基于生物質與煤共氣化的系統模擬分析

鄭 凱，賈 嘉

（1.國電集團宿州熱電有限公司，安徽 宿州 234000；2.中國大唐集團科學技術研究院有限公司，北京 102206）

基于生物質與煤共氣化的系統模擬分析

鄭 凱1，賈 嘉2

（1.國電集團宿州熱電有限公司，安徽 宿州 234000；2.中國大唐集團科學技術研究院有限公司，北京 102206）

對所構建的生物質與煤共氣化系統進行了流程模擬，研究氣化反應溫度、生物質摻混比wbio和水蒸氣與生物質的質量比S／B對氣化特性及熱力學性能的影響規律。結果表明，提高氣化反應溫度和S／B將在一定程度上降低氣化合成氣的熱值和氣化效率，其主要原因是反應過程的熱能消耗同步增加，即更多的原料化學能被釋放出來。相對于煤單獨氣化過程，摻混一定比例的生物質會降低氣化效率，但有利于提高合成氣的熱值，降低污染物的排放量。

生物質；煤；共氣化；性能分析

面對日益增長的化石能源消耗和日趨嚴重的環境污染，提高現有的能源利用效率并大力開發利用清潔能源已成為當前亟待解決的問題，其中氣化已作為煤等化石燃料高效及清潔利用的重要方式之一［1-3］。近年來，研究人員提出將生物質與煤進行共氣化，不僅能將固體燃料轉化為氣體燃料，提高能源的利用效率，還能減少部分化石能源的消耗。生物質的能量密度較低，限制了生物質的應用，通過與煤進行同步利用，在一定程度上能夠提高生物質的利用率。

通過將生物質與煤進行共氣化，不僅能克服各自在進行單獨氣化過程中的不足，也有助于提高碳的反應性，抑制焦油的生成，并減少污染物的排放量。

宋新朝、張科達等人已分別借助熱天平分析了生物質與煤在水蒸氣氛圍和CO2氛圍下共氣化的反應動力學特性［4-5］，同時宋新朝還利用流化床試驗裝置研究得出，生物質與煤共氣化時的碳轉化率、氣體中可燃組分的體積分數均高于煤單獨氣化，氣體中CO2的體積分數低于煤單獨氣化［6］。

另外，周金豪等人利用Aspen Plus軟件對生物質與煤的氣流床共氣化工藝進行了模擬，確定生物質的質量分數為20%，氧碳摩爾比在1.1～1.3時的氣化效果最佳［7］。王立群等人對生物質與煤的流化床水蒸氣共氣化過程開展了試驗研究，針對選擇的試樣得出相應的最佳氣化產氫條件［8］。車德勇等人通過試驗研究得出，在摻混比例為50%時，松木屑和褐煤在流化床反應器中的共氣化協同作用比較明顯［9］。

1 反應試樣及系統介紹

1.1 試樣基礎物性

生物質選自新疆庫爾勒地區的棉花秸稈，煤樣為內蒙烏拉蓋褐煤，試樣的低位發熱量分別為17.57 MJ／kg和20.89 MJ／kg，工業分析和元素分析如表1、表2所示，灰熔融特性如表3所示。

表1 試樣工業分析%

表2 試樣元素分析%

表3 試樣灰熔融特性℃

相對而言，生物質的揮發分含量較高，達80%左右，且在較低的溫度（＜400℃）下能析出大部分的揮發分。同時生物質碳具有較好的反應性，能夠在較高的溫度下以較快的速度與CO2和水蒸氣進行化學反應。

由表3可見，生物質灰的灰熔點要略高于褐煤，通過摻混一部分生物質能提高反應物的灰熔融溫度，降低了在反應過程中出現結焦的可能性。

1.2 生物質與煤的共氣化系統

本文借助商業流程模擬軟件對生物質與煤的共氣化過程進行模擬，為了避免原料中所含的水分對氣化反應產生影響，生物質和煤均先通過預熱裝置去除水分，再送至氣化反應器中。氣化反應產生的粗合成氣經過旋風分離器脫除灰分后，利用后部的余熱鍋爐來回收合成氣的顯熱，同時也可利用這部分顯熱來生產高溫蒸汽作為氣化劑，最后經過冷凝凈化后可制得合格的合成氣，其可作為燃料送至燃氣輪機或用于生產甲醇等清潔液體燃料。

1.3 評價指標

本文選定的氣化壓力為1.8 MPa，作為氣化劑的水蒸氣參數為1.8 MPa／210℃，氣化反應器中的空氣通入量根據熱平衡進行核算。

生物質摻混比wbio是用來表征參與氣化反應的生物質含量，計算公式如下：

式中：fbio、fcoal分別為生物質和煤的輸入量，kg／s。

其它表征運行狀態和用于評價氣化效果的參數和變量如下：

空氣當量比ER：

合成氣的低位熱值Qgas（MJ／m3）：

式中：Qi為各燃氣成分的低位熱值，MJ／m3；ω［CO］、ω［H2］、ω［CH4］、ω［CnHm］為CO、H2、CH4、CnHm在燃氣中所占的體積百分含量，%。

氣化效率η：

式中：Qgas和Ggas分別為標準狀態下單位體積合成氣的化學能和合成氣的體積；Qbio和Qcoal分別為生物質和煤的熱值。

由于氣化反應是一個復雜的化學反應體系，對于模擬流程需進行以下假設：氣化反應處于穩定狀態下進行；生物質和煤中的H、O、N和S元素全部轉化為氣相；氣相反應快速達到平衡狀態。

2 結果分析

2.1 氣化反應溫度對共氣化過程的影響

溫度是氣化反應過程的重要參數，較低的溫度難以驅動原料與氣化劑之間的非均相反應，而較高的反應溫度雖然能夠提高反應速率，但在一定程度上會降低氣化過程的熱力學性能。為此，本文將研究氣化反應溫度對氣化反應過程的影響。

針對生物質摻混比wbio＝0.5，即生物質與煤按1∶1的質量比進行混合，在空氣氛圍下進行氣化反應，在不同氣化反應溫度下所獲得的合成氣組分如圖1所示。

圖1 不同氣化溫度下的合成氣組分

生物質具有良好的反應性，可在700～850℃開始進行氣化反應，但褐煤的碳化程度相對較高，其反應起始溫度也較高。在氣化反應溫度為700～1 500℃時，H2、CO和CO2的含量隨著氣化溫度的升高而下降，其中H2含量的變化趨勢較為明顯，CO和CO2的降幅相對較小。以上3種組分的含量下降主要來自于2方面的影響，一是為了維持更高的氣化反應溫度，氣化反應體系中的氧化反應需增強，為此生物質和煤中更多的化學組分將無法進行還原反應以得到H2和CO；二是達到更高的反應溫度需通入更多的空氣量，合成氣中的其它組分將在一定程度上被N2稀釋，因此除了N2和H2O外，其它組分的含量均隨著反應溫度升高而下降。

氣化反應得到的合成氣低位熱值和氣化效率如圖2所示。在850℃及以上的反應溫度下，所得到的合成氣低位熱值在3.5～6.3 MJ／m3，也隨著氣化反應溫度的升高而降低，主要原因是更多的原料將參與氧化反應及N2的稀釋作用。由于反應溫度升高，原料的化學能未轉化為合成氣的化學能，而是通過氧化反應以熱能的形式釋放出來，更多的熱能未能被有效回收利用，氣化效率也具有下降趨勢，熱力學性能較差。因此，應在氣化反應動力學和氣化反應熱力學性能之間尋求合適的平衡點。

圖2 不同氣化溫度下的氣化性能

2.2 wbio和S／B對氣化反應的影響

根據反應器中的氣化壓力（1.8 MPa），通過回收合成氣的顯熱來生產1.8 MPa／210℃的蒸汽，作為氣化劑送入氣化反應器中。

wbio分別取0、0.1、0.2、0.5和1.0，同時參與氣化反應的S／B也從0升至1.0，不同工況下的氣化效率如圖3所示。提高S／B，即增大參與反應的水蒸氣流量，將這些水蒸氣加熱至設定的氣化反應溫度需消耗更多的化學能，此時氣化過程的ER值也隨之增大，減少了合成氣中的化學能，因此氣化效率將隨著S／B增大而下降。同時，提高生物質的摻混比wbio也將對氣化效率產生不利影響，但在摻混比wbio較低時，對氣化效率的影響較小。因此在生物質與煤共氣化的反應中，需合理調節生物質的摻混比wbio。

圖3 wbio和S／B對氣化效率的影響

合成氣熱值在不同工況下的變化情況如圖4所示，提高S／B將降低合成氣的低位發熱量，其原因主要是更多的原料被氧化以提供足夠的氣化反應熱源以及N2的稀釋作用。但在相同反應條件下，提高生物質的摻混比wbio能提高合成氣的熱值，有利于合成氣的后續利用。

圖4 wbio和S／B對合成氣熱值的影響

3 結論

a.提高氣化反應溫度和S／B，能夠在一定程度上改善反應的性能，但同時氣化過程的熱能消耗也增加，即降低氣化合成氣的熱值及氣化效率。

b.增大共氣化過程中的wbio，雖然降低了氣化效率，但有助于提高合成氣的熱值，實現合成氣的后續利用，同時通過替代部分化石燃料，也有利于減少CO2和各類污染物的排放量。

［1］ 張永興，祁曉楓.電力節能減排的形勢和對策［J］.東北電力技術，2007，28（11）：1-4，37.

［2］ 陳曉波，馬 濤，高繼錄，等.IGCC多聯產系統工藝路線選擇研究［J］.東北電力技術，2014，35（8）：22-25.

［3］ 廖小花.IGCC特點及減排CO2方法［J］.東北電力技術，2010，31（9）：45-47.

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Simulation and Analysis on the Process of Co?gasification of Biomass and Coal

ZHENG Kai1，JIA Jia2
（1.Guodian Suzhou Power Plant Co.，Ltd.，Suzhou，Anhui 234000，China；2.China Datang Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 102206，China）

A co?gasification system for biomass and coal is developed in this work，and a commercial process simulated.The effects of gasification temperature，the blending ratio of biomass and the S／B on the gasification performance are investigated.The results indi?cate that the heat value of syngas and gasification efficiency will be reduced with the increase of the gasification temperature and the S／B，because more feedstock should be oxidized for providing sufficient reaction hear of co?gasification.Compared with the stand?only gasification of coal，the gasification efficiency will be decreased with the rise of the blending ratio of biomass，whereas the heat value of syngas will be improved to some extent.Additionally，the mitigation of CO2and other pollutant emission will be achieved，since a part of fossil fuel is substituted by biomass as renewable energy.

Biomass；Coal；Co?gasification；Performance evaluation

TK6

A

1004-7913（2015）03-0007-03

鄭 凱（1986—），男，助理工程師，主要從事火力發電廠集控運行工作。

2014-12-09）