（环境工程专业论文）稻壳循环流化床气化实验研究.pdf

中文摘要 本论文针对稻壳循环流化床气化技术进行研究，探讨循环流化床循环流化特 性，掌握其运行规律，为生物质气化技术利用提供指导。首先在模拟流化床实验 台上进行了冷态流化特性研究，并对所得结果进行分析，然后进行热态实验。以 稻壳为原料，石英砂为辅助床料，待循环流化床气化炉炉膛温度提高到8 0 0 。c 以 上燃烧稳定时，通过逐步调整风料比，过渡到气化状态，后进行相关数据测试。 冷态实验发现，循环流化床布风板阻力随着进风量的增加而增大，阻力越大， 布风越均匀，但鼓风机电耗增加。稻壳流化性不好，容易出现颗粒间的粘结搭桥， 其临界流化速度对应压力曲线波动较大。石英砂流化特性良好，临界流化速度对 应压力曲线较稳定且与理论曲线相吻合；颗粒度增大，临界流化速度随之增大。 回料装置实验发现，回料量随流化速度增加而增大，但速度增加到一定值时，回 料量会突然迅速增长。 热态实验发现，流化床物料循环正常时，炉膛内温度分布均匀，各温度波动 较小；否则分布规律性差，波动性大。随着空气当量比e r 增大，燃气可燃成分 含量和热值增加；e r 增大超过某一临界值后继续增大时，燃气可燃成分含量和 热值减小；当量比在0 2 8 左右时，对气化反应比较有利。炉膛内温度提高可增 加燃气中可燃成分，但温度提高需要消耗部分可燃气。因此，存在一个优化值， 本实验发现，7 5 0 是气化炉正常运行的合理温度。石英砂是一种热载体，起到 辅助循环作用，对流化床稳定运行至关重要，能有效保持炉膛内温度分布均匀。 关键词：稻壳循环流化床气化物料循环空气当量比 a b s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) i sm o s ts u i t a b l ef o rl a r g e - s c a l eu t i l i z a t i o nw i t h h u g ep o t e n t i a la p p l i c a t i o np r o s p e c tc o m p a r e dw i t ho t h e rc o n v e r s i o nr o u t e s i nt h i s t h e s i s ，t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r sa n dr u n n i n gp r i n c i p l e so fc f bw e r ep r o b e da n d d i s c u s s e di nd e t a i l s t h eg a s i f i c a t i o nt e s tw a sp e r f o r m e di nc i r c u l a t i n gf l u d i z e db e d g a s i f i e r , w i t hr i c el m s ka sf e e d s t o c ka n ds i l i c o ns a n da sb e dm a t e r i a l t h eg a s i f i c a t i o n p r o c e s ss h o u l db et r a n s f e r r e df r o ms t e a d yc o m b u s t i o no fr i c eh u s k , w i t ht h ef u r n a c e t e m p e r a t u r er a i s e dt oa b o v e8 0 0c e n t i g r a d eb ya d j u s t i n gt h er a t i oo fa i rt of e e d s t o c k t h ec o l d s t a t ee x p e r i m e n t sw e r ef o u n d ：t h er e s i s t a n c eo fc f bd i s t r i b u t o rg r o w s a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fa i ri n p u t t h i sm u s tc a u s eh i g h e re l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nb y a i rb l o w e r t h ep h e n o m e n o no f b r i d g i n gc a u s e db ya g g l o m e r a t i o ne a s i l yo c c u r r e dd u e t op o o rf l u i d i t yo ff i c eh u s k t h ef l u i d i t yo fq u a r t zs a n dw a sm u c hb e t t e rt h a ni t t h e p r e s s u r ec u r v ew a ss t a b l ea n dc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lc u v ei nt h et e s t so f c r i t i c a lf l u i d i z e dr a t e e x p e r i m e n t so nf e e db a c ke q u i p m e n tf o u n dt h a tn o r m a lf e e d b a c kc o u l db ei n c r e a s e dw i t hw i n dr a t e w h e nt h er e t u r n e ds t o c kw a sc i r c u l a t e dn o r m a l l y , t h et e m p e r a t u r eo ft h eh e a r t hi s d i s t r i b u t e du n i f o r m l yw i t hs m a l lf l u c t u a t i o ni nan a r r o wr a n g e o t h e r w i s e ，t h e t e m p e r a t u r ew o u l ds h o wh i i g hf l u c t u a t i n ga c t i o n g a s i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ei nh e a r t h i n c r e a s e dw i t ht h eg r o w i n go fa i re q u i v a l e n c er a t i o ( e r ) w h i c hh a dag r e a ti n f l u e n c e o nt h e h o tg a sc o m p o n e n t sa n dc a l o r i f i cv a l u e i ti sf a v o r a b l et og a s i f i c a t i o nr e a c t i o n w h e ne ri sa r o u n d0 2 8 t h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ec o n t r i b u t e st op u s hr e d u c t i o n r e a c t i o nf o r w a r di ng a s i f i c a t i o np r o c e s s ，a n de n h a n c et h ey i e l do ff l a m m a b l eg a s c o m p o n e n t m e a n w h i l e ，t h eh i g h e rt e m p e r a t u r ew a so b t a i n e db yb u r n i n gt h e f l a m m a b l eg a s e x p e r i m e n t sr e v e a l e dt h a tt h em o s tr e a s o n a b l eg a s i f i c a t i o nr e a c t i o n h a p p e n e da t7 5 0 co rs o t h ei n e r t i ab e dm a t e r i a l ，q u a r t zs a n dw h oa c t e da st h e r m a l c a r r i e ra n dc i r c u l a t i n ga s s i s t a n t ，h a dp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nk e e p i n gt h es t a b l e r u n n i n go fc f b t h et h e r m a ls t o r a g eo fs a n d sc o u l dh e a tt h er i c eh u s k a n dt h eg o o d f l u i d i t yo fs a n d sc o u l de n h a n c et h ec i r c u l a t i n go f c o k ea n dr i c eh u s k t h em i x t u r eo f s a n da n dr i c e h u s kc o u l db ec i r c u l a t e dw e l lw h e nt h ep a r t i c l es i z ew a sc o n t r o l l e di n t h er a n g eo fo 4 - 0 6 m m t h ec f bc a nn o tr u nw e l lu s i n go t h e rm i x e df e e d s t o c kw i t h d i f f e r e n ts i z e s ，w h i c hi sp a r t l yd e c i d e db yt h ef l u i d i t yo fm i x e df e e d s t o c k k e yw o r d s ：r i c eh u s k , c i r c u l a t i n gc l u i d i z e db e d ，g a s i f i c a t i o n ，m a t e r i a lc i r c u l a t i n g ，a i r e q u i v a l e n c er a t i o 独创性声明 ：零人声明所呈交的学位论文是本人在孚师j 旨导下进行的珩究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外论文由不包含其他人已经发表 ；览撰写过的研究成果，也不包含为获得玉奎盔要二或其他教育机构的学位或证 二专而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研二所做的任何贡献均已在诧文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磊辛 字嗍：山黔弓月日 学位论文版权使斥! 授权书 ：苯学位论文作者完全了解叁盗盘茎二 关保留：使用学位论文的t 】4 定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据唪进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同薏学校 f 日国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁霆 。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授努：说弓) 专厅墼名： 冬! 字 。期f z 别唱年9 月f gf 第一章绪论 第一章绪论身；一早硒下匕 我国常规能源储量不足，最丰富的煤炭也仅够用百年 1 1 。能源相关问题( 包 括供需不平衡问题、环境污染问题、生态平衡问题) 是世界各国政府工作的焦 点。目前迫切需要寻求新的替代能源。生物质能作为可再生清洁的新型能源， 是理想的化石替代燃料。 1 1 生物质能源 生物质是一种将能源转换并储存下来的生命的有机体。狭义的生物质是指 生物体通过光和作用，将太阳提供的能量以化学能的形式储存在生物体内，这 种能够储存能量的载体称为生物质。常见生物质如农作物秸秆及其附属物、林 业废弃物、草类等等。广义的生物质资源不仅包括树木、农作物、草类，还包 括城市垃圾、污水污泥以及工农业废弃物等【2 】。目前对生物质的研究利用主要 集中在农林废弃物范畴，因此本论文仅涉及农林废弃物。生物质主要特点如下： ( 1 ) 生物质资源丰富，分布广泛，具有可再生性； ( 2 ) 生物质的多样性，决定了生物质品种和形态的多样性； ( 3 ) 生物质原料价格低廉，多为废弃物； ( 4 ) 生物一般结构松散、密度低、挥发分高、热值低； ( 5 ) 同矿物燃料相比，不同生物质之间其灰分含量及组分差异较大。 生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物中的一种能量方式t 3 。生物质利 用太阳光合作用，将c 0 ：和h ：0 转换成了生物质内的碳水化合物，储存了太阳能。 生物质能具有良好的环保优点【4 】，应用过程中二氧化碳零排放，氮、硫化合物 排放量少，改善了农村生活环境。但生物质能量密度小，大规模运输储存困难， 1 2 论文背景及意义 目前在世界能源结构中，生物质资源占有十分重要的地位【5 】。据世界粮农 组织预测，以生物质能源为主的可再生能源将提供全世界6 0 的电力和4 0 的燃 料，生物质燃料的开发利用已经成为世界的共识【6 - 8 。 我国是农业大国，生物质资源丰富，年农作物秸秆( 玉米秸、麦秸、稻草 等) 约7 亿吨，农业加工废弃物( 稻壳、蔗渣等) 约0 。8 4 亿吨，薪材及林业 加工剩余物和力资源利用量为1 5 8 亿吨【9 】：同时生物质是一种可再生资源，只 要人类活动存在，生物质就可以循环再生，取之不尽，用之不竭。从环保角度 第一章绪论 看，生物质几乎不含有硫，燃烧后氮化物、硫化物排放量极低，c 0 ：为零排放。 从能源利用效率看，目前生物质利用率偏低，基本上还是以直接燃烧为主，造 成能源资源的浪费，并对环境造成污染【l o ，1 1 】。 生物质能属于一种低品位能源，直接利用效果较差，尤其目前广大农村 对秸秆利用的直燃炊事方式，能源利用率极低，造成巨大浪费。生物质气化 可获得高品位燃气，用于发电、供气供暖或化工合成，是生物质能源利用的 关键技术之一。考虑到循环流化床原料适应性强、容易大型化等优点，本论 文开展循环流化床气化实验研究。国外循环流化床气化技术已得到较快发展， 但在国内目前对循环流化床气化技术的研究较少。在山东省能源研究所承担 了山东省科技攻关“循环流化床生物质废弃物气化技术的研究”，在此基础之上 提出了该课题的研究。 选题研究生物质的热转换技术，一方面将大量废弃资源重新转换，合理 利用资源，节约商品能源，对经济可持续发展和人类生活水平的提高具有重 要意义。另一方面保护环境，提高人们生活的自然环境条件，减少使全球变 暖温室气体的排放，这对整个人类整个地球的未来有着重要意义。 1 3 主要研究方法和内容 1 3 1 研究方法 循环流化床气化技术研究的最终目的是保证流化床气化正常运转，燃气 质量合格。大量文献表明，循环流化床正常运转的最关键因素有两个，一个 是物料在床内流化工况；另一个是循环回料能够稳定的将固体颗粒回送到床 内炉膛。如果能够满足了以上两个条件，流化床气化技术的研究就基本成功 了。针对这两个关键问题，首先利用冷态实验解决其流化特性和回料装置问 题。对物料流化特性实验，以此模拟气化状态下的流化特性。确定物料临界 流化速度，这是保证物料达到流化的起码条件。确定了临界流化速度，一方 面流化床炉膛内流化速度必须高于此临界值；另一方面在回料鼓泡床内，其 流化速度略为高于此临界值即可保证正常回料。由于临界流化速度的测定是 在冷态实验条件下进行，而循环流化床气化状态则是7 0 0 8 0 0 。c 的高温，因 此物料冷态所得数据需要转化成高温热态下的数据。对于回料装置，冷态所得 数据同样需要向热态转化，以此来指导热态实验。总之，利用冷态实验得出流 化和循环回料的必要数据，在通过温度变化所引起的流速变化来指导流化床气 化实验。 在保证了循环流化床正常运行的前提下，要想得到合格的燃气，必须保证 2 第一章绪论 流化床炉膛内气化所需要的温度，因此，循环流化床气化实验的进行必须从燃 烧过程过渡到气化过程，以此来保证气化所需要的温度。 1 3 2 主要研究内容 本论文研究最终目的是为循环流化床气化技术的应用提供参考。主要包 括： ( 1 ) 循环流化床物料流化特性研究。包括布风板结构和特性；循环灰料装 置结构和特性；稻壳、石英砂流化特性研究；稻壳石英砂混合物流化特性； 稻壳热解特性研究。 ( 2 ) 循环流化床气化技术研究。主要包括空气当量比、冷热态数据转化计 算方法；燃烧与气化反应的转化过程；循环回料、空气当量比、炉膛温度以 及石英砂颗粒度对气化燃气成分的影响。 3 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 流化床技术发展过程 德国人温克勒( f r i zl i n k i e r ) 于1 9 2 1 年最早成功发明了流化床技术，在 一个流化床装置中，将燃烧产生的烟气引入到流化床燃烧室中，在燃烧室底部同 时装有部分焦炭颗粒，烟气进入燃烧室后，发现焦炭颗粒因受烟气的推动而被提 升，整个燃烧室内颗粒看起来就像沸腾的液体【1 2 】，这就是最早的流化床原形，后 来称这种状态的流化床为鼓泡床( 低速流化床) 。这一发现促进了流态化技术的 发展，在1 9 3 8 年1 2 月，麻省理工学院的刘易斯( w a r r e nk l e w i s ) 和吉里兰 ( e d w i nr g - il - l a n d ) 发明了循环流化床( 快速流化床) 。流化床技术的应用领 域不断扩大，逐步发展起来了干燥技术、颗粒成型技术、煤燃烧技术等等。但循 环流化床真正具有了工业实用价值是在二十世纪五、六十年代。由于常规流化床 燃烧宽筛分颗粒燃料时，烟气流容易携带燃烧室内的细小炭颗粒，造成的炭未完 全燃烧损失较大。为克服流化床这一缺点，在流化床炉膛出口增设炭粒收集装置， 将未完全燃烧炭粒收集并再次送入炉膛继续燃烧，这也就是后来发展起来的循环 流化床燃烧技术。目前为止，循环流化床燃烧技术主要集中在煤应用，具有代表 性的公司有：德国鲁齐公司、法国g a s i 公司、美国a b b c e 公司、美国 f o s t e r w h e e i e r 公司、芬兰a h i s t r o m 公司、德国b a b c o c k 公司、意大利t e m p e i i a 公司等【1 3 - l5 1 。 2 2 生物质循环流化床气化技术简述 2 2 1 循环流化床技术原理和特点 生物质气化是将生物质固体原料通过热化学转换技术而转变成生物质燃气 的过程。生物质燃气中的可燃成份主要是氢气、一氧化碳、甲烷等。基本原理是 原料在缺氧状态下的不完全燃烧过程。气化过程大体上可以分为三个阶段： 第一阶段：氧化放热反应。一般情况下，气化过程是不需要外来热源的，这 样气化过程就开始于反应混合物的自供热，部分生物质燃料的燃烧释放出气化过 程所需要热量。 第二阶段：热解反应过程。生物质燃料在高温下进行热解反应，产生可燃气 体，同时生成焦油和焦炭。生物质挥发分含量相比煤来说要高的多，热解过程对 整个气化过程的影响也相对较大。另外在热解过程中，还存在高分子化合物裂解 4 第二章文献综述 反应，从而产生小分子化合物和一氧化碳。 第三阶段：气化反应过程。在这个阶段主要是二氧化碳、碳以及水蒸气之间 的气化反应过程，从而生成一氧化碳、氢气和甲烷。这是生物质燃气的主要可燃 成分，对燃气热值影响较大。气化反应也就是还原反应，所以在整个气化反应过 程中需要吸收热量，相应的也会降低燃气温度。 循环流化床特点是炉膛内温度不高，分布均匀，生物质颗粒进入流化床后， 进行强烈的传热传质过程，并在颗粒随气流运动过程中完成了氧化和还原反应。 由于生物质颗粒流化特性不好，一般情况下，在生物质循环流化床中需要加入辅 助床料，从而改善生物质颗粒流化特性。在稻壳循环流化床气化技术研究过程中， 加入了石英砂作为床料。由于砂子的密度远远大于稻壳密度，可能会使得稻壳在 炉内的运动出现分层现象，但总体上，稻壳颗粒在炉内仍可简化认为是均匀混合 的【1 6 】。 流化床技术与固定床技术最大的区别在于原料颗粒的状态，流化床颗粒是 处于流态化的反应和热交换的过程。气流的吹拖力和颗粒在气流中的浮力之和大 于或者等于颗粒重量时，颗粒就会在气流中悬浮，颗粒间距离加大。随着气流速 度增大，运动剧烈，质量大的颗粒多集中在床底部( 形成密相区) ，质量轻点颗 粒则被气流带到床上部( 形成稀相区) ，当气流速度达到一定值时，这些较轻小 颗粒就被带出炉膛，为了提高能源里利用效率，飞出小颗粒被收集重新送回炉膛 继续参与反应，这就是所谓循环流化床技术。 循环流化床特点可归纳为以下几点【13 j ： ( 1 ) 不再有鼓泡床那样清晰的界面，固体颗粒充满整个上升阶段； ( 2 ) 有强烈的物料返混，颗粒团不断形成和解体，并且向各个方向运动； ( 3 ) 颗粒与气体之间的相对速度大，且与床层空隙率和颗粒循环流量有关； ( 4 ) 运动流化速度为鼓泡床的2 3 倍； ( 5 ) 床层压降随流化速度和颗粒质量流量变化而变化； ( 6 ) 颗粒横向混合良好； ( 7 ) 强烈的颗粒返混、颗粒的外部循环和良好的横向混合，使得整个上升 阶段内温度分布均匀； ( 8 ) 通过改变上升段内的存料量，固体物料在床内的停留时间可在几分钟 到数小时范围内调节； ( 9 ) 流化气体的整体形状呈塞状流； ( 1 0 ) 流化气体根据需要可在反应器的不同高度加入。 5 第二章文献综述 2 2 2 国内外循环流化床气化技术现状 2 。2 2 1 国外研究与应用现状 1 国外研究现状 国外对于循环流化床气化技术的研究较早，并有相当规模的工业化应用。 s r a p a g n a e ta i 【1 7 】在流化床中考察了杏仁壳气化特性，以蒸汽作为气化介质， 得出气化温度和蒸汽生物质比例改变对气化特性的影响。实现发现，改变温度 对产气率、焦油含量和气体成分影响较大，而蒸汽生物质比例对气化影响较小。 k g m a n s a r a ye tai 【l 圳在双布风板流化床中研究了以稻壳为原料的气化 过程，主要是针对流化速度和气化当量比的改变对气化特性的影响。a v a nd e r d r i f te ta l 【1 9 1 在内经0 2 m 循环流化床内，通过1 0 种不同生物质原料的气化实 验，最终得出典型气化实验结果。a e r g u d e ni e re ta1 【2 0 】以麦秸为原料，研究 了不同气化当量比和流化速度条件下气化特性，他认为气化当量比0 2 5 左右时， 气化过程良好，燃气质量最好，燃气高位热值达到6 3 7 。3 m j n m 3 。m in - h o nr ei e tai f 2 l 】以稻壳和其他生物质为原料，反应中添加催化剂的流化床气化过程进行 了研究，实现发现不同催化剂对燃气成分的影响也不同，燃气产率与气体分布主 要决决定于催化剂种类，而物料种类影响不大。e n a t a r a j a ne ta 1 2 2 】对生物质 气化过程中灰的熔融特性进行了研究。 2 国外应用现状 生物质原料挥发分高、密度小等特点，使其大规模应用较为困难。目前来看， 流化床气化技术是生物质气化大规模应用的理想技术。流化床技术发展之初，并 没有应用到生物质气化。但直到19 7 5 年流态化技术才应用于生物质气化【23 | 。美 国能源部在夏威夷和佛蒙特建成了两套日处理1 0 0t 甘蔗渣加压流态化装置，气 化产生的气体用于推动气体透平发电。目前规模较大的生物质流化床气化项目很 多，如瑞典v a r n a m o 生物质气化发电项目 2 4 5 1 ，这是世界上首家以生物质为原 料的整体气化循环发电项目，发电量1 8 m w ，同时供热9 m w ，气化设备采用加压 式循环流化床气化技术，以木屑为原料，通过具有密封作用的加料系统将随木屑 加入炉内，燃气低位热值3 4 4 2 m j n m 3 之间。意大利t e l 生物质气化发电项目【z6 i ， 发电规模1 6 m w ，以短期作物和木屑为原料，采用常压循环流化床气化技术，所 用原料在微负压状态下干燥，空气气化剂被预热增压后由气化炉底部送入，生产 的燃气经过冷却、除尘和洗涤净化，净化后燃气经过中间多级压缩到2 0 b a r ，并 与经过压比为1 5 4 的多级空压机压缩空气在燃烧室燃烧。荷兰e c n 研制开发的 高速循环流化床，利用秸秆( 麦秸) 作气化原料，每小时处理量可达1 5 t ，其炉 膛内气化温度基本保持在8 0 0 以上，炉膛底部流化风阻力一般控制在7 0 0 0 p a 6 第二章文献综述 左右，加料系统采用两级螺旋进料器和关风器密封措施，另外在炉膛螺旋进料器 中还增加充气口，以保证迸料畅通和防止炉膛内气流外穿。h o s t 公司在罗马尼 亚建设4 m w 循环流化床气化机组，以葵花籽壳为原料，运行情况良好。比利时布 鲁尔大学校内建设的常压循环流化床气化发电系统，以粉碎的木屑为原料，发电 量为0 8 m w ，机组产生的热煤气经过旋风分离器除去颗粒杂质后。此外，还有巴 西b i g g t 生物质循环流化床气化发电项目，发电量为3 1 删；意大利 e n e r g y a r m l l w 发电项目、英国a r b r e 8 m w 常压循环流化床气化发电项引2 刀、丹 麦bio c y l e 7 w 发电项目等都是生物质循环流化床为气化机组，产生的燃气共发 电机组发电。流化床气化炉中较低的反应温度以及等温操作条件使得它适用于各 种生物质原料的气化并具有良好的操作弹性。流态化强化了传质，因而加快了气 化过程，它将成为一种更具吸引力和更有发展前途的气化炉。 2 2 2 2 国内研究与应用现状 1 国内研究现状 中国循环流化床技术主要应用在煤燃烧方面，在生物质能方面利用起步较 晚，近几年才有了快速发展。政府及有关部门对生物质能源利用极为重视，己连 续4 个国家五年计划将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目 【2 引。生物质能的利用主要集中在沼气、直接燃烧、生物质气化等。我国循环流化 床技术分自主开发、国外引进和引进技术的消化吸收三个主要来源【2 9 1 。生物质循 环流化床燃烧技术研究较多，在国外流化床锅炉燃烧技术已经具有需相当的经验 和规模 3 0 】。我国从2 0 世纪8 0 年代末开始研究，在流化床锅炉燃烧技术方面，如 别如山，鲍亦令等【3 1 3 2 】对生物质循环流化床进行了深入的研究；刘皓，林志杰 掣3 3 3 4 1 对悬浮燃烧与固定床燃烧相结合的流化床锅炉研究；陈冠益、方梦乡等 与无锡锅炉厂合作研究的3 5 t h 。1 稻壳流化床锅炉。 九十年代初，国内也开展了生物质流化床气化技术的研究，并建成了一套外 循环流化床木粉气化装置，气化产生的煤气作为锅炉燃料。广州能源研究所研制 开发的生物质流化床气化发电技术，在全国已建立多处删级发电站，此外，“十 五”期间，研究开发4 6 m w 生物质气化燃气蒸汽联合循环发电系统【3 6 】，现已取 得成功。 p m l ve ta 7 1 以木屑为原料，水蒸汽和空气混合作为气化介质，研究了 蒸汽生物质比例、当量比、生物质颗粒度对燃气成分、产气率、蒸汽分解率、 燃气热值等的影响。结果发现，生物质产气率1 4 3 2 5 7 n m 3 k g ；燃气低位热值 6 。7 9 。2 m j h m 3 之间；同时发现气化温度提高，有利于气化反应，但高到一定程度 后，燃气热值反而会下降；在气化剂中加入水蒸汽，可提高燃气质量，但是过多 7 第二章文献综述 的水蒸气量会影响气化温度，使得炉膛内温度降低，削弱了气化反应过程；生物 质颗粒度减小，有利于气化过程，提高燃气质量。 此外，x t l - p 圳在内经0 。1 m 的循环流化床中以木屑为原料进行了研究， 分别研究了气化温度、空气当量比、床内物料浓度、飞灰循环量等因素对气化特 性的影响。郑州永泰能源新设备有限公司为主开发的新技术煤循环流化床间歇气 化技术，具有我国自主知识产权，经过十几年的开发研究和工程化等工作，目前己 成功的研制出f m l 1 、f m l 6 、f m 2 5 三种型号的气化装置【3 9 】。乌晓江等【删对加 压循环流化床气化技术进行了研究，设计表压和温度分别为1 5 0 k p a 和1 5 0 0 。c ， 而实际运行中压力和温度分别为5 0 k p a 和1 2 0 0 。江苏大学【4 1 1 。研制开发的流 化床气化技术分为连续型和间歇型两种，连续型以空气水蒸汽作为气化剂，燃 气热值在6 7 m j n m 3 ，并与2 0 0 5 年在天津建立由3 0 0 流化床气化项目。吕鹏梅等 h 2 利用流化床气化技术进行富氢气体研究，炉膛内反应温度9 0 0 。c ，制取富氢气 体量为7 1 9 k gb i o m a s s 。总的来说，国内对于生物质循环流化床气化技术的研 究较少，广州能源所目前推广的流化床技术中也主要是以低流速( 1 2 m s ) 为主， 高速流化床几乎没有。 2 国内应用现状 国内生物质循环流化床气化技术的应用较少，主要是目前多数单位还是以实 验室研究为主，尚不能进行工业化，应用最多的主要是以广州能源所研制开发的 流化床气化发电技术。 广州能源所生物质流化床发电项目。目前国内应用最多的是以广州能源所研 制开发的流化床气化发电系统，物料以农作物秸秆为主，空气作为气化剂，流化 速度大都在1 2 m s 范围内，燃气热值5 m j n m 3 左右，循环方式主要是以内循环为 主。全国建设删级发电项目几十处，并在泰国建立气化发电项目。江苏泰州建 设6 m w 气化发电项目，采用内外循环方式进行气化，循环回料采用螺旋送料装置 系统。 江苏大学研制出以生物质与煤共混气化的流化床气化技术工艺【4 3 】。2 0 0 5 年 天津华能集团能源设备有限公司利用该工艺研发出巾3 0 0 型生物质流化床气化 炉，并投入运行。该工艺以获得国家发明专利。该炉型以空气和水蒸气为气化剂， 用生物质和煤为原料( 煤的质量比0 - - 2 0 ) ，煤气热值为6 7 飙j m 3 。该炉在生产 燃气的同时，还可副产水蒸气和生物质木炭，燃气可民用、工业用及发电用。间歇 气化的生物质流化床水煤气炉。采用吹风和制气的二步工作法，生产水煤气。又 称间歇式生物质流化床水煤气气化工艺。水煤气的热值可达1 2 1 6 m j m 3 ，燃气可 用于提氢和制备甲醇、二甲醚等。 8 第二章文献综述 2 3 循环流化床特性 2 3 1 循环流化床动力特性 在多相流技术实践中，气固流态化特性是一种典型的两相流问题。流体的动 力特性直接决定着装置的运行风速、变工况极限、风机能耗、床内传热传质、温 度分布、床内存料等m j ，因此循环流化床内气固两相流动力特性研究至关重要。 对于气固两相流的研究很多，比如颗粒聚集行为、颗粒速度分布、床层空隙率 分布、气体速度分布、颗粒流速、气固混合等，但循环流化床内气固两相流动 力特性十分复杂，流化风速、固体颗粒循环流率、气固物性、设备结构尺寸以及 运行参数等都影响到床内流体特性。 根据g e i d a r t 【4 5 4 6 j 对常温常压下一些典型固体颗粒的气固流态化特性分析， 较大颗粒度和密度的原料流化特性不好，混合性能较差；根据周勇敏 4 7 】研究，大 颗粒与小颗粒原料的流化特性也截然不同：根据陈冠益掣4 8 研究稻壳流化特性时 发现，纯稻壳不易流化。 为了更好描述流化床内两相流特性，便于了解气固两相在床内分布情况，引 入空隙率e 概念h 圳。空隙率表征了气固两相中固体颗粒的堆积状态，直观反映了 颗粒填充特性和流化床内颗粒浓度情况。所谓空隙率就是指流体所占的体积v 。 与整个两相流的总体积v m 之比，即： 占：昱；v m - v ：1 一c ， v 。 v m 。 空隙率还可用颗粒的重量浓度来表示： ( 1 一c 。) p g1 一c 。 s = 二一= = 一 ( 1 - c 。) 皱+ c 。饵卜 ( 纬一p g ) p p c 。 式中 空隙率； v 厂流体的体积，n 1 3 ； v 厂两相流总体积，i i l 3 ； o 一以两相流总容积表示的颗粒相的体积浓度； c r 以两相流总重量表示的颗粒相的重量浓度； p 厂流体密度，k g m 3 ： pr 颗粒密度，k g m 3 。 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第二章文献综述 对于快速流化床内颗粒运动情况，见图2 1 所示。 图2 1 快速流化床颗粒运动示意图 图2 1 反映了快速流化床内固体颗粒运动的示意图，从图中可以看出，快速 床内存在着较大的固体颗粒的返混，即存在强烈的颗粒内循环，这对延长颗粒的 停留时间是有利的。快速床内存在的这种边壁区颗粒下行流动特征，很好地解释 了快速床内气固间存在着高相对速度的原因。 流化床从鼓泡床到湍流床再到快速流化床的流型转变是一个复杂过程，不单 单是流化风速的提高，还与装置本身、床内工况、流化颗粒物性等有关。因此对 于循环流化床是否运行在快速状态，除了流化风速，还要判断循环颗粒流率是否 满足条件。循环流率是指循环床内气流速度垂直面上单位时间单位面积上通过的 颗粒量，单位k g m 2 s 。循环流率过大，床内多处于密相区范围，不利于颗粒循 环；循环流率过小，床内多处于稀相区，可能会产生稀相气力输送状态，流化床 内颗粒呈现的状态也变化较大。一般情况下，沿床高方向，整个循环流化床同时 出现鼓泡态、湍流态、快速流化态和气力输送的携带状态，但是要想准确划分各 种型态的界限是很困难的。 流化床内颗粒流动特性直接影响到床内压力波动。理论上看，鼓泡状态下， 风速增加，在颗粒间产生气泡增大，压力波动就随气泡的增大而逐渐增加，当风 速提高到床内出现湍流状态时，气泡消失，压力波动也随之消失。在流化床运行 中，床内压力波动往往是评定设备运行是否良好的一个标准，好的流化状态下压 力波动应该是高频率、低振幅波动。但研究者研究方法不同、选用物料不同、物 料颗粒度不同、流化风速不同等等因素影响，得出的结论也不尽相同。s v e n s s o n 【5 u j 等对1 2 删循环流化床内压力波动与风速的关系时发现，压力波动幅值随风速增 加而单调增加，未能体现出流型转变的明显界限，他认为流化床底部密相区颗粒 的加速效应以及大量颗粒的循环回送，使得流化床底部一直处于鼓泡床状态，压 1 0 nv几妒几妒 俞一俞咿命 几v 兀v 几v 第二章文献综述 力波动随流化风速增大而增加。y e r u s h aimi 和c a n k u r t 5 1 1 实验测得压力波动与流 化风速关系如图2 2 ，图中最高点对应风速表示从鼓泡床过渡到湍流床的开始， 后来压力波动稳定时对应风速表示从鼓泡到湍流状态转化的结束。 趔 磐 臀 蜒 r 趟 u cu k 速度 图2 - 2 压力波动幅值随气流速度的变化曲线 原料颗粒度差异较大，原料种类不同，用户使用目的不同，选择的运行风速不同 以及运行负荷调整等因素影响，在实际运行流化床中，当床内达到正常运行状态 时，床内压力波动是不可避免的。通过后面稻壳实验数据可以证实这一点。 2 3 2 流化床内传热 循环流化床床体内悬浮着大量固体颗粒，颗粒浓度沿床底部向床体出口方向 逐渐减小，因此在流化床内传热过程较为复杂。总的来说，大致可以分为几种传 热过程：床内颗粒与气流间传热；颗粒与颗粒间传热；新进入床内气流与床内气 流间传热；床内气固混合与床壁面之间的传热。 实际上，在流化床内传热过程不是简单的上述哪一种，而是上述各种传热过 程的组合。对于生物质循环流化床气化装置而言，床壁没有布置受热面，进入床 内的新气流相对燃烧而言也较少。同时流化床内的传热主要集中在颗粒与气流 间，因此下面主要介绍床内颗粒与气流间的传热过程。 床内颗粒与气流间的传热过程是以对流换热为主。在床内气流和颗粒的运动 是很复杂的，颗粒度差异，布风不均匀，都造成床内颗粒湍动剧烈，互相之间不 断发生碰撞和气流的冲刷。h a p p e1 等 5 2 】研究解决的关于颗粒表面形成一个完整 温度边界层的理论，已经得到认可。单一颗粒传热时边界层如图2 3 ( a ) 所示。 有众多研究者曾对单个颗粒或者多个相同粒径颗粒温度边界层问题进行了大量 试验研究，得出了各自的理论观点。但实际中，颗粒不是单一的，也不是同一粒 径的，因此对于上述边界层理论在这里就不过多解释。流化床内颗粒浓度较大， 粒径也分布在一定范围之内，运行中，颗粒之间互相碰撞，破坏了颗粒本身的温 第二章文献综述 度边界层，如图2 3 ( b ) 所示。在这种情况下，颗粒与气流问的传热系数增大， 大大有利于床内颗粒的反应。流化床内气固两相流运动的不稳定性及颗粒间的碰 撞，使得颗粒表面边界层不断被破坏，但同时也在不断的重新形成，颗粒表面在 同一时刻可能存在多个边界层。另一方面，密集的颗粒使其通过的气流方向不断 曲折变化，颗粒分裂边界层个数也与颗粒这种脉动速度有关，脉动频率越高，边 界层分裂个数就越多。 e 气流= 言 边界层边界层被撕裂成若干个 颗粒 气i j i i 三呈 颗粒 ab ( a ) 单个颗粒或无碰撞时边界层( b ) 存在碰撞时破坏后边界层 图2 3 颗粒边界层 通过上述分析，对于流化床内颗粒传热系数的影响，主要有以下几个方面： ( 1 ) 流化风速。随着流化风速的增大，气固两相间扰动剧烈，颗粒碰撞次数 增多，增加边界层破坏程度，从而使传热系数增大。 ( 2 ) 颗粒粒径。颗粒粒径对传热系数影响很大，不同粒径颗粒对应不同传热 系数。一般来说，粒径小，传热系数大。 ( 3 ) 颗粒浓度。颗粒浓度越高，颗粒间碰撞次数也越多，扰动也剧烈，有利 于传热。增大了传热系数。 ( 4 ) 颗粒运动状态。颗粒与气流间的相对运动直接影响到传热系数。颗粒与 气流间相对运动大，则颗粒与气流间冲刷强烈，颗粒边界层变薄，增大了传热系 数。 ( 5 ) 颗粒循环量。循环流率增大，返料量增大，床内颗粒浓度也就增大，而 流化风速不变，所以传热系数增大。 ( 6 ) 床高。床内底部是密相区，颗粒浓度大，随床体高度增加，颗粒浓度逐 渐减小，其他工况不变，则传热系数也随床高增加而减小。 流化床内颗粒与气流间的传质和传热相类似。传热是温度差，传质是浓度 差，在流化床内，传质系数较高。但是目前关于循环流化床气固间的传质规律， 文献报道的不多。s h e n 和k w a u k 5 2 】在一直径2 4 嗍循环流化床床中进行了探索性 实验，实验表明传质系数在床层入口附近随床高增加而增加，这说明由于颗粒的 聚集及强烈混合，大大强化了气固接触；当进一步增加床高时，由于颗粒聚集度 减弱，传质系数随床高而减小。 1 2 第二章文献综述 循环流化床中传质系数随气体流率的增大而增大，但随固体颗粒流率的增大 而减小。这主要是由于气固之间相对运动减弱，固体颗粒屏蔽作用所致。另外随 固体颗粒粒径的增大，比表面积减小，传质系数也减小。 2 4 循环流化床主要部件装置 2 4 1 布风板 循环流化床炉膛内颗粒流化状态是否良好，起关键作用的装置是布风板。布 风板在流化床中的作用主要有两个：一是承托物料；二是利用其本身的阻力，使 气流分布均匀，优化炉内流化工况，维持流化床层的稳定性。朗丽萍【5 3 】对布风板 做了大量研究，总结出布风板布风均匀的几项措施，在布风板底部风室进风方式， 可大大优化布风的均匀性；同时增加布风板阻力，也可优化布风均匀性。 流化床所用布风板结构形式主要有两种：风帽式和孔板式。在实验中发现孔 板式结构容易造成漏料，不利于流化，后来选用风帽式布风板，这也是我国流化 床中最广泛应用的布风板结构。风帽式布风板设计中一个关键参数风帽小孔 流速。目前针对生物质颗粒的风帽小孔流速设计缺乏依据，根据经验，在颗粒 0 l o m m 范围时，一般取小孔流速为3 0 - - 4 0 r n s 。对比重大的取高限，比重小的取 低限。根据大量运行经验，布风板阻力为整个床层阻力( 布风板阻力加上料层阻 力) 的2 5 3 0 才可以维持床层稳定的运行u 3 1 。 2 4 2 循环回料装置 在循环流化床运行中，循环回料对运行状态的影响很大，正常的循环回料也 是影响气化过程稳定性的重要因素。流化床内物料在高速运动下，随气流带出炉 膛，在炉膛出口设置一颗粒回收装置，对带出床料进行收集，并送入回料管，进 入回送装置，这样床料就在炉膛、收集器和回料装置中循环往复，直至最终反应 完全。收集器一般来讲大都采用旋风分离器，其结构较为简单，这里不作过多介 绍。回料装置是保证循环回料的最核心部件，因为分离器处于炉膛出口，其压力 低于炉膛底部压力，要想将分离器收集的床料送回到高压力炉膛内，靠其自身流 动很难实现；同时回料装置与收集器连通，如炉膛内气流反穿灰料装置进入到收 集器；将是收集器的收集效率大大降低甚至无法收集。另外，流化床气化负荷的 调整，一方面靠进料量和配风量调节，另一方面要靠回料量调节。所以回料装置 既要保证床料正常回送到炉膛内，又要保证炉膛内气流不反穿或者反穿很少，还 要使得回送料量能够人为调节。 回料装置的结构都类似，不管是用煤作原料还是生物质作原料。回送装置一 1 3 第二章文献综述 般由立管和控制阀两部分组成。立管的主要作用一是形成固体料柱，密封作用， 防止气体反窜，二是形成足够的压降，保证灰料装置能够将床料从低压端回送到 高压端。而控制阀则起调节和开闭的作用。 控制阀装置结构形式较多，大体可分为机械阀和非机械阀两大类。机械阀靠 机械构件动作来达到控制和调节固体颗粒流量的e l 的，如阀门控制型、螺旋输送 机型等。实验中，自行设计的螺旋式送机和自封器组合的回料装置如图2