生物质循环流化床气化的实验

1、生物质循环流化床气化净化系统的应用摘要：介绍了生物质循环流化床气化的实验系统、实验方法和结果分析。关键词：循环流化床；气化；生物质Experiment on Biomass Gasification in Circulating Fluidized BedMA Wen-chao，HU Yan-jun，LIU Fang-jin， CHEN Guan-yi(Institute of Bioenergy and Wastes Treatment，Tianjin University，Tianjin ，China)Abstract：The experimental system，experimenta

2、l method and result analysis of biomass gasification in a circulating fluidized bed are introduced.Key words：circulating fluidized bed；gasification；biomass。生物质是一种新型、清洁的可再生资源1、2，与其他可再生能源相比，生物质资源量大且分布广3，处理技术简单，应用范围广。因此，在众多的可再生能源中，生物质因产量丰富、易于利用、温室气体减排效果好而受到世界各国的重视4。该技术采用空气预热式循环流化床作为燃气生成和空气预热系统，由旋风分离器、文

3、丘里管和水洗塔构成燃气净化系统，还具有污水处理池等污水处理及循环系统，具有适用性广，技术性能高的特点，它可以单独或同时处理几种废料，包括木屑、谷壳、秸秆或甘蔗渣等，日处理废料量可以从吨到吨，所产生的燃气可发电几百kW到几千kW，而且耗水量低，热效率高（大于） 传统处理生物质的方法是在燃烧炉里直接燃烧，利用效率低，造成生物质能的巨大浪费。现代的处理方法能克服上述不足，具体方法有：直燃生物质进行热电联产，热化学转化方法制取燃气，生物化学法制取气体、液体燃料等610。 气化作为一种热化学转化技术，因其具有如下优点而引起广泛关注：对原料的种类及颗粒大小没有严格要求，合成气应用广泛，相比于热解污染问题较

4、小。此外，IEA(国际能源署)可再生能源研究中心的报告11和McGowin等人2的研究表明：气化技术用于热电联产，与生物质直燃技术以及其他发电方式(包括天然气联合循环)的造价几乎相同。Krigmont13预言气化将应用于处理固体废弃物领域，使其转化成有用的燃料以解决严重的环境问题。但气化技术尚存在很多问题：产气过程不稳定、燃料适应性较差、大规模推广困难、燃气质量差等。 虽然循环流化床技术在过去的20年中被广泛应用于煤燃烧和石油工业，并取得巨大成功，但在生物质气化方面的应用较少14。考虑到循环流化床技术的特点，生物质循环流化床气化有如下特性：可使用多种生物质原料，易扩大规模，可应用于现有的发电站

5、，造价低15。然而其技术不确定性很高，设计一种新的气化发生器的难度也很大。 本文将介绍天津大学的生物质循环流化床气化实验系统，该装置旨在制取高品位燃气的同时，降低焦油及颗粒物含量，减少气化过程污染物的排放，提高产气率，且不影响制取气体的热值16。此外，还将获取循环流化床气化系统的运行经验，控制其稳定运行，使气体组成及产气量波动小。1 实验系统及方法 实验系统 实验系统采用的是循环流化床气化系统，见图1。系统由两级给料装置、流化床主体(气化炉)、旋风分离器、返料器、氢气发生器、空气预热器和辅助设备组成。辅助设备包括点火装置、燃气净化装置、燃气采样装置和烟囱，以及计算机自动采集系统。主体床高为60

6、00 mm，内径为125 mm，通过热功率为150 kW的圆柱型电加热器调节床温。松树的锯屑作为气化物质，其工业分析和元素分析见表1。 表1 松树锯屑成分分析Tab.1 Composition analysis of pine filing工业分析固定碳/%16.35挥发分/%70.55水分/%12.27灰分/%O.8元素分析碳质量分数/%47.67氧质量分数/%43.94氢质量分数/%5.86氮质量分数/%1.50硫质量分数/%0.09氯质量分数/%0.11灰分/%O.83高热值/(MJkg-1)18.10 生物质通过两级螺旋给料器进入炉膛。系统运行时，高温燃气中的粗糙小颗粒在炉膛出口处被旋

7、风分离器迅速分离，通过返料器循环回到炉膛底部。与炉膛底部相连接的空气预热器加热送向炉底的空气，使得炉体的温度稳定在需要工况。在辅助设备中设有燃气采样装置，通过测试污染物的排放量来分析可燃气体的燃烧特性；采样装置设在气体过滤器出口侧，以便分析产生气体的组成。环绕炉体安装18 kW的电预热器，加热炉膛使其达到预定温度。在循环流化床气化系统中，除了下游装置，其他设备都覆盖隔热保温板，以减少热量损失。表2是循环流化床气化系统的设计参数，表3是循环流化床气化系统的运行参数。表2 循环流化床气化系统的设计参数Tab.2 Design parameters for circulating fluidized

8、 bed gasification system床内衫mm125床高/m6.0炉膛有效高度/m5.5旋风分离器效率/%97电加热最大热功率/kW150气化剂空气、水蒸气给料口个数/个2预热能力/kW18表3 循环流化床气化系统的运行参数Tab.3 Operation parameters for circulating fluidized bed gasification system炉膛气流速度/(ms-1)2.0炉膛压力/MPa1.0给料量/(kgh-1)20临界流化速度/(ms-1)0.2一、二次配风体积比10:1一、二级给料质量比1:4炉膛平均温度/820催化剂与石英砂的质量比1:10

9、 实验方法 常用的催化剂有：白云石/石灰石、镍基催化剂、含镍的混合催化剂。使用方法一般采用以下3种：催化剂和床料掺混在一起，先放入炉内；在给料过程中催化剂和生物质掺混在一起送入炉膛；催化剂和给料通过不同的给料口同时分别送入炉膛17。高温裂解和催化剂的作用使得焦油含量明显降低。在本实验中采用的是第1种方法。 实验开始前，向流化床内加入石英砂和煅烧白云石。石英砂作为流化介质，白云石作为流态化催化剂，主要用于焦油裂解。打开电加热装置，把空床直接加热到设计温度(800-850)，然后打开螺旋给料机把锯屑送入炉膛，与此同时吹入空气进行反应。 当循环流化床气化系统稳定工作时，将制取的气体通过采样装置进行分

10、析。此时气体气化装置在计算机的监控下同步运行，所有采集的数据都送到计算机中统一处理。2 测试与分析 设置8组热电偶测试气化温度，发现有2个热电偶读数不准确，一个位于布风板上方1.2 m，另一个位于布风板下方0.2 m。所有的温度由温度测量系统自动控制。 气体由FT-IR分光计、多组分气相色谱仪和一个在线单元素分析仪进行测试与分析，包括对CO、CO2和SO2的无分散红外测试、NO的无分散紫外测试、O：的顺磁性测试和H：的微气体套色复制。 实验中测得气体组分有CO、CO2、H2、H2O、C1C3化合物(CH4、C2H4、C2H6、C3H6)、02、N2、NH3、HCN和氮氧化物(NO、N20和NO

11、2)，以及SO2、COS、CS2(通常浓度很低)、HCl等。此外，C4HxC10Hx也很容易被测得。还测得了制取气体的焦油含量，精度较高。灰分由校外的研究机构进行元素分析(C、H、N、C1、S和O)，测试主要的矿物元素(Al、K、Na、Ca、Mg、P、Fe、Si)和痕量元素(Co、Mo、Mn、Cr、Ni、Zn、Cu、V、Pt、Cd)等。3 结果与讨论图2表明了实验装置产气率随时间的变化曲线。在运行初始阶段，产气率呈线性增加，10 min后进入稳定运行阶段，产气率波动在1.791.85 m3/kg。这对下游装置，尤其是汽轮机(或微涡轮机)的稳定运行无负面影响。表4为制取气体的参数。 由实验结果可

12、知，本实验装置获取的燃气焦油质量浓度很低，仅为96 mg/m3，气体高热值为6.30 mJ/m3左右。虽然产气率略低，但考虑到设备限制(预处理能力低导致反应器温度较低，旋风分离效率低，生物质粒径不理想等)，上述实验结果相对令人满意，认为这种气化方式可行。 表4 制取气体的参数Tab.4 Parameters for producing gas气体组分的摩尔分数/%C013.36C0211.89CH44.78C2H40.78H29.64N249.34H2010.21产气量/(m3h-1)7.84产气率(m3kg-1)1.83低热值/(MJm-3)5.10高热值/(MJm-3)6.30焦油质量浓度

13、/(mgm-3)96.004 结论 天津大学的生物质循环流化床气化实验装置制取燃气的产气率为1.83 m3/kg左右，气体高热值为6.30 MJ/m3，产气量为7.84 m3/h，焦油质量浓度仅为96 mg/m3。为提高燃气的产气率，今后需建立流化床气化装置理论模型，并展开更细致的实验分析。参考文献：1 Johansson T B，Kelly H，Reddy A N. Renewable energy sources for fuel and electricityM. Beijing：Petroleum Industry Press，2000.2 Gielen D J，De Feber M

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