王立群,許超杰,白文斌,陳　沖

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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甘蔗渣與煤共氣化試驗(yàn)研究

王立群,許超杰,白文斌,陳沖

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：利用流化床氣化爐進(jìn)行甘蔗渣與煤混合原料的氣化，以水蒸氣和空氣為氣化劑，進(jìn)行連續(xù)氣化生產(chǎn)低熱值混合燃?xì)?。試?yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變氣化溫度、S/B(水蒸氣/生物質(zhì))、空氣當(dāng)量比3個(gè)試驗(yàn)操作參數(shù)，記錄不同工況下的生成燃?xì)饨M分以及燃?xì)鉄嶂?，尋求甘蔗渣與煤共氣化試驗(yàn)中的最佳操作工況。得出試驗(yàn)最佳工況為：氣化溫度為950 ℃左右，S/B值為0.25，空氣當(dāng)量比為0.24，生物質(zhì)與煤的混合比例為4∶1。在此工況下進(jìn)行氣化試驗(yàn)，制得燃?xì)庾顬榧儍?、氣體熱值最高，為6.9MJ/m3左右。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；流化床；共氣化；最佳工況

人類(lèi)文明的進(jìn)步與能源密不可分。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人類(lèi)對(duì)于能源的需求也不斷增大，煤、石油、天然氣被大量消耗且消耗的速度也在不斷增加。由于具有不可再生性，化石能源的枯竭似乎已經(jīng)成了現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。按目前技術(shù)水平測(cè)算，煤炭、天然氣、石油分別可供繼續(xù)開(kāi)采200、60、40年[1]。另外，由于對(duì)化石能源的不合理開(kāi)發(fā)和利用使得溫室效應(yīng)、酸雨、大氣水體污染等問(wèn)題日益嚴(yán)重，人類(lèi)面臨著巨大的環(huán)境污染危機(jī)。對(duì)于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)能源的利用和開(kāi)發(fā)具有巨大的潛力。目前，我國(guó)對(duì)生物質(zhì)能源的利用率僅有1%～3%左右[2]。直接燃燒技術(shù)仍為農(nóng)村生物質(zhì)利用的主要手段，其燃燒效率低(10%～20%)[3]、環(huán)境污染大[4]。而農(nóng)村60%的生活能耗來(lái)源于生物質(zhì)原料直接燃燒，占農(nóng)村總能耗的32%[5]。流化床氣化爐氣化技術(shù)生成的燃?xì)饨M分主要為H2、CH4、CO、CO2等，氣化效率大幅度提高[5]。在此前提下，怎樣優(yōu)化試驗(yàn)操作，尋求最佳生物質(zhì)氣化試驗(yàn)工況是一個(gè)非常有意義的研究課題。

1甘蔗渣與煤共氣化反應(yīng)機(jī)理分析

生物質(zhì)與煤共氣化是在高溫條件下將煤與生物質(zhì)中可燃的部分轉(zhuǎn)化成例如CO、CH4、H2等可燃?xì)怏w的過(guò)程。該過(guò)程中燃燒和氣化密不可分，燃燒階段為氣化階段提供了所需的熱量，氣化過(guò)程是缺氧燃燒或者部分燃燒，氣化過(guò)程的進(jìn)行取決于燃燒階段的放熱狀況。

試驗(yàn)過(guò)程中生物質(zhì)與煤混合原料由上部加入，爐體自上而下可分4個(gè)層[6]：干燥層、裂解層、還原層和裂解層。流化床氣化爐工作原理如圖1所示[7]。

圖1　甘蔗渣與煤共氣化流化床工作原理

干燥層：甘蔗渣加入后首先進(jìn)入位于最上部的干燥層，帶有水分的物料與下面3層的熱氣體進(jìn)行熱量交換，從而使自身水分蒸發(fā)，達(dá)到干燥的目的。該層的溫度為100～300 ℃。干燥層中的干物料一部分會(huì)掉入下一層的裂解層中，余下的水蒸氣則排出爐外。

裂解層:甘蔗渣在該層主要發(fā)生裂解反應(yīng)，反應(yīng)所需能量主要來(lái)源于還原層和氧化層所生成的熱氣。熱氣體將熱量傳給生物質(zhì)，使其先發(fā)生裂解反應(yīng)。該層的溫度為400～600 ℃。反應(yīng)析出H2、CH4、CO2、CO、水蒸氣、焦油等，反應(yīng)殘余的煤炭沉至還原層，熱氣體上升至干燥層。

還原層：由于還原層沒(méi)有氧氣，該層中的碳與二氧化碳發(fā)生還原反應(yīng)，生成和H2和CO等，過(guò)程為吸熱反應(yīng)。該層主要產(chǎn)物為CO、CO2、H2等，這些熱氣體部分進(jìn)入上層的裂解層，其中沒(méi)有反應(yīng)完全的木炭則進(jìn)入氧化層。試驗(yàn)所需的氣化劑從爐體底部進(jìn)入，與熱灰渣進(jìn)行換熱，經(jīng)過(guò)加熱的氣化劑又跟炙熱的碳發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳，放出熱量。但由于氧氣供給并不充分，又會(huì)發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳，該過(guò)程是放熱反應(yīng)。氧化層發(fā)生的燃燒反應(yīng)放出大量的熱量，為其他3層提供了熱量，其產(chǎn)物(CO、CO2)進(jìn)入上層還原層，產(chǎn)生的灰分則落入下層灰室。

氧化層：試驗(yàn)所需的氣化劑從爐體底部進(jìn)入，與熱灰渣進(jìn)行換熱，經(jīng)過(guò)加熱的氣化劑又跟炙熱的碳發(fā)生燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳，放出熱量，但由于氧氣供給并不充分，又會(huì)發(fā)生不完全燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳，是放熱反應(yīng)。氧化層的溫度高達(dá)1 000～1 200 ℃。該層發(fā)生的燃燒反應(yīng)放出了大量的熱量，為其他的3層提供了熱量，所產(chǎn)生的產(chǎn)物(CO、CO2)進(jìn)入上層還原層，產(chǎn)生的灰分則落入下層灰室。

氣化區(qū)通常是氧化層與還原層的結(jié)合，氣化反應(yīng)在這兩層中進(jìn)行。干燥和裂解層通常被稱(chēng)為燃料預(yù)處理區(qū)和物料準(zhǔn)備區(qū)。反應(yīng)原理類(lèi)似于干餾，載熱體是來(lái)自氣化區(qū)中的熱氣體。正如上文所述，將爐內(nèi)反應(yīng)簡(jiǎn)單分為幾層并非絕對(duì)準(zhǔn)確，同一個(gè)反應(yīng)有可能在不同的層中同時(shí)出現(xiàn)。所以，上述劃分的氣化爐中的層次只是氣化過(guò)程中分為的大概的幾個(gè)區(qū)段。

生物質(zhì)與煤共氣化的過(guò)程反應(yīng)非常復(fù)雜，主要反應(yīng)如下：

C+H2O=CO+H2-131.4kJ/mol

(1)

C+2H2O=CO2+2H2-90.2kJ/mol

(2)

CO+H2O=CO2+H2+41.2kJ/mol

(3)

CH4+H2O=CO+H2-206.1kJ/mol

(4)

C+2H2=CH4+74.9kJ/mol

(5)

C+CO2=2CO-172.5kJ/mol

(6)

2氣化試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)的生物質(zhì)原料選取了南方地區(qū)常見(jiàn)的甘蔗渣，煤選用長(zhǎng)焰煤。甘蔗渣作為一種典型的生物質(zhì)原料，其物理特性及化學(xué)特性直接影響到它的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，這些物理特性有：密度、顆粒度、含水量、流動(dòng)性等?；瘜W(xué)特性見(jiàn)表1[8]。

表1　甘蔗渣與長(zhǎng)焰煤工業(yè)分析

2.1原料預(yù)處理

甘蔗渣是一種含水量較大的生物質(zhì)原料，其含水量通常都在50%左右，如此大含水量的生物質(zhì)原料直接用于氣化，會(huì)對(duì)后續(xù)試驗(yàn)考慮因素產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)含水量較大的甘蔗渣原料進(jìn)行氣化時(shí)，會(huì)首先進(jìn)行水分揮發(fā)，使耗能增大，降低了氣化溫度，因此對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理十分必要。一般原料干燥方法都是以高耗能為代價(jià)，這對(duì)于大規(guī)模氣化試驗(yàn)制取燃?xì)怙@然不利，因此需要尋找一種適合甘蔗渣的干燥方法。

本試驗(yàn)由于條件有限，采用自然干燥法進(jìn)行原料的干燥預(yù)處理，在氣溫較高的情況下通過(guò)晾曬的方法對(duì)其進(jìn)行干燥。經(jīng)過(guò)48h的晾曬之后，甘蔗渣的含水量下降到20%以下，已經(jīng)符合氣化試驗(yàn)的要求。干燥完成后，將干燥的生物質(zhì)與長(zhǎng)焰煤按質(zhì)量比4∶1的比例混合，作為試驗(yàn)原料使用。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有：流化床氣化爐、高溫旋風(fēng)分離器、生物質(zhì)干燥器、洗滌塔、儲(chǔ)氣柜、沉淀水池、儲(chǔ)灰箱、余熱鍋爐、螺旋加料機(jī)、分析檢測(cè)系統(tǒng)等。試驗(yàn)工藝流程圖如圖2所示。

1.流化床氣化爐; 2.旋風(fēng)分離器; 3.余熱鍋爐; 4.洗滌塔; 5.儲(chǔ)氣柜; 6.煙囪; 7.沉淀水池; 8.羅茨風(fēng)機(jī); 9.灰室; 10.帶螺旋加料機(jī)的煤倉(cāng); 11.帶螺旋加料機(jī)的生物質(zhì)儲(chǔ)存?zhèn)}; 12.風(fēng)室; 13.布風(fēng)板; 14.蒸汽噴嘴; 1-1.空氣控制閥;1-2.延期控制閥; 1-3.蒸汽控制閥; 1-4.燃?xì)饪刂崎y

圖2生物質(zhì)與煤共氣化流化床氣化試驗(yàn)工藝流程

2.3主要試驗(yàn)步驟

1) 原料特性分析，重點(diǎn)分析甘蔗渣的特性。

2) 利用螺旋加料器進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)，確定開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)所需的加料量。

3) 進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)，改變輸入生物質(zhì)量、輸煤量、溫度、空氣流量、制取并收集不同工況下的燃?xì)狻?/p>

4) 對(duì)所制取的燃?xì)膺M(jìn)行分析。

5) 通過(guò)對(duì)燃?xì)獾姆治?，得出不同氣化參?shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

6) 通過(guò)不同參數(shù)對(duì)氣化反應(yīng)的影響，取主要反應(yīng)因素，綜合考慮氣化反應(yīng)成本，得出最佳反應(yīng)工況。

3結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用經(jīng)預(yù)處理的原料通入水蒸氣-空氣作為氣化劑進(jìn)行氣化試驗(yàn)。對(duì)不同工況下生成燃?xì)膺M(jìn)行收集。

3.1氣化溫度對(duì)于氣化反應(yīng)的影響

分別取氣化溫度為800，850，900，950，1 000 ℃ 時(shí)的燃?xì)饨M分及熱值，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　氣化溫度對(duì)燃?xì)饨M分及燃?xì)鉄嶂档挠绊?/p>

氣化溫度對(duì)燃?xì)鉄嶂档挠绊懹蓤D3可知：隨著氣化溫度的升高，燃?xì)鉄嶂迪仁遣粩嗌仙?，?50℃以上時(shí)，熱值開(kāi)始出現(xiàn)緩慢的下降，主要是由于燃?xì)饨M分發(fā)生了變化。隨著溫度升高，熱值較高的H2和CO含量相應(yīng)增大，而低熱值的CH4、CnHm濃度降低，而CO和H2升高幅度又比低熱值燃?xì)獾臏p少幅度大，于是燃?xì)鉄嶂迪炔粩嗌仙?，隨著溫度繼續(xù)升高，氣化效率變低，外界的熱量必將更多地轉(zhuǎn)移到燃?xì)庵腥?。因此，?dāng)氣化反應(yīng)超過(guò)950 ℃時(shí)，燃?xì)鉄嶂惦S著氣化溫度的繼續(xù)升高呈緩慢的下降趨勢(shì)。

氣化溫度的升高總體上有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行，但并非氣化溫度越高越好。當(dāng)氣化反應(yīng)溫度超過(guò)最佳反應(yīng)溫度時(shí)，氣化反應(yīng)組成與燃?xì)鉄嶂祵②呌诜€(wěn)定，但是隨著反應(yīng)溫度的升高，能耗急劇增加。所以，綜合考慮氣化反應(yīng)的升溫能耗成本，氣化反應(yīng)溫度控制在稍高于950 ℃左右為最佳。

3.2S/B對(duì)氣化試驗(yàn)的影響

保持空氣當(dāng)量比(ER)不變，為0.25，通過(guò)調(diào)節(jié)水蒸氣的輸入量，使S/B在0.15～0.35之間變化，試驗(yàn)制得燃?xì)饨M分及燃?xì)鉄嶂等鐖D4所示。

圖4　S/B對(duì)燃?xì)獬煞忠约叭細(xì)鉄嶂档挠绊?/p>

由圖4可知：隨著S/B的不斷升高，水蒸氣的輸入量增大，降低了氣化溫度，影響了氣化效果，水蒸氣含量的增加也增加了燃?xì)庵械臍錃夂?，起到改善燃?xì)獾淖饔谩?/p>

隨著S/B的增大，燃?xì)庵械臍錃夂坑?6.8%上升至19.8%，又下降至18.7%。CO含量也呈相同的趨勢(shì)，先從13.8%上升至16.5%，再下降至14.6%。甲烷含量從5%下降至3.9%然后升至4.6%。同樣的，CO2含量先從15.4%下降至13.7%，再上升至16%。碳?xì)浠衔锏暮侩S著S/B的增大不斷減少。由圖4可知：水蒸氣的含量增加，使水蒸氣的反應(yīng)向右進(jìn)行，反應(yīng)(1)～(4)都會(huì)使H2和CO的含量增加，同時(shí)使甲烷和碳?xì)浠衔锏暮拷档汀５?，水蒸氣的持續(xù)加入降低了氣化反應(yīng)的溫度，導(dǎo)致CH4與碳?xì)浠衔锖康脑龃笠约癏2和CO含量的下降，因此各燃?xì)饨M分會(huì)出現(xiàn)上述上升與下降的趨勢(shì)。

燃?xì)鉄嶂惦S著S/B的增大升高至6.92MJ/m3。在此過(guò)程中，H2和CO的含量均有所上升；甲烷含量雖有所降低，但因甲烷含量在燃?xì)庵兴急壤^小，故燃?xì)鉄嶂悼傮w呈上升趨勢(shì)。在S/B為0.25～0.35范圍內(nèi)，燃?xì)鉄嶂到抵?.68MJ/m3；H2和CO的含量有所降低，導(dǎo)致燃?xì)鉄嶂迪陆?。可以得出：S/B為0.25左右時(shí)，燃?xì)鉄嶂颠_(dá)到最大值，此時(shí)氣化反應(yīng)溫度為900 ℃左右。

3.3當(dāng)量比對(duì)氣化反應(yīng)的影響

控制氣化溫度在950 ℃左右，保持S/B為0.24不變，通過(guò)改變輸入空氣量來(lái)調(diào)節(jié)空氣當(dāng)量比，使其從0.2逐漸增加至0.28。該過(guò)程中的燃?xì)饨M分及燃?xì)鉄嶂底兓鐖D5所示。

圖5　當(dāng)量比對(duì)燃?xì)饨M分及燃?xì)鉄嶂档挠绊?/p>

隨著當(dāng)量比不斷增大，氣化溫度也隨之升高，氣化溫度隨當(dāng)量比變化過(guò)程如圖5所示，氣化溫度不斷升高。由圖5可知：隨著當(dāng)量比增加，H2含量不斷增加，由11.2%增加至23.4%；CO2含量呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，隨當(dāng)量比增加呈上升趨勢(shì)，由11.3%增加至14.7%；甲烷與碳?xì)浠衔锏暮侩S當(dāng)量比增大不斷下降。隨當(dāng)量比的增大，氣化反應(yīng)中的氧氣含量增大，使得氣化反應(yīng)中的氧化反應(yīng)增強(qiáng)，促使熱解反應(yīng)向前推進(jìn)，對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量的提高有一定的促進(jìn)作用；另一方面，氧化反應(yīng)的增強(qiáng)導(dǎo)致了揮發(fā)成分的燃燒，也會(huì)導(dǎo)致燃?xì)赓|(zhì)量的下降。燃?xì)鉄嶂惦S著當(dāng)量比的增大，從6.68MJ/m3上升至6.94MJ/m3，又下降至6.72MJ/m3，呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，與上述分析基本符合。

在氣化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，確認(rèn)最佳ER值需要考慮多方面因素，本實(shí)驗(yàn)ER的最佳值在0.24左右。

4結(jié)論

1) 綜合加熱耗能成本考慮，甘蔗渣與煤共氣化最佳反應(yīng)溫度在950 ℃左右。

2) 當(dāng)S/B為0.25時(shí)，氣化反應(yīng)生成燃?xì)庾罴?，但是隨著水蒸氣的不斷加入，導(dǎo)致氣化溫度有所降低，進(jìn)而對(duì)氣化效果有一定影響。

3) 空氣當(dāng)量比為0.24時(shí)，燃?xì)饨M分及熱值最佳。

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(責(zé)任編輯何杰玲)

Experiment of Co-Gasification of Sugarcane Bagasse and Coal

WANG Li-qun, XU Chao-jie, BAI Wen-bin, CHEN Chong

(Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:Experimentofco-gasificationofsugarcanebagasseandcoalinafluidizedbedgasifierwasprocessed,withwatervaporandairasgasificationagent,andcontinuousgasificationtoproductegaswasconducted.Withthechangeoftemperature, S/BandER,gascomponentanditscalorificvaluewerechanged,andthegascomponentanditscalorificvaluewhentheworkingconditionchangedwererecordedintheexperimentalprocess.Andwegotthebestworkingcondition:whenthatthetemperatureeis950 ℃, S/Bisequalto0.25,andtheratioofbiomassandcoalis4∶1,thegasisthebest,andthecalorificvalueisthehigest,whichisabout6.9MJ/m3.

Keywords:biomass;fluidizedbed;co-gasfication;bestoptimumcondition

收稿日期：2016-01-21

基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(BE200851)

作者簡(jiǎn)介：王立群(1984—)，男，副研究員，主要從事能源與動(dòng)力工程研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.012

中圖分類(lèi)號(hào)：TK6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)06-0070-05

引用格式：王立群,許超杰,白文斌,等.甘蔗渣與煤共氣化試驗(yàn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(6):70-74.

Citationformat：WANGLi-qun,XUChao-jie,BAIWen-bin,etal.ExperimentofCo-GasificationofSugarcaneBagasseandCoal[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalScience)，2016(6):70-74.