生物质循环流化床气化的实验.doc

生物质循环流化床气化净化系统的应用
摘要：介绍了生物质循环流化床气化的实验系统、实验方法和结果分析。
关键词：循环流化床；气化；生物质
Experiment on Biomass Gasification in Circulating Fluidized Bed
MA Wen-chao，HU Yan-jun，LIU Fang-jin， CHEN Guan-yi
(Institute of Bioenergy and Wastes Treatment，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
Abstract：The experimental system，experimental method and result analysis of biomass gasification in a circulating fluidized bed are introduced.
Key words：circulating fluidized bed；gasification；biomass
。
生物质是一种新型、清洁的可再生资源[1、2]，与其他可再生能源相比，生物质资源量大且分布广[3]，处理技术简单，应用范围广。因此，在众多的可再生能源中，生物质因产量丰富、易于利用、温室气体减排效果好而受到世界各国的重视[4]。。
该技术采用空气预热式循环流化床作为燃气生成和空气预热系统，由旋风分离器、文丘里管和水洗塔构成燃气净化系统，还具有污水处理池等污水处理及循环系统，具有适用性广，技术性能高的特点，它可以单独或同时处理几种废料，包括木屑、谷壳、秸秆或甘蔗渣等，日处理废料量可以从１０吨到２００吨，所产生的燃气可发电几百kW到几千kW，而且耗水量低，热效率高（大于１６％）
    传统处理生物质的方法是在燃烧炉里直接燃烧，利用效率低，造成生物质能的巨大浪费。现代的处理方法能克服上述不足，具体方法有：直燃生物质进行热电联产，热化学转化方法制取燃气，生物化学法制取气体、液体燃料等[6～10]。
    气化作为一种热化学转化技术，因其具有如下优点而引起广泛关注：对原料的种类及颗粒大小没有严格要求，合成气应用广泛，相比于热解污染问题较小。此外，IEA(国际能源署)可再生能源研究中心的报告[11]和McGowin等人[2]的研究表明：气化技术用于热电联产，与生物质直燃技术以及其他发电方式(包括天然气联合循环)的造价几乎相同。Krigmont[13]预言气化将应用于处理固体废弃物领域，使其转化成有用的燃料以解决严重的环境问题。但气化技术尚存在很多问题：产气过程不稳定、燃料适应性较差、大规模推广困难、燃气质量差等。
    虽然循环流化床技术在过去的20年中被广泛应用于煤燃烧和石油工业，并取得巨大成功，但在生物质气化方面的应用较少[14]。考虑到循环流化床技术的特点，生物质循环流化床气化有如下特性：可使用多种生物质原料，易扩大规模，可应用于现有的发电站，造价低[15]。然而其技术不确定性很高，设计一种新的气化发生器的难度也很大。
    本文将介绍天津大学的生物质循环流化床气化实验系统，该装置旨在制取高品位燃气的同时，降低焦油及颗粒物含量，减少气化过程污染物的排放，提高产气率，且不影响制取气体的热值[16]。此外，还将获取循环流化床气化系统的运行经验，控制其稳定运行，使气体组成及产气量波动小。
1 实验系统及方法
    ① 实验系统
    实验系统采用的是循环流化床气化系统，见图1。系统由两级给料装置、流化床主体(气化炉)、旋风分离器、返料器、氢气发生器、空气预热器和辅助设备组成。辅助设备包括点火装置、燃气净化装置、燃气采样装置和烟囱，以及计算机自动采集系统。主体床高为6000 mm，内径为125 mm，通过热功率为150 kW的圆柱型电加热器调节床温。松树的锯屑作为气化物质，其工业分析和元素分析见表1。

表1 松树锯屑成分分析
Tab.1 Composition analysis of pine filing
工业分析
固定碳/%
16.35
挥发分/%
70.55
水分/%
12.27
灰分/%
O.8
元素分析
碳质量分数/%
47.67
氧质量分数/%
43.94
氢质量分数/%
5.86
氮质量分数/%
1.50
硫质量分数/%
0.09
氯质量分数/%
0.11
灰分/%
O.83
高热值/(MJ·kg-1)
18.10
    生物质通过两级螺旋给料器进入炉膛。系统运行时，高温燃气中的粗糙小颗粒在炉膛出口处被旋风分离器迅速分离，通过返料器循环回到炉膛底部。与炉膛底部相连接的空气预热器加热送向炉底的空气，使得炉体的温度稳定在需要工况。在辅助设备中设有燃气采样装置，通过测试污染物的排放量来分析可燃气体的燃烧特性；采样装置设在气体过滤器出口侧，以便分析产生气体的组成。环绕炉体安装18 kW的电预热器，加热炉膛使其达到预定温度。在循环流化床气化系统中，除了下游装置，其他设备都覆盖隔热保温板，以减少热量损失。表2是循环流化床气化系统的设计参数，表3是循环流化床气化系统的运行参数。
表2 循环流化床气化系统的设计参数
Tab.2 Design parameters for circulating fluidized bed gasification system
床内衫mm
125
床高/m
6.0
炉膛有效高度/m
5.5
旋风分离器效率/%
＞97
电加热最大热功率/kW
150
气化剂
空气、水蒸气
给料口个数/个
2
预热能力/kW
18
表3 循环流化床气化系统的运行参数
Tab.3 Operation parameters for circulating fluidized bed gasification system
炉膛气流速度/(m·s-1)
2.0
炉膛压力/MPa
1.0
给料量/(kg·h-1)
20
临界流化速度/(m·s-1)
0.2
一、二次配风体积比
10:1
一、二级给料质量比
1:4
炉膛平均温度/℃
820
催化剂与石英砂的质量比
1:10
  ② 实验方法
    常用的催化剂有：白云石/石灰石、镍基催化剂、含镍的混合催化剂。使用方法一般采用以下3种：催化剂和床料掺混在一起，先放入炉内；在给料过程中催化剂和生物质掺混在一起送入炉膛；催化剂和给料通过不同的给料口同时分别送入炉膛[17]。高温裂解和催化剂的作用使得焦油含量明显降低。在本实验中采用的是第1种方法。
    实验开始前，向流化床内加入石英砂和煅烧白云石。石英砂作为流化介质，白云石作为流态化催化剂，主要用于焦油裂解。打开电加热装置，把空床直接加热到设计温度(800-850℃)，然后打开螺旋给料机把锯屑送入炉膛，与此同时吹入空气进行反应。
    当循环流化床气化系统稳定工作时，将制取的气体通过采样装置进行分析。此时气体气化装置在计算机的监控下同步运行，所有采集的数据都送到计算机中统一处理。
2 测试与分析
    设置8组热电偶测试气化温度，发现有2个热电偶读数不准确，一个位于布风板上方1.2 m，另一个位于布风板下方0.2 m。所有的温度由温度测量系统自动控制。
    气体由FT-IR分光计、多组分气相色谱仪和一个在线单元素分析仪进行测试与分析，包括对CO、CO2和SO2的无分散红外测试、NO的无分散紫外测试、O：的顺磁性测试和H：的微气体套色复制。
    实验中测得气体组分有CO、CO2、H2、H2O、C1～C3化合物(CH4、C2H4、C2H6、C3H6)、02、N2、NH3、HCN和氮氧化物(NO、N20和NO2)，以及SO2、COS、CS2(通常浓度很低)、HCl等。此外，C4Hx～C10Hx也很容易被测得。还测得了制取气体的焦油含量，精度较高。灰分由校外的研究机构进行元素分析(C、H、N、C1、S和O)，测试主要的矿物元素(Al、K、Na、Ca、Mg、P、Fe、Si)和痕量元素(Co、Mo、Mn、Cr、Ni、Zn、Cu、V、Pt、Cd)等。
3 结果与讨论
图2表明了实验装置产气率随时间的变化曲线。在运行初始阶段，产气率呈线性增加，10 min后进入稳定运行阶段，产气率波动在1.79～1.85 m3/kg。这对下游装置，尤其是汽轮机(或微涡轮机)的稳定运行无负面影响。表4为制取气体的参数。

    由实验结果可知，本实验装置获取的燃气焦油质量浓度很低，仅为96 mg/m3，气体高热值为6.30 mJ/m3左右。虽然产气率略低，但考虑到设备限制(预处理能力低导致反应器温度较低，旋风分离效率低，生物质粒径不理想等)，上述实验结果相对令人满意，认为这种气化方式可行。
    表4 制取气体的参数
Tab.4 Parameters for producing gas
气体组分的摩尔分数/%
C0
13.36
C02
11.89
CH4
4.78
C2H4
0.78
H2
9.64
N2
49.34
H20
10.21
产气量/(m3·h-1)
7.84
产气率(m3·kg-1)
1.83
低热值/(MJ·m-3)
5.10
高热值/(MJ·m-3)
6.30
焦油质量浓度/(mg·m-3)
96.00
4 结论
    天津大学的生物质循环流化床气化实验装置制取燃气的产气率为1.83 m3/kg左右，气体高热值为6.30 MJ/m3，产气量为7.84 m3/h，焦油质量浓度仅为96 mg/m3。为提高燃气的产气率，今后需建立流化床气化装置理论模型，并展开更细致的实验分析。
参考文献：
[1] Johansson T B，Kelly H，Reddy A N. Renewable energy sources for fuel and electricity[M]. Beijing：Petroleum Industry Press，2000.
[2] Gielen D J，De Feber M A P C，Bos A J M. Biomass for energy or materials a western European systems engineering perspective [J]. Energy Policy，2000，29(5)：291-302.
[3] Larson E D. Technology for electricity and fuels from biomass [J]. Annum Resource Energy Environment，1993，8(7)：567-630.
[4] 米铁，陈汉平.生物质能利用技术及研究进展[J].煤气与热力，2004，24(12)：701-705.
[5] European Commission. Directorate-general for biomass research：an energy resource for the European Union [R]. Brussels：European Commission，2000.
[6] 张秀梅，陈冠益，孟祥梅，等.催化热解生物质制取富氢气体的研究[J].燃料化学学报，2004，32(4)：446-449.
[7] 陈冠益，李强，Spliethoff H，等.生物质热解气化制取氢气[J].太阳能学报，2004，25(6)：776-781.
[8] 吴创之，徐冰燕，罗曾凡，等.生物质循环流化床气化的理论及应用[J].煤气与热力，1995，15(5)：3-8.
[9] 吴创之，徐冰燕，罗曾凡，等.生物质中热值气化技术的分析及探讨[J].煤气与热力，1995，15(2)：8-14.
[10] 杨海平，米铁，陈汉平，等.生物质气化中焦油的转化方法[J].煤气与热力，2004，24(3)：122-126.
[11] IEA CADDET Centre. Renewable energy advanced thermal conversion technologies for energy from solid waste：a joint report of IEA Bioenergy and the IEA CADDET [R]. Vienna (Austria)：IEA CADDET Centre Press，1998.
[12] McGowin C，Hughes N. World Bank report：Holt N. Economic & risk evaluation of the Brazil biomass-gasification/gas-turbine demonstration project[R].Washington (USA)：World Bank Press，1998.
[13] Krigmont H V. A white paper：integrated biomass gasification combined cycle (IBGCC) power generation concept-the gateway to a clearer future [R]. Brussels (Belgium)：QEP，1999.
[14] Van de Drift A，Van Doorn J，Vermeulen J W. Ten residual biomass fuels for circulating fluidized-bed gasification [J]. Biomass and Bioenergy,2001,20(20:45-56.
[15] Bentzen J D，Hummelshoj R. Low tar and high efficient gasification concept [A]. Hirs G G. Proceedings of ECOS 2000(Additional Papers)，Eurotherm Seminar [C]. Enschede( Netherlands)：Biomass Research Institute，2000.179-183.
[16] Chen G. Circulating fluidized bed gasification of biomass：originality in system design and experimental approach [A]. Liu W. Preprints of the International Conference on Energy Conversion and Application [C]. Wuhan (China)：Wuhan University Press，2001.1263-1267.
[17] Corella J，Aznar M，Gil J，et al. Biomass gasification in a fluidized bed：where to locate the dolomite to improve gasification [J]. Energy & Fuels，1999，12(5):1122-1127.