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 SINICAFeb,,2008文章编号:0254006(2008)02-04606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1,张俊如3,朱华东3,周浩生12,宋旭,王同章1(1.江苏大学能源与动力工程学院镇江22013;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6kW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8/19时的典型实验结果表明:气化炉工作温度86℃,空气当量比ER=0.21,S/B=0.20时气体产率19%m3/kg,燃气热值64M/m3,气化效率71.3%,燃气中焦油含量小于I0mg/m3,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:A0引言不仅可以改善流化特性,而且能改善气化特性。共气化实验表明,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一定惰性粒子(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46。试验研究结果能方面许多互补性,如生物质热值较低(约为煤的6%),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270m,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100℃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700~750℃,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一小部分自用外,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中国煤化工收稿日期:20060724CNMHG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。twq00@yahoo.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板送人炉内,由余热锅炉(3)来的水蒸汽经喷嘴送入燃气焦油含量、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、水蒸汽发生部分燃烧和热解气化反应2运行结果与分析C+O2+376N2→2CO0+376N2+Q(1)21数据测取与处理方法C+H2O→C0+H2-Q每一工况均需生物质流化床气化炉稳定运行4h后,进行数据测取。考虑到在现有条件下,不可生物质(CH14O06)→可燃气体(CO,H2,CHCO2等)+焦油和水蒸汽+炭能准确直接测定出总的固体物料分布,因为飞灰、灰分和残渣混在系统中,也不可能准确测定焦油总量。生物质与煤共气化这3种反应可在较高的温度在这种条件下,整个物料平衡也难以实现。然而,产下保持热平衡,从而可获得热值较高、产气率高焦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GB120890取尘进入储灰箱(8),初除尘的燃气进入余热锅炉(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300℃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,经水封槽进入储气柜(5),供用户使用。余热锅炉产生05MPa的袭进行评价气化炉的平均温度T为汽,除一部分生产自用外其余外供。软水T1+T2+73(1)干基产出气低热值(LHV),Q(k/m3)Q=4.18(2580×H2%+30.19×C0%+8527×CH%+141.14×C2H4%)(2)其中:H2%,C0%,CH%,CH%(m%)—气体组成百分数。气量(m3h)V1生物质流化床气化炉2高温旋风分离器3.余热锅炉4洗涤塔5储气柜幻沉淀水池:7罗茨风机8储灰料量(kg/h)箱,9带螺旋加料机的煤仓;10带蝶旋加料机的生物其中,Y——气体产率,m3/kg;M—一加料量,kgh;质仓;11风室;2布风板;13蒸气喷嘴V—干产气量,mh图1生物质流化床气化炉工艺流程图气化效率7,为:Fig. I The process flow of the gasifierrQof fluidized bed of bioma7,=31Q1+S:Q1,%实验研究分两个阶段。第一阶段调整优化运其中:S1、S2—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下运行进行实验确定出生物质煤不同比例下,气例:Q生)、Q1)—生物质和煤的低热值。蒸汽分化炉的产气量产气率、燃气热值和气化效率的变化解率SD(%)为:规律为共气化流化床气化炉的运行操作提供依据。SD=2xCH%+B%+2x%)x第二阶段是对玉米芯/煤的比例为80/20时的典型运的可靠性。前者是研究者根据现场条件检测(空气、8224%×0行工况进行全面检验,以验证该气化炉的运行结果中国煤化工—气体组成的量用玻璃转子流量计水蒸汽量用冷凝法,燃气量用百分数水蒸汽量CNMHG气柜计量燃气成分用奥式分析仪等)。第二阶段请kgh;W心小墨,。山。碳转化率v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V(CH %+C0%+C0, %+2.5x C, H %)x 12表1玉米芯和煤的工业分析和元素分析22.4xTable 1 The proximate and ultimate analysisof corn core and coal其中:X——混合料中灰含量,%;C%—一混合料生物质中固定炭含量。名22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。7692生物质和煤的不同比例下的流态化特性以确定气化炉适宜的操作速度,见图362.31H-/%4.91N/%0.851.0237.72生物质P/%0.294热值Q/kkg123120给料机转速rl00/min23典型运行结果图2生物质和煤的进料量与给料机转速的关系进料量:玉米芯1353kg/h,煤32kg/hFig. 2 The connection between the qualities进气量:空气量200m3/h,蒸汽量35kg/hof biomass/coal fixtures and the rotate speed of the feeder气化炉工作温度:T1=873.5℃,72=861.6℃一料层高度200mT3=8534℃,T。=869℃蒸气产量:105kg/hN1400燃气产量:32712m3/h气体产率:1.96m3蒸气分解率:92%碳转化率88%空气量/m3h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:20934kg/m3hFig 3 Fluidization properties when the ratio燃气成分与热值见表2。表2燃气成分与热值2)气化原料特性Table 2 The composition 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/%Q/焦油含量米芯的粒度0~10m;煤的粒度0~6mm[CO][C][O][CoJ[CH][H]IN] J."m-33)进料量总进料量150~180kg;1222.00.916.24812.651.36393.8<10生物质煤按1000、80/20、60/40、20800/100624结果与讨论个量依次进行调节。24.1气化温度4)进气量ER气化温度是影响气化炉的气化效率燃气中焦ER在02~03进行相应的调节,图4~图7数油共和判甲行且五正世的关键参数。所以对沿中国煤化工据是在进气量为200m/h实验条件下测取的。着段一当的控制在设计阶CNMHG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O2很快消尽,流化床上部的稀相区一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炉必不可少的气化区域。为此,沿着气化炉高度安装5000装3根热电偶。由T、T2和T3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(如生物质煤的比值,空气量蒸汽量和给料量)。如对任何物0/8040/6060/4080/20100/0料仅通空气而不通水蒸汽时,T1温度很快从850℃生物质/煤升至1000℃,其间温度分布呈现T>T2>T3的规律;若当运行转变到空气水蒸汽混合气化正常运行图5生物质/煤的比值对燃气热值的影响时温度分布呈现T2>T1>T3或T1>T2>T3的规Fig. 5 The influence to the heat value ofthe product gas by the ratios of the biomass/coal律,前者可能与生物质比例较少有关,而后者恰好相反。当温度分布的次序为T3>T2>T1时,此时通常发生了不正常状况。这将导致通过流化床层的氧气过量或超量。当流化床表观速度大于1m/s时,床层波动较大,很难精确控制运行温度,一般使用T1T2、T的平均值T学,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化流化床的温度线图。在共气化中气化温度7随20/8040/6060/4080/20100/0生物质在混合物的比例增大而下降。一般混合物共生物质/煤气化T取值在850~920℃之间。图6生物质煤的比值与气体产率的关系Fig. 6 The influence to the yield of theproduct gas by the ratios of the biomass/coal煤比例的关系。随着生物质在混合物料中比例的增加,气体产率明显提高。如玉米芯/煤的比率从40/60增加到80/20时,气体产率从1.4m3/kg增加到1.9m/kgo244气化效率20/8040/6060/4080/20100/0生物质/煤图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况的影响,使混合物料比例与总气化效率之间很难of the huidized bed by the ratios of the biomasa/ coal找到一个线性关系。当固定气化温度时总气化效率242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850℃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8020时,产品气低热值最大值可达7100kJ/m3。和煤艹气化的日的,生物居在混合物料中的比例不243气体产率易大中国煤化工图6表示每千克混合物料的气体产率与玉米芯CNMHG太阳能学报29卷[参考文献][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,2004,224):4-5.[1] Qin Yuyu, Feng Jie, Li Wenying, et al.Discussionson theeffect of operating conditions on biomass gasification fluid-ized bed reactor[ J]. Energy Conservation Technology, 200422(4):4-520/8040/6060/4080/20100/0生物质/煤[2]郭庆杰张锴,刘振字等.生物质的流化床转化[J].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. Conversion ofFig. 7 The influence to the gasificationbiomass in the fluidized bed[ J]. Coal Conversion, 1998, 23cy by the ratios of the biomass/co(3):35-324.5燃气中焦油含量[3]徐茂蓉,严建华,蒋旭光。替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200,(5):45-51。本技术采用生物质与煤共气化,由于煤的热3]XMmo, Yan Jianhu, iang Xuguang. Co-combustion值高,气化炉的反应温度可达1000℃以上。在生物Cato质煤混合比例为8020,气化温度(T。)为870时prospects[ J]. Energy and Environment, 2004, (5):45燃气经一次喷淋洗涤后,焦油含量少于I0 )mg/m而[4]PmYc,Bax,vE,el. Removal of tar by secondary air in fluidized bed gasification of residual biomass and质与煤在流化床中共气化,由于易形成高温炭层,加calJ.Foel,199,78:103-1709之空气中加入适量水蒸汽将有效促进焦油分解,因[5] PanG,veoE, Roca x,etal. Fluidized-bed co-gasifica此是解决生物质气化燃气焦油含量高的有效方法。tion of residual biomass/ poor coal blends for fuel gas productin[J].Fe,200,79:1317-13263结论[6]Collot A G, Zhuo Y, Dugwell D R, et al. Co-pyrolysis and本次实验表明:在玉米芯煤的比例为100~gasification of coal and biomass in bench-scale fixed bed and80/20时,空气当量比在02~0.3范围内,S/B值在fluidized bed reactors[J]. Fuel, 1999, 78: 667-6790.2~0.3范围内进行调整,使气化炉的工作温度在[7]王磊吴创之陈平,等.生物质气化焦油在高温木炭床上的裂解试验研究[J].可再生能源,2005,123850~950℃运行时可得到气化结果为:燃气热值5(5):30-347.0M/m3燃气产率17-20m/kg、气化效率[7] Wang lei, Wu Chuangzhi,amh,td,Bmp70%-75%,副产蒸汽10kgh焦油含量少于1Omgcation tar destruction in a high temperature charcoal bed[J]m3。燃气洗涤水生化需氧量184~48.0mg/L、化学Renewable Energy, 2005, 123(5): 30-34需氧量98~185mgL氨氮3.29~84mg/L[8] Delgado J, Amar M P, Corella J. Biomass gasification withsteam in fluidized bed effectiveness of Cao, MgO and Ca0-MgO for raw gas claning[ J]. Ind Eng Chem Res, 1997, 361535-1543.中国煤化工CNMHG2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)STUDY ON CO-GASIFICATION OF BIOMASS ANDCOAL IN FLUIDIZED BED GASIFIER (I)-PRODUCING LOW CALORIE VALUE GASWITH AIR-STEAM AS GASIFYING AGENTWang Liqun, Zhang Junru, Zhu Huadong, Zhou Haosheng", Song Xu, Wang tongzhang1. Scood df Energy and Power Engineering Jiangsu Uniersity, Zhenyiang 212013, China; 2. Department of Chemical Engineering TechnicalUniuersity f Demark, Derumark: 3. Tianiin Huaneng Group Energy Resorces Equipment Co, Ltd, Tiaryin 301900, China)Abstract A study that different ratios of biomass/coal fixtures gasified in a demonstrated fluidized bed gasifier of 600kWused air-steam as gasifying agent was introduced in the paper. Under the testing conditions, the important effect of differ-ent ratios of biomass/coal on the temperature of the gasifier, the heat value and the yield of the product gas, and the gas-ification efficiency 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 6.4MI/m, and the gasification efficiency is 71.3% and the tar quality of is less than10mg/m, when the temperature of the gasifier is 869C, ER is 0. 21, S/B is 0. 20, through continuous operation, thgasifier operates steady and wellKeywords: biomass; fluidized bed; co-gasification; air-steam中国煤化工CNMHG