气化炉中生物质-煤共同气化的模拟研究

16应用能源技术2009年第7期(总第139期)气化炉中生物质- -煤共同气化的模拟研究韩玉杰(青岛农业大学资源与环境学院,青岛266109)摘要:在气化炉 内采用煤粉和生物质共气化可解决生物质不易稳定流化和生成焦油两大难题,采用流程模拟软件PROI对炉内的气化过程进行了模拟计算,得到了汽氧比和氧碳比和.生物质/煤比对气化过程的影响。气化炉内优化的反应条件为:反应温度1350C,[H20]/[O2]=0.32,[0][C]= 1.06,气化得到的合成气的高位热值Q =7150kJ/Nm2' ,有效气产率为1.9Nnm'/kgo关键词:气化炉,共同气化,PROII中国分类号:TK229.92文献标识码:B文章编号 :1009 - 3230(2009)07 - 0016 - 03Preliminary Analysis of CO2 Emission Reduction in ChinaHAN Yu- jie .(Qingdao Agriculation University,Resource and Environment College, Qingdao 266109 , China)Abstract: Co- gasifcation of woody biomass and coal in entrained flow gasifer can improve the fluidiza-tion of biomnass and prohibit the production of tar. A comprehensive gasification model is developed for co- gasifcation of biomass and coal in an entrained flow gasifier using the PRO I simulator and the efect of[H20]/[O2] and [0]/[C] on the gasification condition is obtained. The optimized operation conditions ofthe gasifer were at the reacting temperature of 1350C，at [H,0]/[O2] of0.32 and [0]/[C] of1.05.Finally, the high calonific value of syngas is 7150kJ/Nm', and the yield of the efective syngas is1.59Nm /kg.Key words: gasifer; co- gaifcatin; PROII0引言1生物质一煤共气化气化炉的反应去除燃气中含有的焦油等污染物和如何改善机理气化炉内生物质的流化特性是生物质气化发电技在气化炉内，由于反应温度很高,生物质和煤术应用的两大难点。生物质容重小、灰分少、含固粉的受热速度极快,可以认为两种燃料发生快速定碳少,在其气化过程中不易形成稳定的料层;固的热分解脱除挥发分,生成半焦和气体产物。气定床和流化床气化炉内气化温度低于1000C,导体产物中的可燃成分(包括CO、H,、CH和其他碳致合成气中焦油含量较高,焦油的存在不仅降低氢化合物C.H,)在富含氧气的条件下,迅速与O2了气化炉气化效率,而且在低温下能凝结,堵塞输燃烧,放出的热量使粉煤和夹带它的气体温度急气管道,使气化设备运行困难。在气化炉内采用剧升高,维持了气化反应的进行。煤粉和生物质共气化,即可改善生物质的流化特半焦中的固定碳高温下同气化介质(O2和性和气化特性,也可有效去除焦油，提高碳转化H20)进行着气化反应:率,近几年得到了国内外的广泛关注1-51。C+02→CO2(1)本文借助于PROI流程模拟软件,对气化炉内的反应机理进行了研究，建立了生物质-煤共2C+ 02→2C0气化气化炉的计算模型,进行数值模拟计算,为试C+ H20->C0+ H(3)验研究提供理论基础和参考数据。另外,高温的半焦颗粒与反应生成气也存在气化反应:收璃日期: 209-05-019 修订稿日期: 2009-06-21C+ CO2 +2C0(4)作者简介:韩玉杰( 1980-).女.助教，毕业于中山大学环境C+ 2H,+CH4(5)科学专业,现在主要从事资源利用与污染控制方向的研究。气化反应生成的气体在高温条件下活性很2009年第7期(总第139期)应用能源技术I7强,在它们自身被生成的同时,相互之间也存在着整个气化流程主要包括产率反应器和平衡反可逆反应:应器两个模块。生物质和煤粉两种物料首先在产CO+ H0→CO2 +H .率反应器内被分解成碳.氢、氧、氮、硫等基本元2生物质一煤共气化气化炉的模型素。这些元素物流被送到平衡反应器内，与气化建立介质进行反应,通过最小Gibbs自由能原理获得生物质一煤共气化气化炉模型如图 1所示，反应设定温度 下气化产物的平衡组分。并作如下假设'6):0-DECOMP(1)整个反应系统处于稳定运行状态;(2)燃料中的H、0、N、S全部转化为气相,而C的转化率因条件的不同发生变化;DECOMP IN-CASIFY 》GASIFERRO-OAS(3)气化炉中燃料颗粒温度均匀,不存在温度梯度;A; QLOST(4)流程中物流的组成除气体成分外,还定义图1生物质煤共气化气化炉模块流程示意图了Coal 、Bionasss和Ash三种非常规组分;(5)燃料中的Ash为惰性物质,气化过程中不3生物质及煤粉组成参与反应;生物质取用木粉,通过粉碎机粉碎;煤粉也通过(6)气化炉中温度较高,所有气相反应很快达粉碎机粉碎, 两者的工业分析和元素分析见表l,由到化学平衡。元素分析可得木粉的化学表征式为CHsham.木粉和煤粉的工业分析和元素分析Mad%Aad% Vad% FCd%_C%H%_S%N%Qnet,v,ar(k/kg)木粉8.552.8175.1913.4548.476.1943.840.560.9417870煤粉2.3020.48 29.3547.8781.835.4110.321.011.4324690木粉进料量为90kg/h,煤粉进料为60kg/h,气4.1不同汽氧比对干基 气化合成气组分含量和化剂选用空气，空气被预热,气化炉中气化压力为气化温度的影响0.5MPa。干基产出燃气的高位热值Q。(kJ/m2' )定从图2中看到:随着汽氧比值的增大,气化温义为:度降低,这是因为水分进人气化炉要消耗气化潜Q。= 100x (CO% x 12.64+H2%x12.74+热,平衡气化合 成气的组成向CO2增加的方向进CH % x39.82)行,H2含量单调增高,C0含量单调降低，合成气式中，C0%，H%，CH.%-分别为干基燃气有效组成(H2 + C0)含量降低。中CO,H2和CH4的体积分数。4模拟结果及讨论汽氧比、氧碳比和生物质/煤比是影响气化炉气化性能的主要参数，分别以[H2O][Q,]和[0]/-co,.1∞0[C]表示,定义式如下:[H20][O2]= ;Cm(/hm");G.g(c0212+2[or(C]-2.4(nmn/m);08122式中:图2 [H20][02 ]对燃气成分摩尔分敷和气化温度的影响G.a一空气中氧气的体积流量,Nm/h;4.2不同汽氧比对气化合 成气高位热值和蒸汽Gu一生物质的质量流量, kg/h;分解率的影响Mo.w -生物质中氧元素的湿基含量, %;从图3中可以看到,随着汽氧比的增高,气化G煤粉的质量流量, kg/h;合成气的热值单调减小，蒸汽分解率单调增大,但Mo.n-煤粉中 氧元素的湿基含量，%。增大的速率逐渐减小。在汽氧比增大到1.4g/N/m’18应用能源技术2009年第7期(总第139期)时,蒸汽分解率开始由负值变为正值。这说明,在值为7150kJ/Nm'。较低的汽氧比条件下,由于气化温度较高,抑制了反应(1.3)和(1.6)的进行,导致煤中的氢与CO2反应生成了C0和H,0,使蒸汽分解率出现负值。由于气化炉中干法进料时一般是液态排渣,气化-反应温度600 P操作温度较高。因此在气化过程中,蒸汽的加入量主要用于调节气化操作温度,蒸汽加入量过多反而造成蒸汽浪费。一的心商位热值201/I, mol/mal图5 [0][C]对气化合成气高位热值的影响5结论本文通过PROII软件,对气化炉内生物质一煤共同气化过程进行了模拟计算得到如下结论:(1)随着汽氧比值的增大,气化炉内的反应温106。度降低合成气有效组成(H + C0)含量降低,气(H0/IO1 lw/emn’化合成气的热值单调减小，蒸汽分解率单调增大。图3 [H0]/[O2 ]对气化合成气高位热值和蒸汽分解率的影响蒸汽的加入主要是调节气化操作温度和满足气化4.3不同氧碳比对气化合 成气组分含量和气化需求,蒸汽加入量过多反而造成蒸汽浪费。温度的影响(2)随着氧碳比的增加，气化温度单调增大，从图4中可以看到，随着氧碳比的增加，气化在氧碳比达到0.92左右,冷煤气效率可达最大值温度单调增大，这是因为,在进料量不变的条件97.9% ,碳转化率也可达99% ,当气化温度达到下,氧碳比增加意味着氧气量增加,更多的碳燃烧1350 C时,进料的最佳氧碳比约为1.05,此时合生成CO2释放热量,是导致温度升高的主要原.成气的高位热值为7150kJ/Nm'。因。N2的含量迅速增大，H的含量迅速下降,(3)随着氧碳比的增加,气化温度单调增大，CH4的含量单调下降,在氧碳比增大为1时,CHN2的含量迅速增大，H的含量迅速下降,CH4的的含量接近于零,CO的含量先增加后降低,CO2含量单调下降,在氧碳比增大为1时,CH的含量的含量先降低后增加,这都是由于氧碳比的增加接近于零,Co的含量先增加后降低,CO2的含量即氧气量增加使炉内反应进行更加完整的原因。先降低后增加。参考文献[1] Deng KY. 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Bio-料的最佳氧碳比约为1.05, 此时合成气的高位热mas and Bioenergy, 2008,32(12):1245- 1254.