程有:数,%;2C +02 =2CO +246.4 kJ/mol .(1)Q。一合成气中各组成气体的低位发热C +O2 =CO2 + 408.8 kJ/mol(2)值,kJ/m'。2CO +O, =2CO2 +571.1 kJ/mol(3)1.5合成气成分分析CO2 +C=2C0 - 162.4 kJ/mol净化后的合成气温度在50心以下,用气包搜2H20 +C=C02 +2H2 -131 kJ/mol (5)集后送人气体分析仪分析。合成气成分分析采用H20+C0 =CO2 +H, +41.2 kJ/mol (6)北分3420气相色谱分析仪，可对H2、CO2、CO、2H2 +O2 =2H2O -483.6 kJ/mol .(7)N,、CH..O2.C.H.等进行监测，并将数据以表格2.1添加不同量的水蒸气对气体产 物的影响形式输出。海藻粉在O2/水蒸气气氛下,相同0/B比,添加不同量水蒸气时,进行五组实验,反应结果如表2试验结果 与讨论2所示。气流床气化过程实际上是燃料在高温下的热02流量为0.1 m'/h(O/B=0.3),经预热器化学反应过程。由于在气化炉内高温条件下发生加热至350C ,反应温度设定为1200C ,表2显示多相反应,反应过程极为复杂,可能进行的化学反了在气化剂中添加不同量的水蒸气对海藻在气流应很多。气化反应过程可概括如下间:床下的气化结果影响(其中总产气量扣除了合成(1)燃料的干燥及裂解与挥发物的燃烧气化气中N,的成分)。从表2中可以得到,随着S/B(2)固体颗粒与气化剂间的反应的增加,合成气中H,的产量增加趋势明显,合成(3)生成的气体与固体颗粒间的反应气热值不断上升,在S/B=0.9时达到最高值(4)反应生成气体彼此间进行的反应8091 kJ/m'。表2海藻粉02/水蒸气气化结果S/B/kg.kg~0.30.60.91.2合成气产量/m'.kg"0.70.81.00.95H:/g.kg"19.7024. 6931.0435.7235.74C0/g* kg~255.5275.8300.2325.6328.5CH,/g.kg~10. 1011. 1012. 9612.6411.98CO2/g.kg"334.032.7451.3466.9468.碳转化率/%74.48 .87.7193.4897.7297.56Q/kJ.m-5521643074868091979注:气化温度= 1200 ;给料量=0.5 kg/h;0/B=0.3在氧气中添加水蒸气后,促进了C、CO与水不同量CO2时,进行五组实验,反应结果如表3蒸气的反应，即反应(5)、(6)向正方向进行,但是所示。反应(6)为放热反应,在高温下受抑制，因此反应添加不同量的CO2 (CO2/B分别为0、0.3、(5)主导着H2的产量。如果以制氢为目的,添加0.6.0.9.1.2)后,从表3可以看出,以每千克生物适量水蒸气可以起到明显的改善作用。有文献表质产生的气体质量为基准，气化剂中添加了CO2明191] ,较高的S/B会使气化温度降低,不利于高后,总产气量较添加水蒸气的略多(扣除了N,)。质量燃气的产生。对一给定的气化过程，S/B存合成气中的有效成分(H2、CO CH.)都有不同程在一个由热平衡影响的最佳操作范围。本实验度的提高,其中H2、CO在CO2/B=0.6时分别比中,S/B的理想值在0.9左右。单纯氧气气化提高了23. 6%和73.5%,热值由2.2添加不同量的 CO2对气体产物的影响5521 kJ/m'升至7860 kJ/m' ,提高了42.3%。本海藻粉在02/CO2气氛下,相同0/B比,添加实验以产气中的CO2量减去投入的CO2量为研-新能源及室艺究对象,来分析生物质在气化过程中CO2的产趋势。 气化反应中,H2主要由反应(5)产生,由量。由图2(c)可以看出,随着CO2量的增加,生于Co的增加推动水煤气反应,即反应(6),促进物质的完全氧化反应受到抑制,从图2(b)中CO了H,产量的增加。V. MinkovaI0]认为CO2气化产量的上升可以得到验证。综合分析可以得出:促进了生物质热解气化后焦炭的转化,提高了碳在确定气化温度和0/B的情况下，气化剂中适当转化率。但是CO2添加到一定值后,产气热值及添加CO2有利于增加合成气中可燃组份的产量、碳转化率有所降低,过量CO2(以海藻为例,CO2/合成气热值及碳转化率。B>0.9),会导致合成气中CO2比例的增加,从而添加不同比例CO2后气化抽取的合成气中稀释了有效气组分,同时合成气热值也会下降,甚CO产量均有不同程度的提高,这是因为反应(4)至低于纯氧气化的合成气热值，而且过量的CO2的正向进行,使得生物质产生的CO2呈逐渐下降增加了合成气后续的处理负担。裹3海藻粉0,/CO,气化结果CO2/B/kg.kg00.30.60.91.2合成气产量/m’.kg-0.71.01.1H2/g. kg"'19.7022.8324.3526.3722.72C0/g. kg-'255.5411.0443.5449.2475.2CH:/g.kg"11.1010.8111.6412.9112. 90CO2/g. kg-'334.0324.8270.8251.5240.1碳转化率/%74.4896.4796.4097. 6098.33Q,/kJ. m~3 .5521.37306786085767996注:气化温度= 1200 ;给料量=0.5 kg/h;0/B =0.32.3水蒸气、CO2 添加量对海藻粉气流床气化特反。这是由于CO2添加后,抑制了碳的完全氧性的影响比较化,更多的碳转化为CO,从图2(b)可以取得验图2为添加水蒸气、CO2后,海藻粉在气流床证。而添加水蒸气则促进了反应(4)和反应(5)下气化结果的对比。由于气化温度较高,CH,的的正向进行，导致CO2产量的上升。产量非常少(小于合成气体积浓度的3%),且不从合成气的热值对比来看[图2(d)],两者同气化剂添加对CH,产量的变化趋势不明显，因的变化趋势相近,但是添加CO2后的合成气热值此CH的对比无实际参考价值。比添加水蒸气后合成气的热值高，这是因为添加图2(a)为添加水蒸气和CO2后H2产量的变CO2后合成气中CO的产量增幅比添加等量水蒸化对比,添加水蒸气比添加CO2的合成气中H2气后合成气中H2的增幅大,而单位体积H,与产量明显增加。在CO2/B(S/B) =0.9时,前者CO的热值相近。CO2/B =0.9时,产气热值达到比后者多产出H2约9.4g/kg。因此，如果以制取最高8576 kJ/m',而S/B=0.9时,产气热值为富氢气体为目标，添加水蒸气可以起到较好的8091 kJ/m' ,显然将等量的CO2与水加热至反应效果。图2(b)显示了添加水蒸气和添加CO2后CO温度,后者的能耗要大的多。所以,利用CO2/02的变化,可以看出,添加CO2后,合成气中CO的在气流床内对生物质进行气化制取高品质合成产量迅速增加,在CO2/B=0.3时比单纯氧气气气,在一定程度上可以替代水蒸气的作用。化增加了60. 8%,而添加水蒸气的合成气中CO对图2(e)两组实验的碳转化率结果对比后发现,添加CO2后,碳转化率迅速上升,在CO2/B的增量表现的比较平缓。从生物质产生CO2的对比上看[图2(c)]，=0.3时,就达到96. 47%,添加水蒸气的这组实添加CO2后,由生物质产生的CO2呈逐渐下降趋验碳转化率呈逐步上升趋势。当CO2/B(S/B) >势,而添加水蒸气的合成气中,CO,的产量则相0.9后,两者基本在同一水平。能源工程2010年,第3期-35 -新能源及工艺心0r+Steam/0, 4C./010029032530哥86331世Steam/0, +CO/O700.00.20.40.60.81024LCO/B S/B0.0 0.20.40.6 0.8 1.0 1.2e)(a)圈2水蒸气、CO, 添加量对海藻粉气流床气化500特性的影响480f [-Steam/0, +0,/046044042013结论420 t。 400380 t(1)生物质海藻粉在气流床中02/S气化对产360340气组分有较大影响,H,产量上升最为明显。.320 t(2)生物质海藻粉在气流床中0/CO2气化300 E280 t对C0的生成有明显的促进作用;当0/B=0.3,260 t240FCO2/B=0.9时,生物质产生CO,明显受到抑制，220 L气化反应对CO,的利用率提高,比单纯氧气气化时H2 ,CO产量产气热值分别提升了33. 9%、75. 8%(b和55.3%。但是CO2的添加不是越多越好,过量S2OF世Steam/01 +CO./01的CO2会增加产气中CO2的比例,削弱了02/480CO2气化对热值的贡献,同时也增加了合成气后4400续处理的难度。' 400(3)少量添加CO,对有效气体的产量、CO2的? 380E利用、热值在一-定程度上可以替代水蒸气气化,同时可以降低系统能耗和简化气化设备。参考文献:2400.00.20.40.60.8101.2[1]刘竟,马晓茜 微藻气化发电生命周期评价及碳循环(C)分析[J].太阳能学报,2008 29(11):1414-4 1418.[2] 陈雪莉,张巍巍,粟 冬,等.生物质气流床气化技9000术分析与探讨[J]计算机与应用化学,2007,248500-(3) :355 -358.8000[3] 周劲松,赵 辉,曹小伟.等.生物质气流床气化制。7500取合成气的试验研究[J].太阳能学报,2008, 29.7000(11):1406 - 1413.告6500[4] 昊创之,马隆龙.生物质能现代化利用技术[M].北6000京:化学工业出版社,2003.5500Stcam/0, -C0./05] 戢绪国,张翠清,徐春霞,等. 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