生物质循环流化床气化的实验

笫27卷第7期煤气与热力Vol 27 No. 72007年7月gas heatJul.2007示炉分22分》公22燃气气源与加工利用peererrerrerrenonerenet生物质循环流化床气化的实验马文超,胡艳军,刘方金,陈冠益(天津大学能源与固体废物研究所,天津30072)摘要:介绍了生物质循环流化床气化的实验系统、实验方法和结果分析。关键词:循环流化床;气化;生物质中图分类号:TU996文献标识码:A文章编号:1000-4416(2007)07-0031-04Experiment on Biomass Gasification in Circulating Fluidized bedMA Wen-chao, HU Yan-jun, LIU Fang-jin, CHEN Guan-yInstitute of Bioenergy and Wastes Treatment, Tianjin University, Tianjin 300072, chinaAbstract: The experimental system, experimental method and result analysis of biomass gasification in a circulating fluidized bed are introducedKey words; circulating fluidized bed gasification; binomass生物质是一种新型、清洁的可再生资源2,与心的报告1和 McGowin等人2的研究表明:气化其他可再生能源相比,生物质资源量大且分布技术用于热电联产,与生物质直燃技术以及其他发广的,处理技术简单,应用范围广。因此,在众多的电方式(包括天然气联合循环)的造价几乎相同可再生能源中,生物质因产量丰富、易于利用温室 Krigmont13预言气化将应用于处理固体废弃物领气体减排效果好而受到世界各国的重视。欧盟域使其转化成有用的燃料以解决严重的环境问题。在2000年出版的《能源、环境与可持续发展》白皮但气化技术尚存在很多问题:产气过程不稳定、燃料书中S,定下的目标是“继续推广使用生物质,在现适应性较差、大规模推广困难燃气质量差等。今0.45×103ta的基础上增加到2010年的0.90虽然循环流化床技术在过去的20年中被广泛103t/a”。如果达到这个目标,生物质能将占到可再应用于煤燃烧和石油工业,并取得巨大成功,但在生生能源份额的50%左右;从长远预计,生物质能将物质气化方面的应用较少。考虑到循环流化床满足一次能源消耗量的20%。技术的特点,生物质循环流化床气化有如下特性:可传统处理生物质的方法是在燃烧炉甲直接燃使用多种生物质原料,易扩大规模,可应用于现有的烧,利用效率低,造成生物质能的巨大浪费。现代的发电站,造价低。然而其技术不确定性很高,设处理方法能克服上述不足,具体方法有:直燃生物质计一种新的气化发生器的难度也很大。进行热电联产,热化学转化方法制取燃气,生物化学本文将介绍天津大学的生物质循环流化床气化法制取气体、液体燃料等6-101。实验系统,该装置旨在制取高品位燃气的同时,降低气化作为一种热化学转化技术,因其具有如下焦油及颗粒物含量,减少气化过程污染物的排放,提优点而引起广泛关注:对原料的种类及颗粒大小没高产气率,且不影响制取气体的热值1。此外,还有严格要求,合成气应用广泛,相比于热解污染问题将获取循环流化床气化系统的运行经验,控制其稳较小。此外,A(国际能源署)可再生能源研究中定运行,使气体组成及产气量波动小。31中彐煤第27卷第7期煤气与热力www.watergasheat.com实验系统及方法装18kW的电预热器,加热炉膛使其达到预定温①实验系统度。在循环流化床气化系统中,除了下游装置,其他实验系统采用的是循环流化床气化系统,见图设备都覆盖隔热保温板,以减少热量损失。表2是。系统由两级给料装置、流化床主体(气化炉)旋循环流化床气化系统的设计参数,表3是循环流化风分离器返料器、氢气发生器、空气预热器和辅助床气化系统的运行参数。设备组成。辅助设备包括点火装置、燃气净化装置、表2循环流化床气化系统的设计参数燃气采样装置和烟囱,以及计算机自动采集系统。Tab 2 Design parameters for circulating fluidized bed主体床高为6000m,内径为125mm,通过热功率gasification system为150kW的圆柱型电加热器调节床温。松树的锯床内径/mm125屑作为气化物质,其工业分析和元素分析见表1。床高/m6.0炉膛有效高度/m旋风分离器效率/%>976电加热最大热功率/kW150气化剂空气、水蒸气给料口个数/个预热能力/kW18空气表3循环流化床气化系统的运行参数Tab 3 Operation parameters for circulating fluidized bed1料仓2.螺旋给料机3流化床主体4旋风分离器5返料器gasification system6氢气发生器7空气预热器8辅助设备炉膛气流速度/(m·s12.0图1生物质循环流化床气化系统炉膛压力/MPaFig 1 System of biomass gasification in a circulating给料量/(kg·h-)fluidized bed匚临界流化速度(m:s+)0.2表1松树锯屑成分分析二次配风体积比10:11:4Tab. 1 Composition analysis of pine filing级给料质量比炉膛平均温度℃820固定碳/%16.35催化剂与石英砂的质量比1:10业挥发分/%70.55水分/%12.27②实验方法析灰分/%0.83常用的催化剂有:白云石/石灰石、镍基催化剂、碳质量分数/%47.67含镍的混合催化剂。使用方法一般采用以下3种氧质量分数/%43.94催化剂和床料掺混在一起,先放入炉内;在给料过程氢质量分数/%素中催化剂和生物质掺混在一起送入炉膛;催化剂和分氮质量分数/%1.50析硫质量分数/%0.09给料通过不同的给料口同时分别送入炉膛。高氯质量分数/%0.11温裂解和催化剂的作用使得焦油含量明显降低。在灰分/%0.83本实验中采用的是第1种方法。高热值/(MJ·kg1)18,10实验开始前,向流化床内加入石英砂和煅烧白生物质通过两级螺旋给料器进人炉膛。系统运云石。石英砂作为流化介质,白云石作为流态化催行时,高温燃气中的粗糙小颗粒在炉膛出口处被旋化剂,主要用于焦油裂解。打开电加热装置,把空床风分离器迅速分离,通过返料器循环回到炉膛底部。直接加热到设计温度(800~850℃),然后打开螺旋与炉膛底部相连接的空气预热器加热送向炉底的空给料机把锯屑送入炉膛,与此同时吹人空气进行反气,使得炉体的温度稳定在需要工况。在辅助设备应。中设有燃气采样装置,通过测试污染物的排放量来当循环流化床气化系统稳定工作时,将制取的分析可燃气体的燃烧特性;采样装置设在气体过滤气体通过采样装置进行分析。此时气体气化装置在器出口侧,以便分析产生气体的组成。环绕炉体安计算机的监控下同步运行,所有采集的数据都送到2www.watergasheat.com马文超,等:生物质循环流化床气化的实验第27卷第7期计算机中统一处理。表4制取气体的参数2测试与分析Tab 4 Parameters for producing gas设置8组热电偶测试气化温度,发现有2个热CO13.36电偶读数不准确,一个位于布风板上方12m,另co.CHa4.78个位于布风板下方0.2m。所有的温度由温度测量气体组分的CrH0.78系统自动控制。摩尔分数/%H气体由FT-RR分光计、多组分气相色谱仪和49,34个在线单元素分析仪进行测试与分析,包括对HO10.21CO、CO2和SO2的无分散红外测试、NO的无分散紫产气量/(m3·h-)7.84外测试、O2的顺磁性测试和H2的微气体套色复制。产气率/(m3kgl)实验中测得气体组分有CO、CO2、H2、H2O、C1低热值/(MJ·m-3)高热值/(MJ·m-36.30C3化合物(CH4、C2H4、C2H6、C3H6)、O2、N2、NH2、焦油质量浓度/(mg·m-3)HCN和氮氧化物(NO、N2O和NO2),以及SO2、4结论COS CS2(通常浓度很低)、HCl等。此外,C4H2CoH2也很容易被测得。还测得了制取气体的焦油天津大学的生物质循环流化床气化实验装置制含量精度较高。灰分由校外的研究机构进行元素取燃气的产气率为1.83m3/kg左右,气体高热值为分析(C、H、N、Cl、S和O),测试主要的矿物元素6.30M/m3,产气量为784m3/h,焦油质量浓度仅(A1、K、Na、Ca、Mg、P、Fe、Si)和痕量元素(Co、Mo、为96mg/m2。为提高燃气的产气率,今后需建立流Mn、Cr、N、Zn、Cu、V、Pt、Cd)等化床气化装置理论模型,并展开更细致的实验分析。3结果与讨论图2表明了实验装置产气率随时间的变化曲参考文献线。在运行初始阶段,产气率呈线性增加,10min后[1 Johansson T B, Kelly H, Reddy A N. Renewable energy进入稳定运行阶段,产气率波动在1.79~185m3sources for fuel and electricity[ M]. Beijing: PetroleumIndustry Press. 2000kgo这对下游装置,尤其是汽轮机(或微涡轮机)的[2]Gielen D J, De Feber M A P C, Bos A J M. Biomass for稳定运行无负面影响。表4为制取气体的参数。energy or materials a western European systems engi-2.0neering perspective[ J]. Energy Policy, 2000, 29(5)1691-3012[3 Larson E D. Technology for electricity and fuels from biomass[ J]. Annual Resource Energy Environment, 19930.88(7):567-630.0.4[4j米铁,陈汉平.生物质能利用技术及研究进展[J]」煤气与热力,2004,24(12):701-70510203040506070运行时间/min[5 European Commission. Directorate-general for biomassresearch: an energy resource for the European Union图2产气率随时间的变化曲线[R]. Brussels: European Commission, 2000Fig. 2 Variation curve of gas yield with time[6]张秀梅,陈冠益,孟祥梅,等.催化热解生物质制取富由实验结果可知,本实验装置获取的燃气焦油氢气体的研究[J].燃料化学学报,2004,32(4):416质量浓度很低仅为96mg/m3,气体高热值为6.30-449,MJ/m左右。虽然产气率略低,但考虑到设备限制[7]陈冠益,李强, Spliethoff H,等:生物质热解气化制取(预处理能力低导致反应器温度较低,旋风分离效氢气[J.太阳能学报,2004,25(6):776-781.率低,生物质粒径不理想等),上述实验结果相对令[8]吴创之徐冰燕,罗曾凡等.生物质循环流化床气化人满意,认为这种气化方式可行。的理论及应用[J].煤气与热力,1995,15(5):3-833中彐煤第27卷第7期煤气与热力www.watergasheat.com[9]吴创之,徐冰燕,罗曾凡,等.生物质中热值气化技术[15] Bentzen D, Hummelshoj R. Low tar and high efficient的分析及探讨[J].煤气与热力,1995,15(2):8-14.gasitication concept.[ A]. Hirs GG. Proceedings of10]杨梅平,米铁,陈汉平,等.生物质气化中焦油的转化ECOS 2000( Additional Papers ) Eurotherm Seminar方法[J].煤气与热力,2004,24(3):122-126[C]. Enschede( Netherlands ) Biomass Research Insti[11 IEA CADDET Centre. Renewable energy advanced thertute,200.179-183mal conversion technologies for energy from solid waste: [16] Chen G. Circulating fluidized bed gasification of bioa joint report of IEA Bioenergy and the IEA CaDDETmass:originality in system design and experimental ap[R]. Vienna( Austria): IEA CADDET Centre Pressproach A]. Liu W. Preprints of the Intermational Con1998ference on Energy Conversion and Application[C]. Wu-[12] McGowin C, Hughes E. World Bank report Holt N. E-han( China): Wuhan University Press, 2001. 1263conomic& risk evaluation of the Brazil biomass-gasifica1267tion/gas-turbine demonstration project[R]. Washington [17 Corella J, Aznar M, Gil J, et al. Biomass gasification in a(USA): World Bank Press, 1998fuidized bed; where to locate the dolomite to improve[13] Krigmont H V. A white paper: integrated biomass gasifigasification[ J]. Energy Fuels, 1999, 12(5): 1122cation combined cycle (IBGCC) power generation con1127cept -the gateway to a clearer future[R]. BrrusselsBelgium): QEP, 1999作者简介:马文超(1982女,黑龙江鹤岗人,[14] Van de Drift A, Van Doorn J, Vermeulen J W. Ten re-硕士生,从事生物质气化方面的研究工作。sidual biomass iueels for circulating fluidized-bed gasifi电话:(022)87402100cation[ J]. Biomass and Bioenergy, 2001, 20(2): 45E-mail:bewu@tju.edu.cn收稿日期:2006-10-28;修回日期:2006-11-13≈~~~~~AAAA~AAAA~~ Aww八~AA~A~八~A八A八AAAA~八~八AA八·编者·作者·读者往来中国土木工程学会城市燃气分会与中国城市燃气学会的关系读者问:中国土木工程学会城市燃气分会与中国城市燃气学会之间有何关系?编辑答:中国土木工程学会城市燃气分会是中国土木工程学会下属的专业学术组织。中国土木工程学会城市燃气分会在外事活动中称为:中国城市燃气学会( China City Gas Society,缩写为CCS)。中国城市燃气学会代表中国参加国际煤气联盟(ICU),并出席其组织的活动。中国城市燃气学会为国际煤气联盟(IGU)的注册理事。如強创新狙奕潴。进科成狼静抢卿应钳·34·