生物质与煤流化床共气化特性的试验研究

高正阳，王天龙，朱予东，鲁许鳌

0 引言

生物质是指一切有生命的可以生长的有机物质，它来源丰富，分布广泛，数量巨大，具有可再生性。它是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源资源，因此，充分利用生物质资源能在很大程度上缓解能源短缺问题。将生物质转化为气体燃料是一种利用生物质的很好途径，其中流化床气化是一种常用的气化方式之一。目前对于气化研究多集中在生物质或煤单独气化方面(包括添加惰性粒子)，还有就是共气化与各物质单独气化的气化特性比较，对温度和混和物质量比对气化特性的影响方面研究较少。由于生物质热值比较低，单独气化时易生成较多的焦油，不仅降低了生物质的气化效率，而且对气化过程的稳定运行造成不利影响;而且生物质物性差异大、颗粒尺寸不规则，难以单独流化气化，容易形成搭桥、沟流及节涌等现象，因此需要添加惰性粒子组成多组分混合物来促进气化过程。为了改善生物质的流化特性，采用生物质与煤共气化，不仅煤渣起到了惰性粒子的作用，而且由于煤的热值高，气化过程温度高，从而使生物质热解所产生的焦油能够充分裂解，使气化效率提高，同时生物质的高挥发分、高氧含量和H/C 比以及生物质焦的高反应活性和高碱金属含量又促进煤焦的气化。因此将生物质与煤共气化不仅可以很好地弥补生物质单独气化的上述缺陷，同时在碳反应性、焦油形成和减少污染物排放等方面可能会发生协同作用。

在本试验中，研究了控制反应温度以及调节生物质与煤不同质量掺混比两方面对混合物的气化过程的影响，以期得到最佳的气化效果条件。

1 试验系统与方法

1.1 试验物料

试验中所用生物质为木屑(锯末)，木屑的粒径范围为0.2 ～0.8 mm;煤选用的是阳泉煤，选取煤的粒径范围为0 ～2 mm;两种燃料的工业分析见表1 所示。

1.2 试验装置及流程介绍

试验装置见图1 所示。试验前，将准备好的煤和生物质燃料按一定比例配比好;试验开始时，用电加热器烘热气化器，待达到预定温度(600℃)时停止;将事先配比好的混合物燃料经进料装置均匀加入，同时通入氮气，避免进料装置中充满可燃气体。由蒸汽发生器以及空气压缩机通入所需高温水蒸气和空气;然后将气化气产物先后通过旋风分离器、除尘器、水箱冷却装置以及过滤器，最后进入气体分析仪，对各种气体成分以及各种气体的含量进行分析。

表1 生物质与煤的工业分析及热值Tab．1 Proximate and ultimate analysis of Datong coal

图1 热态试验装置及其流程图Fig．1 Process configuration for experimental system

1.3 试验计算方法与工况

1.3.1 计算方法

(1)气体产率

式中:Y 为气体产率，m3/kg;M 为加料量，kg/h;Vg

为干气产量，m3/h。

(2)气化效率

式中:S1，S2为生物质和煤在混合料中所占的比例;Q(生)，Q(煤)为生物质和煤的低热值。

(3)当量比(ER)

使用空气作为气化剂进行生物质和煤气化试验时，空气既使气化原料发生部分氧化生成H2，CO，CH4等有效燃气，又会与生成的可燃产物发生燃烧反应。空气加入量使用当量比来衡量。

式中:q 为气化过程中设定的空气或氧气单位流量，m3/h;q0为单位质量生物质或煤完全燃烧生成H2O 和CO2所需要的空气或氧气量，m3/kg;v 为生物质或煤的进料速率，kg/h。

(4)水蒸气/原料重量比(S/M)

水蒸气的加入既可以迅速与炙热的炭反应生成H2和CO，又可以与碳氢化合物发生水蒸气变换反应生成H2和CO。水蒸气的加入量用水蒸气与生物质或煤的重量比来衡量:

式中:qs为水蒸气输入速率，m3/h;v 为生物质或煤的进料速率，kg/h。

1.3.2 试验工况

(1)为考察气化温度对气化效果的影响，本试验取了800 ℃，830 ℃，860 ℃，890 ℃4 组不同的试验温度。试验中，将煤与生物质原料混合物(按3∶1混合)从流化床顶部加入，然后从小到大调节流化空气量，观察各组温度下的流化现象。试验中选取ER=0.15 和S/M=0.5 时ER 和S/M 达到物料需求量的最佳水平。当试验中各个参数(主要是蒸汽量和空气量)和气体分析仪试验数据稳定以后，开始记录试验数据。

(2)为了考察生物质和煤在不同的混合比例下对气化气组分的影响，本试验选取了5 组不同的质量比，分别为1∶0，3∶1，1∶1，1∶3，0∶1 。并且为了降低温度对试验的影响，选取了850 ℃这个比较理想的试验温度。然后使进气量ER 在5 ～9 m3/h 处进行调节，S/M 控制在0.3 ～0.6 左右，使ER 和S/M 达到各个质量掺混比对应的最佳水平。待试验稳定后，记录相关的试验数据。

2 试验结果分析

2.1 气化反应机理

生物质与煤共气化是一个非常复杂的热化学反应过程，该过程受很多因素的影响，如反应温度、反应压力、物料特性、气化设备结构等。整个气化过程是自供热的，从它自身内部的化学反应过程就可以产生完全气化所需的热量。其气化过程主要反应为

2.2 温度对气化特性的影响

通过对由气体分析仪得到的各组温度下的试验数据进行整理和计算，得到不同温度下几种可燃气化气的体积分数以及不同气化温度下的气化特性，分别如表2、图2 所示。图3 为不同温度下的气化效率。

表2 不同气化温度下的各个气化特性Tab．2 Gasfication indicators of gas in different temperature

由图2，3 和表2 比对可以看出:由于还原反应式(7)，(8)是吸热反应，所以随着试验温度的升高，反应正向移动，CO 体积分数增加3%左右，而H2所占体积分数则明显增加，由10%上升到了20%，即对应的气体产率均呈现增长趋势;相反CnHn和CH4都趋于下降态势:其中CH4的体积分数下降明显，由10%下降到了5%左右，而CnHn也下降了约3%。由于CO 和H2的热值相对于CnHn和CH4的较大，所以随着温度的升高，所得可燃气体总热值也由6 069.4 kJ/m3增加到了6 714.6 kJ/m3，提升约1%，即煤与生物质混合物总气化效率相对提高了。而由图3 很容易看出随着反应温度的升高，气化效率不断提升。

总之，温度是影响气化特性的重要因素，通过影响气化混合气中各种燃气的浓度，从而影响产气效率、气化效率、碳转化率、气化热值等各方面的气化特性，所以在气化过程中寻找最佳气化温度是相当必要的。

2.3 质量掺混比对气化特性的影响

把不同质量掺混比下气体分析仪中读出的数据以及通过计算把各个气化特性的数据进行整理，得出图4 和表3。图5 为不同质量比下的气化效率曲线。

图4 不同质量混合比下的各个气化特性Fig．4 Volum fraction of gas in different quality ratio

表3 不同质量混合比下的各个气化特性Tab．3 Gasfication indicators of gas in different quality ratio

图5 不同质量混合比下的气化效率Fig．5 Gasification efficiency in different quality ratio

由图4，5 和表3 比对可以看出:由于煤的碳含量远远高于锯末，所以随锯末质量掺混比的减小，还原反应式(7)， (8)加快，致使CO，H2的浓度上升明显，分别有15%和8%左右的提升，即相应气化产率在不断上升，相反CH4，CnHn的体积分数则逐渐降低了大概2%，混合物共气化效率逐渐提高;并且由于850 ℃对于单纯生物质来说，属于较高气化温度，而单纯煤则需要较高的气化温度，所以随着生物质掺混比的下降，气化温度逐渐适应该不同掺混比的混合物，气化气的热值也就相应的增加。而由图5 可以看出，当质量比为3∶1时，气化效率最佳。总之，控制好最佳质量掺混比也是影响气化指标的重要因素。

3 结论

(1)在热态试验中，温度是影响各个气化特性的重要因素，在800 ℃到900 ℃区间中，随着气化温度的增加，气化气中各组分的浓度产生明显的变化:CH4的体积分数下降比较明显、CO 上升缓慢、H2上升比较快。在气化温度上升时，气化效率、碳转化率以及气体产率都不同程度的提高。

(2)生物质和煤的质量掺混比对气化特性的影响比较大，当气化温度在850 ℃时发现:在各个生物质与煤的质量掺混比中，质量掺混比为3∶1时气化效率最佳，掺混比为1∶1时气化效率强于其他3 组。从试验角度上说明生物质和煤在气化中有一定的协同作用，并且生物质的比例大于50%时，协同作用较明显一些。

(3)在800 ℃到900 ℃区间中，随着气化温度的增加，气体热值由6 069.4 kJ/m3增加到了6 714.6 kJ/m3;而随着混合物中煤质量分数的增大，产气热值由5 246.2 kJ/m3增加到了7 068.3 kJ/m3，对于研究生物质资源有效利用有很大参考意义。

(4)从试验中也可以看出，煤和生物质共气化，不仅气化运行稳定可靠，而且焦油量浓度也处于较低水平。气体成分和气化特性较单纯生物质气化均有不同程度提高。

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