胡夏雨，袁洪友，謝建軍，周肇秋?，潘賢齊，陰秀麗，吳創(chuàng)之

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

生物質(zhì)混流式固定床氣化爐運行特性分析*

胡夏雨1,2，袁洪友1，謝建軍1，周肇秋1?，潘賢齊1，陰秀麗1，吳創(chuàng)之1

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

以桉木為原料，對1.5 t/h生物質(zhì)混流式固定床氣化爐運行特性進行了測試分析與評價，與文獻(xiàn)報道的相關(guān)爐型包括上吸式、下吸式、兩段式等爐型運行結(jié)果進行了比較。實驗以氣化爐空氣通入量作為主要控制變量，對有或無水蒸氣條件下的氣化爐溫度及壓力分布、燃?xì)饨M成、焦油與飛灰含量、氣體產(chǎn)率等參數(shù)進行了較長周期的測試，結(jié)果表明：氣化爐運行效果符合設(shè)計要求，各項指標(biāo)相當(dāng)于或優(yōu)于傳統(tǒng)的下吸式氣化爐；氣化爐運行溫度與壓力比較穩(wěn)定；以冷燃?xì)庥嬎愕娜細(xì)鉄嶂导s為4 900～5 500 kJ/Nm3；氣化效率約為70%～78%；燃?xì)饨褂秃考s600～3 500 mg/Nm3，運行負(fù)荷在50%以上時，焦油含量一般低于1 500 mg/Nm3。研究結(jié)果有望為混流式氣化爐的改進和操作提供優(yōu)化建議，同時可為其他氣化工藝設(shè)計提供參考依據(jù)。

生物質(zhì)；混流式固定床；氣化；氣化效率；焦油

0 引 言

采用氣化技術(shù)處理生物質(zhì)原料可獲得可燃?xì)猓@種燃?xì)饩哂卸喾N用途，包括直接燃燒供熱于工業(yè)窯爐或鍋爐，驅(qū)動內(nèi)燃機、燃?xì)廨啓C發(fā)電，合成液體燃料及化學(xué)品等。生物質(zhì)氣化工藝的核心設(shè)備主要是各種型式的固定床及流化床氣化爐[1,2]，近年來亦有關(guān)于利用氣流床氣化細(xì)顆粒狀生物質(zhì)的研究報道[3]。氣化爐類型選擇一般根據(jù)設(shè)計處理量、原料顆粒狀態(tài)、應(yīng)用途徑等方面的要求進行確定。

流化床氣化爐比較適于大型化，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，操作要求高，固定床氣化爐單爐處理量相對較小，運行亦相對簡單。但無論采用何種型式的氣化爐，燃?xì)庵械慕褂图帮w灰均必須得到一定程度的去除以便滿足下游不同設(shè)備的燃?xì)鉂崈舳纫骩1,4]。

焦油及飛灰特別是焦油的存在一直是困擾生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問題。焦油的存在容易造成輸氣管道堵塞、下游設(shè)備腐蝕、積碳等運行故障，且降低氣化效率。因此有關(guān)生物質(zhì)氣化焦油脫除技術(shù)包括催化裂解、水洗、吸附等手段或其組合[5,6]一直以來均是該領(lǐng)域的研究熱點。目前看來，焦油催化裂解仍然存在催化劑易失活問題，而水洗設(shè)備又過于龐大且洗焦廢水難以處理，因此有必要結(jié)合多種技術(shù)以降低燃?xì)庵械慕褂秃浚貏e是優(yōu)化爐型設(shè)計與操作條件以求從源頭控制焦油產(chǎn)量。

受制于氣化爐運行溫度及氣體停留時間，一般結(jié)構(gòu)的固定床或流化床氣化爐中產(chǎn)生的焦油不能得到充分裂解即隨燃?xì)庖鰻t外，針對這一缺陷，一些研究考慮將氣化過程所涉及的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程分段耦合控制[7-11]，以期為焦油裂解提供較充分的反應(yīng)時間和焦油、半焦氣固接觸條件。

中國科學(xué)院廣州能源研究所近5年來針對工業(yè)鍋爐及窯爐研發(fā)了一種混流式固定床氣化工藝[12]，目前已經(jīng)推廣數(shù)套至工業(yè)企業(yè)，并建立了生物質(zhì)處理量為1.5 t/h的氣化與燃?xì)獍l(fā)電、合成、窯爐燃燒中試工程。該氣化爐兼具下吸式固定床焦油含量低及上吸式氣化爐粉塵含量低的優(yōu)點，且比常規(guī)的固定床氣化爐易于放大規(guī)模，比傳統(tǒng)下吸式固定床氣化爐運行阻力小。

本文將以桉木為氣化原料，分析混流式氣化爐的基本運行特性，包括燃?xì)饨M成、焦油及飛灰含量、氣化效率等參數(shù)，并與上吸式、下吸式、兩段式等氣化爐的運行特性進行比較，研究結(jié)果期望為混流式氣化及其他氣化工藝的操作與改進提供參考依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗原料

氣化實驗于2014年3～4月的氣化爐建成調(diào)試期間進行，氣化爐完整運行14天，每天24小時不停爐，對應(yīng)日期編號記為D1、D2、…、D14。實驗采用的原料為雜木，主要是桉木削片，自然風(fēng)干狀態(tài)直接入爐。原料的工業(yè)與元素分析數(shù)據(jù)見表1。受天氣及原料批次影響，入爐原料水分含量在16%～25%之間。

表1 桉木片氣化原料的工業(yè)與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of eucalypt chip for gasification

1.2 實驗裝置與采樣方法

實驗采用的混流式固定床氣化爐設(shè)計生物質(zhì)處理量為1.5 t/h，負(fù)荷在25%～100%之間可調(diào)。實驗系統(tǒng)流程如圖1所示。氣化系統(tǒng)主要包含氣化爐、空氣流量計、水蒸氣流量計、物料輸送等設(shè)施。氣化爐主體布置6層、每層周向4個熱電偶，燃?xì)獬隹谝嗖贾昧藷犭娕肌Ｔ跔t底、爐頂、燃?xì)獬隹诘任恢貌贾昧藟毫鞲衅饕詫崟r監(jiān)測氣化爐運行壓力變化情況。

空氣分三路通入氣化爐，分別為爐底風(fēng)、頂部中心風(fēng)和中部環(huán)形風(fēng)，一般情況下三股空氣的流量配比約為3∶2∶1。在爐底、爐中、爐頂風(fēng)口處設(shè)置了水蒸氣備用入口，一般情況下水蒸氣從中心風(fēng)口或爐底風(fēng)口通入。排渣采用旋轉(zhuǎn)爐排，通過啟停變頻電機控制物料在爐內(nèi)的停留時間。燃?xì)庥蓺饣癄t中部被引風(fēng)機引出送往下游，燃?xì)夤艿琅c引風(fēng)機之間的管道敷設(shè)了保溫層。

圖1 1.5 t/h混流式固定床氣化實驗系統(tǒng)流程圖Fig. 1 Schematic diagram of 1.5 t/h coupled drafting fixed bed

在燃?xì)夤艿涝O(shè)有采樣點，燃?xì)饧敖褂?、飛灰采樣系統(tǒng)如圖2所示，參考文獻(xiàn)[13,14]設(shè)置。取洗凈烘干氣體洗瓶6個，向其中前2個加入約2/3瓶玻璃珠，然后在每個洗瓶中加入焦油吸收溶劑即異丙醇約150 mL（分析純），連接好管路后即可開啟真空泵采樣，同時記錄煤氣表讀數(shù)。觀察洗瓶內(nèi)溶液顏色變化情況決定采樣終止時間。氣體采集首先通過類似圖2的過濾裝置，再用鋁箔采氣袋收集。

圖2 焦油、飛灰、氣體采樣系統(tǒng)Fig. 2 Tar, fly ash and gas sampling system

1.3 實驗與計算方法

氣化爐點火成功后，通過調(diào)節(jié)入爐總空氣量控制氣化爐負(fù)荷，通過爐頂料位計控制加料速度，通過啟停旋轉(zhuǎn)爐排控制排渣速度。以空氣通入量作為主要控制變量，一般調(diào)節(jié)工況30 min后，氣化爐溫度和壓力參數(shù)趨于穩(wěn)定，此時可以采集氣體、焦油和飛灰樣品，采樣時避免進料和轉(zhuǎn)動爐排。

焦油采樣結(jié)束后將全部溶液收集，采用微孔濾膜（0.22 μm）過濾并在烘箱中105℃下烘干至恒重，通過重量法獲取飛灰含量。濾液在烘箱中60℃下烘干8 h通過重量法獲得焦油含量。氣樣通過氣相色譜儀分析主要氣體組分含量，包括H2、CO、CO2、CH4、N2、O2等。大量氣樣在中試現(xiàn)場通過GC9800氣相色譜儀分析，部分氣樣運抵檢測單位采用Agilent 7890A氣相色譜儀分析，后者可檢測C2Hm組分。

氣化爐原料消耗量及爐底灰渣產(chǎn)量根據(jù)每天記錄結(jié)果測算。燃?xì)猱a(chǎn)量由入爐空氣與產(chǎn)生燃?xì)庵懈髯缘腘2含量根據(jù)質(zhì)量守恒計算，并與燃?xì)饬髁坑嫓y量結(jié)果對比，燃?xì)猱a(chǎn)率 ηgas為單位質(zhì)量收到基原料的產(chǎn)氣量（Nm3/kg）；冷燃?xì)鈿饣蔈gasif.指產(chǎn)出燃?xì)獾臒嶂蹬c入爐原料的熱值之比；碳轉(zhuǎn)化率ηC為燃?xì)庵蠧O、CO2、CH4、C2所包含碳元素含量之和與相應(yīng)原料中碳元素含量之比。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣化爐運行溫度與壓力分布特性

選擇爐底即爐排上部（圖1中TC1）、氣體出口（TC2）、爐中部環(huán)形風(fēng)口（TC3）幾個位置的監(jiān)測溫度作為氣化爐的特征溫度，其中爐底、爐中處周向各4個熱電偶，氣體出口處2個熱電偶，分別取其平均值。氣化爐采用空氣氣化運行連續(xù)監(jiān)測的溫度分布情況如圖3所示。

氣化爐溫度受到空氣量、水蒸氣量、排渣速度等多種因素的影響，但最主要的影響因素為氣化劑流量即操作負(fù)荷。如圖3a、3b所示，加大空氣量對于提高氣化爐上段和燃?xì)獬隹跍囟染哂酗@著影響。

圖3 氣化爐運行溫度分布特性Fig. 3 Temperature distribution of gasifier

氣化爐正常運行的壓力分布如圖4所示。爐頂（P3）和爐底（P1）主要受鼓風(fēng)機作用控制一般均維持正壓狀態(tài)，爐中部及爐出口受引風(fēng)機作用控制呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)。少數(shù)非正常狀況下，例如原料架空、出現(xiàn)溝流、出現(xiàn)大塊結(jié)渣等，可導(dǎo)致氣化爐軸向各點壓力出現(xiàn)異常，甚至爐底或爐頂呈嚴(yán)重負(fù)壓，此時應(yīng)及時干預(yù)以避免出現(xiàn)局部爆燃、燃?xì)馄焚|(zhì)變差等非正常狀況。

圖4 氣化爐運行壓力分布特性（D1 13:30-）Fig. 4 Pressure distribution of gasifier (D1 13:30-)

2.2 氣體產(chǎn)物及氣化效率分析

氣化爐空氣氣化不同工況下的燃?xì)饨M成及相應(yīng)的氣化效率分析見表2，并將實驗數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[10,16-19]進行了對比。表中所列氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)考慮了C2組分，其體積含量按照約0.5%計算，所有C2組分熱值統(tǒng)一按C2H4計。

實驗測得混流式固定床氣化爐空氣氣化燃?xì)鉄嶂狄话慵s為4 900～5 500 kJ/Nm3，相當(dāng)于或優(yōu)于常規(guī)的下吸式固定床氣化爐與先熱解再下吸式氣化的兩段式氣化爐。此種燃?xì)膺m用于一般工業(yè)窯爐或鍋爐燃燒，凈化后亦可用于驅(qū)動燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電，各種應(yīng)用途徑均已在中試現(xiàn)場成功運行。

當(dāng)運行負(fù)荷較低時，例如低于設(shè)計容量的25%，燃?xì)鉄嶂迪鄬^低。而當(dāng)運行負(fù)荷升高后，例如高于設(shè)計容量的30%，燃?xì)鉄嶂涤兴卟②呌诜€(wěn)定，熱值一般可高于5 000 kJ/Nm3。

中心風(fēng)處添加水蒸氣可明顯提高燃?xì)獾腍2/CO，水蒸氣亦可起到阻止床層溫度超限升高的作用，進而減少結(jié)渣和保護風(fēng)嘴。

氣化當(dāng)量比一般維持在0.25～0.3，不同運行負(fù)荷下當(dāng)量比變化較小。根據(jù)氮氣守恒及燃?xì)饬髁坑媽崪y結(jié)果得出的燃?xì)猱a(chǎn)率約為1.95～2.05 Nm3/kg，據(jù)此測算的氣化爐氣化效率約為70%～78%，碳轉(zhuǎn)化率一般可達(dá)95%左右。

根據(jù)爐底灰渣的元素與工業(yè)分析結(jié)果，做了總碳平衡估算，相關(guān)結(jié)果列于表3。表2和表3的測試日期并不一定一一對應(yīng)，但測試期間氣化爐運行狀況總體平穩(wěn)，因此具有一定的可比性。表3中飛灰與焦油對干基原料的質(zhì)量得率根據(jù)前述數(shù)據(jù)估算分別記為0.45%和1.4%，飛灰元素分析碳含量記為70%，焦油元素分析碳含量記為42%[15]。由表2和表3和所做的分析可以看出，進出氣化爐總碳根據(jù)記錄分析數(shù)據(jù)計算的質(zhì)量平衡較好。

表2 部分工況燃?xì)饨M成及氣化效率分析結(jié)果Table 2 Analysis of syngas composition and cold gas efficiency at parts of operating conditions

表3 氣化過程碳損失估算Table 3 Estimates of total carbon loss in gasification process

2.3 燃?xì)庵薪褂图帮w灰含量分析

燃?xì)庵薪褂团c飛灰含量的分析結(jié)果見表4。對于本實驗條件下的空氣氣化運行工況而言，燃?xì)庵械慕褂秃考s為600～3 500 mg/Nm3。

混流式氣化爐燃?xì)饨褂秃扛哂跓峤馀c氣化分置的兩段式氣化工藝[9,10,20]，這是因為混流式固定床氣化屬于下吸式與上吸式兩種氣化爐的有機耦合，焦油在熾熱炭床的停留時間相對較短，且下吸段未設(shè)置喉口。而兩段式氣化系統(tǒng)將熱解段與氣化段分置，焦油一般在具有外加熱源的熱解段已全部釋放，熱解氣依次經(jīng)過喉口和熾熱炭床，兩區(qū)溫度一般均高于1 000℃，因此焦油有較充分的反應(yīng)時間和較高的反應(yīng)溫度得到二次裂解。

實驗測得的燃?xì)饨褂秃康陀诨蛳喈?dāng)于一般的下吸式固定床氣化爐[19]，顯著低于傳統(tǒng)上吸式固定床氣化爐（約50 g/Nm3[21]）。當(dāng)混流式固定床氣化爐運行負(fù)荷較低時，產(chǎn)生焦油的爐體上段溫度偏低，因此焦油含量相對較高。當(dāng)運行負(fù)荷接近或超過50%時，焦油含量一般可低于1 500 mg/Nm3。由于焦油含量與氣化強度具有強關(guān)聯(lián)性[21]，可以預(yù)見，當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)升高后，焦油含量將會進一步降低。

燃?xì)庵酗w灰含量約為1 000 mg/Nm3，飛灰含量的測試結(jié)果具有較大波動，受氣化爐運行狀態(tài)實時變化的擾動比較明顯。

表4 混流式氣化燃?xì)庵薪褂团c飛灰含量測試結(jié)果Table 4 Tar and fly ash content in the syngas produced in coupled drafting fixed bed gasification system

3 結(jié) 論

通過對不同負(fù)荷下桉木空氣氣化燃?xì)饨M成、燃?xì)猱a(chǎn)率、氣化效率、焦油含量等參數(shù)進行分析的結(jié)果顯示，混流式固定床氣化爐的運行效果符合設(shè)計要求，氣化爐長時間穩(wěn)定產(chǎn)氣不存在技術(shù)問題，各項指標(biāo)相當(dāng)于或優(yōu)于傳統(tǒng)下吸式氣化爐。溫度與壓力分布比較穩(wěn)定；燃?xì)鉄嶂狄话銥? 900～5 500 kJ/Nm3，適用于工業(yè)窯爐或鍋爐、氣體內(nèi)燃機等用途；通過添加水蒸氣可以提高H2與CO比例，并可避免氣化爐運行溫度異常升高；大多數(shù)工況下冷燃?xì)庑始s70%～78%；焦油含量約為600～3 500 mg/Nm3，當(dāng)負(fù)荷超過50%時，焦油含量一般低于1 500 mg/Nm3。研究結(jié)果期望為混流式氣化爐的改進和操作提供優(yōu)化建議，同時為其他氣化工藝設(shè)計提供參考依據(jù)。

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Gasification Performance of Biomass in a Coupled Drafting Fixed Bed Gasifier

HU Xia-yu1,2, YUAN Hong-you1, Xie Jian-jun1, ZHOU Zhao-qiu1, Pan Xian-qi1, YIN Xiu-li1, WU Chuang-zhi1
(1. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China； 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

This paper evaluated the gasification performance of a 1.5 t/h coupled drafting fixed bed gasifier using eucalypt, and compared the operating parameters to other fixed bed gasifiers from literatures including updraft, downdraft and two-stage. The air with or without steam input amount was selected as a major controlling variable, temperature and pressure distribution, syngas composition, tar and fly ash content, gas yield were tested in a long period. The results show that the operating performance of the coupled drafting gasifier meets the design requirements. The operating temperature and pressure are relatively stable. The syngas calorific value is approximately 4 900～5 500 kJ/Nm3. In most of running conditions, the cold gas efficiency of about 70%～78% could be obtained. The syngas tar content is mainly in the range of 600～3 500 mg/Nm3and generally lower than 1 500 mg/Nm3when running at capacities of higher than 50%. The parameters considered are all equal to or better than conventional downdraft fixed bed gasifier. The results are expected to improve the design and operation of the coupled drafting gasifier, and also to provide a reference for other gasification process.

biomass； coupled drafting fixed bed； gasification； cold gas efficiency； tar

TK6

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.001

2095-560X（2015）03-0163-06

胡夏雨（1991-），女，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)氣化模擬與實驗研究。

2015-05-18

2015-05-30

國家自然科學(xué)基金項目（51176194）；廣東省戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)項目（2012A032300019）

? 通信作者：周肇秋，E-mail：zhouzq@ms.giec.ac.cn

周肇秋（1972-），男，碩士，高級工程師，主要從事生物質(zhì)氣化應(yīng)用研究。