气化剂参数对流化床生物质气化指标影响的模型研究

第46卷第4期生物质化学工程Vol 46 No 42012年7月Biomass Chemical EngineeringJuly 2012研究报告—一生物质能源气化剂参数对流化床生物质气化指标影晌的模型研究徐红东,门长贵,贺根良,林益安(西北化工研究院,陕西西安710054)摘要:以典型生物质资源麦秆为原料,采用流化床气化方法,通过建立热力学平衡模型,计算并分析气化剂参数对气化指标的影响,理论优化了以蒸汽+空气为气化剂时的气化指标,得出了空气中氧气浓度的增加能够显著提高气化指标,降低消耗;气化剂预热溫度的増加可以増加气化炉操作度,降低气化过程无用的热负荷,降低消耗;空气中氧气浓度和蒸汽/空气质量比与气化反应温度近似成线性关系,即氧气浓度增加,气化炉温度増加,蒸汽/空气质量比增加,气化炉溫度降低;蒸汽/空气质量比能够调节气化炉反应温度和气体纽成,当该值在0.05时,气化温度为1270K,合成气中CO+H2+CH4体积分数为25.7%,气化指标较好。关键词:生物质;气化剂;流化床;气化中图分类号:TQ351;TQ91文献标识码:A文章编号:1673-5854(2012)04-0032-05Model Investigation on Effects of Characteristics of Gasifying Agent onBiomass Gasification ProcessXU Hong-dong, MEN Chang-gui, HE Gen-liang, LIN YiNorthwest Research Institute of Chemical Industry, Xi'an 710054, China)Abstract: In this paper, the fluid-bed gasification technology is adapted to the conversion of biomass into energy. The gasifyingagents characteristics have an important impact on gasification process and the products. A thermodynamics equilibrium modelwas built to predict the gasification results with typical biomass resource i. e. straw, as raw material. By analyzing the key factorsin gasification, an optimization gasification results with the agent of steam and air was drawn. It was found that the steam/ air is0. 05 and the temperature was 1 270 K, effective gas component(CO, H, CH )can reach 25. 7%Key words: biomass; gasifying agent fluid-bed; gasification生物质资源在我国能源结构中占有较为重要的地位,而流化床气化是比较适合生物质能源转化的技术之一。在流化床生物质气化过程中,气化剂成分及相互间比例、气化剂温度等特性对流化床的床层稳定性、气化强度、原料消耗、有效气体成分等有很大的影响。流化床生物质气化工艺根据气化剂的不同,大体上可分为空气气化、富氧气化、纯氧气化。为了调节炉温、提高气化效率、提高氢气分率,在气化过程中会适当添加部分蒸汽,满足特定用途时对合成气的要求。本文作者以空气气化和富氧气化为例通过建立热力学平衡模型,得出了典型的生物质气化技术指标。同时根据灵敏度分析,得出了气化剂温度、气化剂配比对合成气组成、气化温度的影响趋势,为流化床生物质气化工艺研究、设计提供了部分依据。1基础数据以典型生物质资源麦秆为原料根据参考文献[]中例举的部分数据通过归纳整理后,其工业分中国煤化工CNMHG收稿日期:2011-06-03作者简介:徐红东(1980-),男,宁夏中卫人,学士从事燃料气化相关研究设计工作;联系电话:13402977059;Emal:hdxu-100@163. com第4期徐虹东,等:气化剂参数对流化床生物质气化指标影响的模型研究析和元素分析数据见表1。其中,工业分析为空表1麦秆工业分析和元素分析气干燥基质量(%),元素分析为干燥无灰基质量Table 1 Proximate and ultimate analysis of straw分数(%)项目成分质量分数/%表1分析数据表明:麦秆中水分含量较低,灰component水分 moisture分含量适中,挥发分含量高,固定碳含量低,说明工业分的◇挥发分 volatile67.27其反应活性较好。元素含量中,氢、氧含量高,硫 proximate固定碳 fixed carbon含量低,与挥发分含量高相对应。发热量相对化灰分ash8.54石燃料偏低,其空气于燥基低位发热量只有18089MJ/kg元素分析cHoNs0.672气化模型2.1热力学模型建立采用热力学平衡模型为计算依据。气化反应过程为:气化剂自炉底气流分布装置进入气化炉,将粉碎后由另一管路进入气化炉的麦秆充分流化。在800℃、0.05MPa的条件下,麦秆快速经历升温、脱水、脱挥发分、热解、残焦形成,热解气及热解过程产生的微量焦油残焦与气化剂中的氧气、水蒸气在高温下进一步发生氧化还原反应,产生以CO、H2、CO2、CH4为主的合成气。整个过程反应式概括如下:根据物料平衡热量平衡化学反应平衡可以列出如下等式dCH4+eN2+/H2S+gH2OCH,O,S,+u(002+(1-D)N2)+hH,0=aC02+bC0+cH2碳平衡:1=a+b+d氧平衡:y+2u+k=2a+b+g氢平衡:x+2k=2c+4d+2f+2g(3)氮平衡:u(1-)=e硫平衡:z=f(5)变换反应:CO+H2O←→CO2+H2平衡常数:k1a xcPo×PH20b×g(6)甲烷化反应:C+2H2→→CH4平衡常数:k2=dx(a+b+c+d+e+f+g)(7)(Pt2)式(6)、(7)中k1、k2是气化反应温度的函数,根据下式(8)、(9)计算而得。7082.8487.466×102.164×106.567lnT0.701×10262r+32541)(8)P+1.86lnT-2.7×10‘7、5820018.007)5870.53(9)热量平衡:△Hn(T)=△H(Tn)+∑nCdT(10)考虑热损失的前提下,系统处于绝热条件,即△H(T)=△Hn(Tn)+∑ n, C, dT=0,参比温度下反应热由物质燃烧热确定,其中△H1是反应热,Cn是i物质的比热中国煤化工2.2模型计算CNMHG模型计算采用迭代求解未知数,已知x√y、z、U,加入水蒸气量k由u确定,通过迭代计算求d、e、f、g生物质化学工程第46卷输入基本参数:x设定气化温度T,假定u由(8)、(9)求k1、k2求a、b、c、d、e、∫、求进、出热量Q进、QQ进一Q出<001Q进输出:a、b、cg结束图1热力学模型计算流程图Fig. 1 Flowsheet of thermodynamic model如图1所示。首先输入基本参数x、y、x、U、u、T,由反应温度T根据式(8)、(9)计算平衡常数k1、k2。确定k、后根据式(1)~(7)联立求解未知数a~g,并据此计算气化炉进、出热量值Q进和Q出。若Q>Q出或者Q进-Q出<0.01Q不成立,则为u赋予新值uw,循环计算a~g,直至方程式Q>Q曲和Q进-Q出<0.01Q进同时满足,输出a、b、c、d、e、f、g、u。模拟结果分析及优化3.1典型气化指标以表1所列麦秆工业分析和元素分析数据为基准,设定麦秆入炉流量为100kg/h、气化温度为表2出气化炉气体典型气化指标800℃、蒸汽/空气质量比为0.06,根据建立的模Table 2 Typical gasification index型计算,则所需要的参与反应的空气量为组分体积流量/(Nm3h-1)体积分数/%159.25Nm3/h,需要的蒸汽量为12.45kg/h,其典型气化指标如表2所示。从表2数据可以看出,出气化炉气体成分中13.57CO+H2+CH4约占总体积的29%以上。由于空气中带人的大量氮气,燃气中N2的体积占总气体N2126.3055.28体积的一半以上。尽管如此,燃气的低位发热量H2s0.0仍达到234092kJ/Nm3,完全可作为工业及民用燃气原料使用。3.2气化剂参数优化分析3.2.1气化剂中氧气浓度对气化的影响由于气化剂中氧气中国煤化工看出:气体中N2含量过高影响气化指标和燃气特性而降低入气化炉N2量是YHCNMH③措施。通过设定不同氧气浓度,在入气化炉气化剂总量不变的前提下,随着氧气浓度的增加,合成气成分发生如下图2所示的明显变化。即N2的量显著降低,CH4因氧气浓度增加导致气化温度增加而逐渐降低,合成气第4期徐虹东,等:气化剂参数对流化床生物质气化指标影响的模型研究中H2与CO含量有不同程度的增加,而CO2和H2O含量也有所增加。图3是氧气浓度与气化温度的关系。从图中可以看出,氧气浓度几乎与气化温度成正比例线性关系。当氧气浓度由20%增加至60%时,气化反应温度从1048K增加至1309K。显然是由于氧气量增加,增加了气化过程的热效率、气化炉内的热负荷及气化炉的温度,并相应使氮气量减小,而氮气通常作为热量的带走者几乎不参与有效的气化反应。1200110025303540455氧气体积分数%氧气体积分数/%xNz:-0-CH;-△-H2O;图2氧气浓度与粗煤气组成的关系图3氧气浓度与气化温度的关系Fig 2 Relationship of oxygen concentration andFig 3 Relationship of oxygen concentration andraw gas component综上所述,增加气化剂中氧气浓度能够提高气化炉操作温度,增加气化反应合成气中的有效成分提高气化效率。即随着氧气浓度的增加,在流化床气化反应炉操作温度稳定的情况下,生产单位有效气体量所需要的空气量显著减小,带入气化炉的氮气量减小。因此,在有条件的前提下,生物质流化床气化应尽可能采用高浓度氧气气化,降低合成气中氮气的含量,提高气化效率。度之间的关系。随着空气预热温度的增加气化温度也随之增的B3.22空气预热温度对气化的影响气化剂温度对气化过程14有较强的影响。以空气气化为例,图4是空气预热温度与气化温加。这是因气化反应温度要远高于空气温度,将常温空气加热120至气化反应温度需要消耗大量的热能,而提高空气预热温度则能有效降低空气在气化炉内外的温差,降低加热空气所需热量消耗,增加气化炉的反应温度。3.2.3蒸汽/空气质量比对气化的影响气化反应中,加入蒸空气预热温度K汽主要用于控制反应温度并通过变换反应提供部分H2,减少C0图4空气预热温度与气化温度的关系的量,因此蒸汽/空气质量比对气化反应温度和气化指标有较大rg4 Relationship of gasification agent的影响。通过计算,得出了如图5所示的蒸汽/空气质量比与气temperature and gasification tem体组成之间的关系。随着蒸汽/空气质量比从0增加至0.1,H2体积分数从9%增加到13%,CO体积分数从17%降低至8%,CO2体积分数增加,N2体积分数减小,气化炉温度有所降低,CH体积分数因炉温的降低有所增加。总体而言,随着蒸汽空气比增加,气化效率总体呈微弱减小的趋势。图6显示随着蒸汽/空气质量比的增加气化温度接近线性变官临萨蒸汽/空气质量比由0增加到0.1,气化温度从1600K减至1000K,气化反应汽/空气质量CNMH比对气体组成和气化温度的影响,在保证气化温度稳定的前提下,能怀权空气质量比,以所用麦秆原料为例,最佳的蒸汽/空气比为0.05左右,此时气化炉操作温度1270K,合成气中CO+H2+CH4体积分数为25.7%,指标较好。生物质化学工程第46卷1500碎址了1200020080.1900020040060080蒸汽/空气质量比蒸汽/空气质量比一CO2;一米一H2O,-O-CH4图5蒸汽/空气质量比与气体组成之间的关系图6蒸汽/空气质量比与气化温度之间的关系Fig 5 Relationship of steam/ air and raw gasFig 6 Relationship of steam air and gasification3.3模型验证气化指标理论计算在已知原料特性、假定表3模型计算与试验数据比较部分气化操作条件的前提下,根据工艺过程、物Table 3 comparison of model and test data料平衡热量平衡、热力学平衡建立相应的模出气化妒气体组分气体体积分数 volume fraction%型,采用一定的数学计算方法获取数据的一种模型计算值试验数据model dataest data方式,数据的准确性需要试验检验。本研究采用秸秆为原料,其模拟计算结果和前人试验数13.5717.6据对比如下通过对计算数据和试验数据对比,可以看55.2856.74出除甲烷含量有所偏差外,其它组分理论计算2S0.02值与试验测试取得的数据基本接近。甲烷含量偏差较大主要是试验试烧时气化炉内局部操作温度相对较髙,甲烷化反应在髙温下平衡向吸收热量的方向偏移,从而造成理论计算甲烷含量较试验值较髙。4结论以典型生物质资源麦秆为原料,采用流化床气体方法,通过建立热力学平衡模型,分析计算了气化剂参数对气化指标的影响得出如下结论。4.1空气中氧气浓度的增加能够显著提高气化指标,降低消耗4.2气化剂预热温度的增加可以增加气化炉操作温度,降低气化过程无用的热负荷,降低消耗。4.3空气中氧气浓度和蒸汽/空气质量比与气化反应温度近似成线性关系,即氧气浓度增加,气化炉温度增加,蒸汽/空气质量比增加,气化炉温度降低。44蒸汽/空气质量比能够调节气化炉反应温度和气体组成,当该值在0.05的时候,气化温度为1270K,合成气中CO+H2+CH4体积分数为25.7%,气化指标较好。参考文献:[1马隆龙,吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2003[2]陈仲秀,顾飞燕,胡望明化工热力学[M].北京:化学工业出版社,200[3]钟秦俞马宏.化工数值计算[M].北京:化学工业出版社,2003中国煤化工CNMHG