生物質與煤流化床共氣化特性的試驗研究

高正陽，王天龍，朱予東，魯許鰲

0 引言

生物質是指一切有生命的可以生長的有機物質，它來源豐富，分布廣泛，數量巨大，具有可再生性。它是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源資源，因此，充分利用生物質資源能在很大程度上緩解能源短缺問題。將生物質轉化為氣體燃料是一種利用生物質的很好途徑，其中流化床氣化是一種常用的氣化方式之一。目前對于氣化研究多集中在生物質或煤單獨氣化方面(包括添加惰性粒子)，還有就是共氣化與各物質單獨氣化的氣化特性比較，對溫度和混和物質量比對氣化特性的影響方面研究較少。由于生物質熱值比較低，單獨氣化時易生成較多的焦油，不僅降低了生物質的氣化效率，而且對氣化過程的穩定運行造成不利影響;而且生物質物性差異大、顆粒尺寸不規則，難以單獨流化氣化，容易形成搭橋、溝流及節涌等現象，因此需要添加惰性粒子組成多組分混合物來促進氣化過程。為了改善生物質的流化特性，采用生物質與煤共氣化，不僅煤渣起到了惰性粒子的作用，而且由于煤的熱值高，氣化過程溫度高，從而使生物質熱解所產生的焦油能夠充分裂解，使氣化效率提高，同時生物質的高揮發分、高氧含量和H/C 比以及生物質焦的高反應活性和高堿金屬含量又促進煤焦的氣化。因此將生物質與煤共氣化不僅可以很好地彌補生物質單獨氣化的上述缺陷，同時在碳反應性、焦油形成和減少污染物排放等方面可能會發生協同作用。

在本試驗中，研究了控制反應溫度以及調節生物質與煤不同質量摻混比兩方面對混合物的氣化過程的影響，以期得到最佳的氣化效果條件。

1 試驗系統與方法

1.1 試驗物料

試驗中所用生物質為木屑(鋸末)，木屑的粒徑范圍為0.2 ～0.8 mm;煤選用的是陽泉煤，選取煤的粒徑范圍為0 ～2 mm;兩種燃料的工業分析見表1 所示。

1.2 試驗裝置及流程介紹

試驗裝置見圖1 所示。試驗前，將準備好的煤和生物質燃料按一定比例配比好;試驗開始時，用電加熱器烘熱氣化器，待達到預定溫度(600℃)時停止;將事先配比好的混合物燃料經進料裝置均勻加入，同時通入氮氣，避免進料裝置中充滿可燃氣體。由蒸汽發生器以及空氣壓縮機通入所需高溫水蒸氣和空氣;然后將氣化氣產物先后通過旋風分離器、除塵器、水箱冷卻裝置以及過濾器，最后進入氣體分析儀，對各種氣體成分以及各種氣體的含量進行分析。

表1 生物質與煤的工業分析及熱值Tab．1 Proximate and ultimate analysis of Datong coal

圖1 熱態試驗裝置及其流程圖Fig．1 Process configuration for experimental system

1.3 試驗計算方法與工況

1.3.1 計算方法

(1)氣體產率

式中:Y 為氣體產率，m3/kg;M 為加料量，kg/h;Vg

為干氣產量，m3/h。

(2)氣化效率

式中:S1，S2為生物質和煤在混合料中所占的比例;Q(生)，Q(煤)為生物質和煤的低熱值。

(3)當量比(ER)

使用空氣作為氣化劑進行生物質和煤氣化試驗時，空氣既使氣化原料發生部分氧化生成H2，CO，CH4等有效燃氣，又會與生成的可燃產物發生燃燒反應。空氣加入量使用當量比來衡量。

式中:q 為氣化過程中設定的空氣或氧氣單位流量，m3/h;q0為單位質量生物質或煤完全燃燒生成H2O 和CO2所需要的空氣或氧氣量，m3/kg;v 為生物質或煤的進料速率，kg/h。

(4)水蒸氣/原料重量比(S/M)

水蒸氣的加入既可以迅速與炙熱的炭反應生成H2和CO，又可以與碳氫化合物發生水蒸氣變換反應生成H2和CO。水蒸氣的加入量用水蒸氣與生物質或煤的重量比來衡量:

式中:qs為水蒸氣輸入速率，m3/h;v 為生物質或煤的進料速率，kg/h。

1.3.2 試驗工況

(1)為考察氣化溫度對氣化效果的影響，本試驗取了800 ℃，830 ℃，860 ℃，890 ℃4 組不同的試驗溫度。試驗中，將煤與生物質原料混合物(按3∶1混合)從流化床頂部加入，然后從小到大調節流化空氣量，觀察各組溫度下的流化現象。試驗中選取ER=0.15 和S/M=0.5 時ER 和S/M 達到物料需求量的最佳水平。當試驗中各個參數(主要是蒸汽量和空氣量)和氣體分析儀試驗數據穩定以后，開始記錄試驗數據。

(2)為了考察生物質和煤在不同的混合比例下對氣化氣組分的影響，本試驗選取了5 組不同的質量比，分別為1∶0，3∶1，1∶1，1∶3，0∶1 。并且為了降低溫度對試驗的影響，選取了850 ℃這個比較理想的試驗溫度。然后使進氣量ER 在5 ～9 m3/h 處進行調節，S/M 控制在0.3 ～0.6 左右，使ER 和S/M 達到各個質量摻混比對應的最佳水平。待試驗穩定后，記錄相關的試驗數據。

2 試驗結果分析

2.1 氣化反應機理

生物質與煤共氣化是一個非常復雜的熱化學反應過程，該過程受很多因素的影響，如反應溫度、反應壓力、物料特性、氣化設備結構等。整個氣化過程是自供熱的，從它自身內部的化學反應過程就可以產生完全氣化所需的熱量。其氣化過程主要反應為

2.2 溫度對氣化特性的影響

通過對由氣體分析儀得到的各組溫度下的試驗數據進行整理和計算，得到不同溫度下幾種可燃氣化氣的體積分數以及不同氣化溫度下的氣化特性，分別如表2、圖2 所示。圖3 為不同溫度下的氣化效率。

表2 不同氣化溫度下的各個氣化特性Tab．2 Gasfication indicators of gas in different temperature

由圖2，3 和表2 比對可以看出:由于還原反應式(7)，(8)是吸熱反應，所以隨著試驗溫度的升高，反應正向移動，CO 體積分數增加3%左右，而H2所占體積分數則明顯增加，由10%上升到了20%，即對應的氣體產率均呈現增長趨勢;相反CnHn和CH4都趨于下降態勢:其中CH4的體積分數下降明顯，由10%下降到了5%左右，而CnHn也下降了約3%。由于CO 和H2的熱值相對于CnHn和CH4的較大，所以隨著溫度的升高，所得可燃氣體總熱值也由6 069.4 kJ/m3增加到了6 714.6 kJ/m3，提升約1%，即煤與生物質混合物總氣化效率相對提高了。而由圖3 很容易看出隨著反應溫度的升高，氣化效率不斷提升。

總之，溫度是影響氣化特性的重要因素，通過影響氣化混合氣中各種燃氣的濃度，從而影響產氣效率、氣化效率、碳轉化率、氣化熱值等各方面的氣化特性，所以在氣化過程中尋找最佳氣化溫度是相當必要的。

2.3 質量摻混比對氣化特性的影響

把不同質量摻混比下氣體分析儀中讀出的數據以及通過計算把各個氣化特性的數據進行整理，得出圖4 和表3。圖5 為不同質量比下的氣化效率曲線。

圖4 不同質量混合比下的各個氣化特性Fig．4 Volum fraction of gas in different quality ratio

表3 不同質量混合比下的各個氣化特性Tab．3 Gasfication indicators of gas in different quality ratio

圖5 不同質量混合比下的氣化效率Fig．5 Gasification efficiency in different quality ratio

由圖4，5 和表3 比對可以看出:由于煤的碳含量遠遠高于鋸末，所以隨鋸末質量摻混比的減小，還原反應式(7)， (8)加快，致使CO，H2的濃度上升明顯，分別有15%和8%左右的提升，即相應氣化產率在不斷上升，相反CH4，CnHn的體積分數則逐漸降低了大概2%，混合物共氣化效率逐漸提高;并且由于850 ℃對于單純生物質來說，屬于較高氣化溫度，而單純煤則需要較高的氣化溫度，所以隨著生物質摻混比的下降，氣化溫度逐漸適應該不同摻混比的混合物，氣化氣的熱值也就相應的增加。而由圖5 可以看出，當質量比為3∶1時，氣化效率最佳。總之，控制好最佳質量摻混比也是影響氣化指標的重要因素。

3 結論

(1)在熱態試驗中，溫度是影響各個氣化特性的重要因素，在800 ℃到900 ℃區間中，隨著氣化溫度的增加，氣化氣中各組分的濃度產生明顯的變化:CH4的體積分數下降比較明顯、CO 上升緩慢、H2上升比較快。在氣化溫度上升時，氣化效率、碳轉化率以及氣體產率都不同程度的提高。

(2)生物質和煤的質量摻混比對氣化特性的影響比較大，當氣化溫度在850 ℃時發現:在各個生物質與煤的質量摻混比中，質量摻混比為3∶1時氣化效率最佳，摻混比為1∶1時氣化效率強于其他3 組。從試驗角度上說明生物質和煤在氣化中有一定的協同作用，并且生物質的比例大于50%時，協同作用較明顯一些。

(3)在800 ℃到900 ℃區間中，隨著氣化溫度的增加，氣體熱值由6 069.4 kJ/m3增加到了6 714.6 kJ/m3;而隨著混合物中煤質量分數的增大，產氣熱值由5 246.2 kJ/m3增加到了7 068.3 kJ/m3，對于研究生物質資源有效利用有很大參考意義。

(4)從試驗中也可以看出，煤和生物質共氣化，不僅氣化運行穩定可靠，而且焦油量濃度也處于較低水平。氣體成分和氣化特性較單純生物質氣化均有不同程度提高。

［1］郭慶杰，張鍇，張濟宇，等．生物質和惰性顆粒二組分混合物的最小流化速度［J］．煤炭轉化，1999，22(1):92-96．Guo Qingjie，Zhang Kai，Zhang Jiyu，et al．Study on flow characteristics binary mixture containing biomass materials and second solid ［J］．Coal Conversion，1999，22 (1):92-96．

［2］宋新朝，王志鋒，孫東凱，等．生物質與煤混合顆粒流化特性的實驗研究［J］．煤炭轉化，2005，28 (1):74-77．Song Xinchao，Wang Zhifeng，Sun Dongkai，et al．Experimental study on the fluidization in the bed of biomass and coal mixtures ［J］．Coal Conversion，2005，28 (1):74-77．

［3］張濟宇，彭輝．二組分混合物的最小流化特性(Ⅱ):混合物平均物性與最小流化速度［J］．燃料化學學報，1998，26 (1):30-37．Zhang Jiyu，Peng Hui．Minimum fluidization characteristics of binary particle mixture (Ⅱ):Average properties of mintures and minimum fluidization velocity ［J］．Jouranl of Fuel Chemistry and Technology，1998，26 (1):30-37．

［4］高正陽，劉志強．生物質和煤流化床共氣化的試驗研究［D］．保定:華北電力大學，2009．

［5］Javier Gil，Miguel A Caballero，Juan A Martin，et al．Biomass gasification with air in afluidized bed:effect of the inbed use of Dolomite under different operation conditions．Ind Eng Chem Res，1999，38:4226-4235．