喷射气化炉氧气气化甘蔗渣黑液的研究

研究论文]●黑液气化●喷射气化炉氧气气化甘蔗渣黑液的研究农光再李许生王双飞(广西大学轻工与食品T程学院，广西南宁，530004)摘蔞:以工业氧气为气化剂，以喷射气化炉为反应设备.进行甘蔗濟黑液气化研究。气化试验的设备包括喷射气化炉、喷射枪.黑液输送系统、氧气预热系统和燃气收集系统。试验结果表明:预热温度到s00C以上，点火均取得成功，氧气与黑液比率为(质址) 0.4~ 0.6,黑液浓度70%，黑液流址30 kgh时，碳转化率为89.7% ~91.0%，产气率为0.96- 1.07 m'/kg.气化气热效率为74.7% ~ 49.8%，炉温在作者简介:农再光先生，820~ 1350C范围内变化。在读博士研究生;主要研关键词:甘蔗渣;黑液;气化;回收:氧气;气化妒究造纸黑液的处理和应中團分类号: X793文献标识码: A文章编号: 0254-5082200811-0037-03月。Gasification of Bagasse Pulping Black Liquor with Oxygen- eject GasiferNONG Guang-zai LI Xu-sheng WANG Shuang-fei( Institute of Light Industry and Food Engineering, Gunangxi University, Narning, Guangxi Zhuang Autonomous Region, 5000)(◆Email: wangsf@gxu.edu.cn)Abstract: Gasification of black liquor with oxygen is one of the important methods to improve the energy eficiency and reduce the pollutants inpulp mill, and is the fundamental technology to convert black liquor into automotive fuels, such as dimethyl ether or ethanol. In this work, a pilottrial of bagasse pulping black Liquor gasification with oxygen-eject gasifier was caried out. The equipments were mainly comprised of an oxygen-eject gasifier, an atomising inallatin, an oxygen preheating system, a black liquor feding system and a gas clletion system. The experimentresults showed that: (1) The black liquor can be ignited scssully with oxygen cjection when the temperature of gasifer was preheated to(orabove) 500C. (2) While the mass ratio of oxygen and black liquor is 0.5, and the flow of black liquor is 30 kg/h, the gas compositionis (v%):CO: 23, CO: 37.2, H: 388, CH: 0.53,. HS: 0.67, CH&: 0.3; Carbon conversion rate is 90.0%; the thermal eficiency of the gas is 62.5%;operating temperature is 1200 ~ 1250C.Key words: bagasse; black liquor; gasification; recovery; oxygen; gasifier黑液气化向收技术是近20年发展的高效率能量1试验回收技术，该技术把高效的燃气蒸汽联合循环发电系l.1 原料与试剂统与洁净的黑液气化技术结合起来，具有高效热能利用效率和发电效率，又具有很好的环保性能2]。采用(1)甘蔗渣黑液氧气气化造纸黑液，得到的燃气热值较高，能提高联取自广西南糖股份有限公司, 28 °Be'。元素组合气化发电系统的发电效率134,同时，这种燃气比较成(质量分数)为C: 36.8%; H: 3.8%; 0: 36.4%;容易净化，能进-步生产甲醇、二甲醚和氢气等内燃N: 0.45%; S: 0.99%; Na: 18%; Cl: 3.41%; 其机燃油15-6]和燃料电池燃料(7-8]。可见，氧气气化黑液他: 0.59%。是提高黑液热能利用效率的有效办法，是将黑液转化(2)试剂为内燃机燃油和燃料电池燃料的基础技术。本试验在中国煤化工硝酸、氧化钙、甲醛、氧气，97.5% (I借鉴Texaco水煤浆煤气化工艺的基础上，采用常乐氧MYHCNMHG'气气化工艺，以氧气为气化剂，以喷射气化炉为反应设备，进行甘蔗渣黑液气化研究。收稿日期: 208-07-23修改稿)《中国造纸》2008 年第27卷第II期.●37.研究论文业用)。电热保温层1.2 主要仪器和设备喷射黑液气化试验的设备包括.7个系统:①气流床(喷射)气化流量表国(碘射枪炉;②黑液喷射枪;③黑液的输送和计量系统;④氧气的计量和预热系统;⑤燃气收集系统;⑥气家气开果液化炉炉温探测系统(为探温电偶);⑦黑液气体分析仪器(为气相色谱仪)。图I为气流床黑液气化试验装置图，图2为黑液气化炉炉体及附带设备。图1气流床黑液气化试验装置图图2黑液 气化炉炉体及附带设备1.2.1喷射枪黑液氧气喷射燃烧枪属于黑液2.2 气化气的冷却、收集和处理气流床(喷射)气化装置的核心设备18.9]。喷射枪为加气化气首先进入冷却管，与循环冷凝水发生热有隔热层的三流式喷枪。烧嘴的耐受温度为1200C,交换，使温度下降到低于100C，此时，气化气中的采用碳素钢材料;非烧嘴部分耐受温度为800心，采水蒸气冷凝成热水， 进入水气分离器。在水气分离器用普通钢材料。烧嘴部分采用普通钢焊条焊接，非烧内，热水存积在分离器底部，气化气沿着管道向上流嘴部分采用铜焊条焊接，喷射枪实物照片见图3。动，取样后,被送入尾气焚烧炉进行焚烧处理。2.3气化气和灰分的成分 分析采用气相色谱分析121气化气样品，采用ABC分析法分析灰分的溶水部分(主要成分是Na20(NaOH)Na2CO3、Na2S);采用元素分析仪分析不溶水灰分(主要成分是硅酸盐和炭)的含碳量鬥。2.4数据的处理 .图3具有隔热层的喷射枪的实物照片(1)气化气高热值2]1HHV = (Xcox 3018 + Xx, x 3052 + Xc;H x 9500+1.2.2黑液气化炉Xc;n,x 16820) x 0.01 x 4.1868气化炉是黑液气化的核心设备，由燃烧室和补充式中，HHV为气化气高热值(kJ/m), Xco、反应室构成。气化炉的主体由耐火砖和耐高温混凝土X、XcH.、Xcx分别为气化气中CO、H、CH4和构成18-10],气化炉的总高度为2460 mm,炉体外径为CH4的体积分数。950 mm,燃烧室和补充反应室的内径为500 mm,燃(2)碳的转化率烧室高1700 mm,补充反应室高350 mm。黑液气化炉碳的转化率是衡量黑液在气化过程中的转化程以镁砖为主要材料，以耐高温水泥为黏结材料，以纤度。气化过程中，黑液中的碳元素转变为燃气中的维毯作为外层保温材料1"。co. CO2、CH,和其他碳氢化合物141,未转化的碳元素以碳酸钠或者其他形式存留在灰分中。因此，碳2试验方法的转化率可以按下式计算I9。2.1气化炉预热和黑液点火燃烧用煤气与氧气混合燃烧预热气化炉，分别预热到碳转化率=转化碳量黑液的含碳量500C、600心、700C、800C，在不停止供给煤气的情况下，由顶部喷人雾化黑液和经过预热的氧气，使.中国煤化工:碳量-灰分含碳量。0HCNMHG黑液燃烧。[5)广飞年China Pulp & Paper Vol.27 No.11, 2008研究论文]产气率，即每千克干燥黑液所产生的干燥气化气表1 氧气和黑液比率对试验结果的影响体积(m/kg)%",用Y表示: .氧气与黑液气化气成分(体积分数)%热值炉温 燃气效y= .干气化气体积质量比cO CO2 H2 CH4 HS CH。/MJm°心率/%干燥黑液的质量0.426.729.8 42.0 0.60 0.63 0.27 9338.9 820 74.70.521.8 37.9 38.8 0.53 0.67 0.3 8314.8 1210 62.5由碳平衡原理，经计算演变得:0.614.8 48.5 35.2 0.51 0.71 0.21 6937.4 1350 49.822.4x C% x碳的转化率12x(&co+Xco,+Xcn,+2Xc;)参考文献式中，C%为干燥黑液含碳质量分数。由于气化[1] Joelsson J M, Gustavsson L. Co2 emission and oil use reductionhrough black liquor gasification and energy eficiency in pulp and paper气的成分较多，为了简便，把含量很小的所有组分集industy[J. Resoures, Consevation and Recyele, 2008, 52(5): 747合看作乙烷组分。[2] Berglin N, Berntsson T. CHP in the pulp industry using black(4)气化气的热效率9-2)liquor gasification: thermodynamic analysis []. Aplied Thermal气化气的热效率，是气化气所含有热量占黑液含Eninering, 1998, 1811): 947有热量总值的百分率，用X表示。3] Lorson H, et al. Black liquor recovery bygicaiono[J. TppiJ, 1997, 80(12): I11_1kg 干燥黑液xY x气化气热值A=- 1kg 干燥黑液x黑液的热值x 100% .4] Harvey s, Facchini B. Predicting black liquor gasfcation combinedcycle powerhouse performance accounting for of-design gas turbine3结果与讨论operation[J]. Applied Thermal Eninceing, 2004, 24(1): II[5] JinY J, et al. Synthesis of liquefied petroleum gas via methanol/3.1 氧气 与黑液比率对试验结果的影响dimethlyl ether frorm natural gas[J]. Fuel Proesing Technology, 2004,保持煤气流量为0.2 m2/min,煤气流量与氧气的体85 (8/9/10); 1I51积比为1:2,需要约30 min才能使炉内温度达到600C。[6] Lu W z, et al. Simulation and experiment study of dimethyl ether炉体预热温度到500C以上，点火均取得成功。synthesis from syngas in a fluidized-bed reactor{J]. ChemicalEngineering Science, 2004,0 59 (2/23): 5455表1为在黑液流量为30 kg/h.黑液浓度为7] Andersson E, Harvey s. Comparison of pulill-integrated hydrogen70%、氧气预热温度为200C的条件下，气化气组.production from gasified black liquor with stand-alone production成、热值、炉温和燃气效率随氧气与黑液质量比的变from gaied bioass[] Energy, 2007,32 (4): 399化情况。[8] Landalv. I Black liquor gasifcation[(C] // Presentation at the SYNBIOS表1数据显示，CO、H2 和CH4含量随氧气与黑conference. Stockholm, Sweden, 2005液质量比增大而降低，CO2 含量随氧气与黑液质量比9] 许世森，等.大规模煤气化技术[M].北京:化学工业出版社, 2006增大而增大，气化气的热值和燃气效率随氧气和黑液[10] Liang X T, et al. Modeling of failure in a high temperature black liquor质量比增大而减小，炉温随氧气和黑液的质量比增大gasifer refractory lning[]. Engineering Failure Analyis, 2007, 14而上升。(7): 1233[11]梅枳有色冶炼炉M], 北京:冶金T业出版社, 19943.2 碳转化率和产气率在气化过程中碳转化率和产气率的变化不大,在([2]肖睿煤加乐部分气化试验研究与数值模拟[D]南京东南大学，氧气与黑液质量比为0.4~ 0.6的范围内，碳的转化率[13]马科隆Ew,格雷斯TM.最新碱法制浆技术[M.曹邦威,译.北京:为89.7% ~91.0%，产气率为0.96~ 1.07 m'/kg。中国轻T业出版社，1998[14] Jarvinen M, et al. Black liquor devolatilization and swelling -a4结论detailed droplet model and experimental validation[J]. Biomass andBioenergy, 2003, 24 (6); 495预热温度到500C以上，点火均取得成功，当氧[15] Kuang J P, et al. Catalytic mechanism of sodium compounds in black气与黑液比率为(质量比) 0.4~0.6、黑液浓度70%、黑液流量30kg/h时，碳转化率89.7%~ 91.0%，产气中国煤化Ilak iquor suyD Eneresy(2):247 CPP率0.96~1.07 m/kg,气化气热效率为74.7% ~ 49.8%,MHCNMHG炉温在820~1350C范围内变化。(责任编辑:常青)《中国造纸》2008年第27卷第I1期●39..