在流化床气化炉中生物质与煤共气化研究(Ⅱ)——以水蒸汽为气化剂生产中热值燃气

第29卷第3期太阳能学报Vol 29, No. 32008年3月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA文章编号:025406(200)03035406在流化床气化炉中生物质与煤共气化研究(Ⅱ)以水蒸汽为气化剂生产中热值燃气王立群,宋旭,周浩生2,唐恒,王同章1(1江苏大学能源与动力工程学院,镇江21203;2丹麦技术大学化工工程学院,哥本哈根摘要:以水蒸汽为气化剂用玉米芯煤以不同比例为原料在60W流化床气化炉上按二步法制气工艺进行连续运行实验。实验研究了影响燃气热值气体产率燃气组成及气化效率的主要因素,确定出气化炉适宜的操作条件及较佳的原料配比范围。得出气化温度为950-100℃,玉米芯煤的比例为8020,SB在07-09范围内燃气热值11-13Mm3,气体产率11-1.3m3/kg,气化效率75%~80%燃气中焦油含量小于0.9mg/m3的结果。通过将本技术与国外现有生产中热值燃气的方法进行比较发现本技术具有产生较高热值燃气和燃气中低焦油含量等优点关键词:流化床;生物质;中热值燃气;水蒸汽;共气化中图分类号:TK6文献标识码:A0引言在700℃以上。但一般水蒸汽难以达到此温度要求,所以气体产量较少,气化效率较低。其优点是反应用空气为气化剂生产低热值燃气时,可燃气中生成H2CH较多,C2C0等含量相对较少有利于N含量约达0%,如能除去可燃气中的N,其热值燃气的进一步处理。目前世界上使用水蒸汽气化的将相应增加一倍,达到10-16MJm。所以中热值气很少,主要用于实验室研究。化的基本方法是使用不含N2的气化剂或改变加热双流化床气化方法是美国国家可再生能源实验方式使生物质进行热解气化,所得气体主要成分为室研制的方法,其流程见图1。这种方法既不需要C0、、CH和CO2。目前世界上有3种具体方外热源,又不需要制氧设备,故运行成本低。但由于法,即氧气气化、水蒸汽气化和双流化床气化方热载体数量和温度的限制,一般热解气化炉的温度法不能超过800℃C,气化效率较低。另一方面由于运行氧气气化与空气气化相似,属自热型气化方式可燃气气化剂不含N2,燃气热值较高,其CO、H含量较高,CH含量较低。由于氧气气化反应温度可随意调节,反应完全,气体产量较高,气化效率相应较高,其技术成熟、工艺简单、运行稳定,适于规模化生产但需要相应的制氧设备,投资和运行成本都较高气化炉炭粒燃烧炉目前国外有关生物质氧气气化的研究很多,从实验生物质室规模到中试设备都有,但国内有关生物质氧气气高温砂子化仅处于实验室研究阶段2。水蒸汽气化必须有两个关键设备即蒸汽发生器和气化炉。生物质热解较理想的温度在700℃以上,1四由占心击毽且主要气化反应即水煤气反应要求水蒸汽温度必须中国煤化工dbm收稿日期:20060724CNMHG基金项目:江苏省科技攻关项目(BE20304)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。thw000Pyahoo.com.an3期王立群等:在流化床气化炉中生物质与煤共气化研究(Ⅱ)355时焦炭和热载体都在高温下循环,难以定量控制,炉软水温易变化,限制了其实用性,目前仍未有实用案例。江苏大学在国内外首次提出单一流化床中以水蒸汽为气化剂,用生物质生产中热值燃气的方法即单一流化床二步气化法(又称间歇式生物质流化床水煤气气化工艺)。生物质流化床水煤气炉工艺流程HL1生物质流化床气化炉;2高温旋风分离器;3余热锅11实验装置与工艺流程炉;4洗涤塔;5储气柜;6烟囱;7沉淀水池;8罗茨风机;9储灰箱;10.带螺旋加料机的煤仓;11带螺旋加如图2所示,气化炉进气管中设空气控制阀(1-料机的生物质仓;12风室;13.布风板;14.蒸汽喷泪;1)和水蒸汽控制阀(2-1)。在余热锅炉后设烟气控1~L空气控制阀;1-2烟气控制阀;2-1.蒸汽控制阀;22.燃气控制阀制阀(1-2)和燃气控制阀(22)。当气化炉启动运行时,蒸汽阀(21)和燃气阀(22)关闭,空气阀(1-1)和图2生物质流化床水煤气炉工艺流程图烟气阀(1-2)开启,这时罗茨风机经空气阀(1-1)由风Fig. 2 The process flow of the water gas gasifier室向炉内供入一次空气,同时螺旋加煤机向炉内加煤为使燃料能在炉内完全燃尽,设计有20%二次空时气化阶段结束,蒸汽阀(21)和燃气网(22)相继气从喷咀加旋喷入使带入悬浮段的微粒炭及不完全自动关闭空气阀(11)和烟气阀(12)依次开启气燃烧的气体成分继续燃尽使炉内温度迅速升高燃化炉又转人燃烧阶段。这两个阶段交替往复进行工烧产生的烟气经旋风分离器余热锅炉、烟气阀进入作,生产中热值燃气烟气系统净化后排入大气中。当炉内温度上升到设水煤气反应是此方法的基础,所以其气化设备定温度时(1000),燃烧阶段结束这时空气阀(11)酸称为生物质流化床水煤气炉,其工艺被称为流化和烟气阀(1-2)自动关闭蒸汽阀(21)和燃气阀(2.床二步法制气工艺。两对控制阀门:空气阀烟气2)自动开启从余热锅炉来的水蒸汽经过热器蒸汽、蒸汽阀燃气阀的转换由转换温度控制,一般低阀由风室进入气化炉同时生物质螺旋加料机向炉温限决定于原料的反应速率高温限决定于原料的内加入生物质,这时高温料层和加入的生物质在流灰熔点。本次实验原料的转换温度设定为950~化状态下发生水煤气反应及生物质的热解气化反100℃可获得较好的气化效果。运行中需要特别注应,产生中热值燃气。由于该反应是吸热反应,使炉意调整烟气阀和燃气阀的相对滞后的启闭时间,以内温度快速下降,这时,产生的燃气经旋风分离器、使燃气尽量进入燃气系统。余热锅炉、燃气阀进人洗涤塔,经洗涤冷却后经水封12气化原料器进入气柜。当炉内温度下降到设定温度(950℃玉米芯和煤的工业分析和元素分析见表1表1玉米芯和煤的工业分析和元素分析Table 1 The proximate and ultimate analysis of com core and coal工业分析/%元素分析%低位发热值vFC[C][H[N。[o][Sl,[P]Q。/kg生物质5606247692112447634910.8537.720.110.204507.9460.86·62.312.861.020.71231202运行结果与分析100℃C,100~1050℃,使用玉米芯和煤按一定比例及不中国煤化工现以玉米芯煤的生物质流化床水煤气炉投入使用后,前后经过比例CNMHG如下。一个月的运行试验。表明该炉运行平稳操作方便,21興型买验结果性能稳定。转换温度设定为:900~950℃,9501)进料量356太阳能学报29卷燃烧阶段:30~45kgh(煤)米芯热解产物增加所致。图4所示为气化温度在气化阶段:120~180kg/h(玉米芯)950~100℃下,玉米芯/煤的比值为80/20时,燃气燃烧阶段时间/气化阶段时阃:1.2~1.0低热值与SB的关系曲线。生物质/煤比例:80/202)进气量燃烧阶段空气量按1.3m/s流化速度选用制气阶段水蒸汽量按SB为08选用日域转换温度950~1000℃按上述参数操作运行,可得气化结果为:燃气热值:14.0MJm3气体产率:1.2m3/kg(生物质和煤)(B)kgkg综合气化效率:80%(生物质和煤混合原料综合计算的气化效率图4燃气低热值与SB的关系3)玉米芯粒度0~10mm;煤粒度0~6mmFig 4 The influence to the heat value表2燃气成分与热值of the product gas by the value of S/BTable 2 The content and Q- of the product gas3)H2、CH和C0含量与S/B关系燃气成分/%Q焦油含量图5表示气化温度在950-100C下,玉米芯/ωO0C0馬”小m3/mg·m3煤的比值为80/20时,燃气中H2、CH和CO的含量11.00.527.09.841.5140000.9与SB的关系曲线。从图中可以看出在实验条件22分析与讨论下,燃气中H2含量随着水蒸汽量增加而增加,而1)气化温度CH4、C0含量随着水蒸汽量的增加均有所降低。这气化温度是影响气体产率和气化效率的关键参说明cH4+H2O→CO+3H2,CH+H2O→CO2+H2这数。随着转换温度的提高气体产率和气化效率均两种反应有所增强。相应提高。但气体热值随着转换温度提高而有所降低,主要表现为[H2]随着温度提高而增加,而[CH]则有所下降所致。图3表示气体产率与SB的关系曲线( S/Bkg·kg图5燃气中H、CH和CO的含量与SB的关系Fg.5 The influence to the五2、 CH and C000.20406081012141.6(S/B). kgpercents of the product gas by the value of S/B4)气化效率图3气体产率与SB的关系总气化效率取决于气体产率气体热值、混合物Fig 3 The influence to the yield of the的类型当气化温度确定后总气化效率随着混中国煤化工图6表示总气化2)气体热值效率CNMHG在气化温度确定后随着玉米芯在混合物中比例的增加,产出气的热值明显增大。这主要由于玉3期王立群等在流化床气化炉中生物质与煤共气化研究(Ⅱ)357气化温度950-1000℃5)焦油含量随着气化温度的提高,燃气中焦油减少。在900~950℃,950~1000℃,1000~1050℃3种温度范围条件下,燃气中焦油含量在12~0.7mg/m3范围内变化。其原因在于高温焦炭层在水蒸汽作用下加速了焦油的裂解反应,使燃气中焦油含量显著低于已有的研究成果56。00/0802060/4040/6020/800/100生物质/煤3现有中热值汽化方法与本技术比较图6气化效率与生物质煤比值之间的关系本技术是具有自主知识产权的一种新的气化方Fig. 6 The influence to the gasification法,现将该方法与现有国外生产中热值燃气工艺进efficiency by the ratios of the biomass/coal行比较6(见表3)。表3现有中热值气化方法与本技术的比较Table 3 Contrast between the gasification technique of producingnedium-heating value fuelwadays and the technique in this paper蒸汽气化氧气气化双流化床气化二步气化法气化介质水蒸汽水蒸汽水蒸汽气化温度/℃850~950主要辅助设备蒸汽发生器制氧机余热回收装置余热回收装置气化炉形式流化床循环床循环床流化床气化效率/%件碳转化率/%气体产率/m3kg15∞.01.00.55气体热值M13.016.0气化强度/kg“(m2h)-13000150024.015.02744.027.0cH4/%20.013.016.09.8CH/%4.05.5件H2/%20.025.0182.00.30.5技术难度一般一般较高一般稳定性一般较好较差较好应用状况很少较多较少始应用条一次投资般较高较高一般运行成本一般较高较低焦油含量较多较少较多从表中可以看出,本技术在生物质气化中的优生物质在气化炉内以极快的反应速度进行热解气越性。与氧气气化相比,其投资省,运行成本低,且化。使该气化技术才能达到如此高的气化性能指和双流化床气化法相比本技术无论是技术性、经济V山凵中国煤化工性可操作性以及环保性等诸方面都优于双流化床4CNMHG气化法。其根本原因在于由于采用煤和生物质共气该技术在我国的发展已经历了20a0。190年化,提高了气化炉的反应温度(达100℃以上),使第一台流化床水煤气炉在镇江投人工业运行,现在已358太阳能学报29卷在城市煤气、工业燃气和化工合成气方面得到推广应[3] Sheng ping,uYu, Wang Xiaoying,el. The research of用现在单台气化炉规模产气量已达80m/h2conditions for pyrolysis and gasification of sugarcane bagasse年以来在煤气化技术基础上开展了生物质和煤共气in steam[J]. Renewable Energy, 2005, 121(3):28-32.化的研究由于生物质的气化反应性好,而煤的固定[4王同章王立群,周浩生,一种生物质与煤混合流化床气化方法及其装置[P].CN0410013943.4碳含量高灰熔点高低温活性差燃烧反应快,易于获得较高的燃烧温度,这种互补性在本技术中体现得[4] Wang Tongzhang, Wang Liqun, Zhou Haosheng. A kind ofethod and device of the fu-非常明显。idized bed[ P]. CN2004100139434如在燃烧阶段加媒,容易获得高温下所需热量,[5]王磊,吴创之,陈平等.生物质气化焦油在高温为下一阶段生物质气化提供极好的气化条件,在温木炭床上的裂解试验研究[].可再生能源,00,123度1000℃,生物质在水蒸汽作用下,快速发生热解(5):30-34.气化,从而获得很好的气化性能。因此在我国富煤[5] Wang Lei, Wu Changzhi, Cheng ping,eal. Biomass g缺油少气的能源结构条件下,大力发展可再生能源ification tar destruction in a high temperatrue charcoal bed以解决经济发展与能源资源短缺的矛盾,化石燃料[J. Renewable Energy, 2005, 123(5): 30-34过度消耗对环境造成的影响。而且这种共气化技术6 Delgado, Amar M P, Corella J. Biomass gasification将使我国的煤炭资源得到更合理的利用。如对于无steam in fuidized bed effectiveness of cao, mgo and法单独气化的劣质煤,采用该技术将会改善煤的气for raw gas claning[J]. Ind Eng Chem Res, 1997, 36:1535-1543.化性质扩大煤的使用范围而生物质用此工艺生产[刀苏学泳王智徽程从明等.生物质在流化床中的热中热值燃气,由于工艺简单,运行成本低,为生物质解和气化研究[].燃料化学学报,200,28(4):298制气合成甲醇、二甲醚提取H创造了条件。因此生物质流化床水煤气炉的开发应用将使我国生物质[7] Su Xueyang, Wang Zhiwei, Cheng Congming,tl.气化技术提高到一个新的水平。on biomass pyrolysis and gasification in a fluidized bed[J]Joumal of Fuel Chemistry and Technology, 2000, 28(4)[参考文献]298-305[1]吴创之徐冰罗曾凡等.生物质中热值气化技术[8] herguido J,relJ, Gonzalez-Saiz J. Steam gasification of的分析及探讨[.煤气与热力,1995,15(2):8-14.lignocellulosic residues in a fuidized bed at small pilot scale[1] Wu Chuangzhi, Xu Bingyan, Luo Zengfan, et al. Analysis ofeffect of the type of feedstock[ J]. Ind Eng Chem Res, 199938:4226-4235biomass gasification for MHV fuel gas[J]. Coal Gas andHeating Power,1995,15(2):8-14.Gil J, Corella J, Azmar M P. et al. Biomass gasification in at-[2】吴创之,阴秀丽罗曾凡,等.生物质富氧气化特性的ospheric and bubbing fluidized bed: effect of the type of研究[J].太阳能学报,199,18(3):238-242.gasifying on the product distribution[ J]. Biomass and Bioen-2] Wu Chuanzhi, Yin Xiuli, Luo Zendfan, e al. The perforery,1999,mance study of biomass gasification with oxygenr-nich air[门.[10]王同章,王立群,一种水煤气气化方法及其装置[P]Z90105680.4]沈萍,陆豫,王孝英,等,水蒸汽围下甘蔗渣热[10 Wang Tongzhan.Wagm,Adw脚四a解气化条件的研究[J]可再生能源,2005,121(3):tion method and device[ P].Z9o1056804中国煤化工CNMHG3期王立群等:在流化床气化炉中生物质与煤共气化研究(Ⅱ)359DEVELOPMENT STUDY ON CO-GASIFICATION OF BIOMASSAND COAL IN FLUIDIZED BED GASIFIER(II-PRODUCING MEDIUM-HEATING VALUE FUELGAS WITH STEAM AS GASIFYING AGENTWang Liqun, Song Xu, Zhou Haosheng., Tang Heng, Wang tongzhan(1. Schod d energy and Power Engineering JIangsu Uniersity, Zhenjiang 212013,China2.University of Demark, Demark)Abstract: Experiments for producing medium-heating value fuel gas were performed in a 600 kW fluidized bed gasifierwhich ran under a two-step gasification process. In the experiments, steam was used as gasifying agent, and com coreand coal mixtures with different mass ratios were applied as fuel. To optimize the operation conditions, the effects of thebed temperature, the ratio of core/coal, and the S/B on the heating value, the yield, the compositions of the productgas,and the gasification efficiency were investigated. The experimented results indicated that the heating value of theproduct gas is 11-13MJ/m, the yield of the product gas is 1. 1-1.3m/kg, the gasification efficiency is 75%-80%when the bed temperature of the gasifier is 869, and the amount of the tar is less than 0. 9mg/m' in the product gasand the optimized ratio of com core/ coal is 80/20, and S/B is 0. 20. A comparison of the invented technique with the re-ported techniques was also presented. It is found that the new technique has advantages of producing product gas withhigher heating value and much less tar in the product gas, eteKeywords: fluidized bed; biomass; medium-heating value fuel gas; steam; cogasification中国煤化工CNMHG