生物質(zhì)湍動流化床氣化特性分析

趙延兵， 叢堃 林，張 凝，李清海，張衍國

(1.北京一亞高科能源科技有限公司，北京 100085；2.清華大學(xué)能源與動力工程系，北京 100084)

我國生物質(zhì)資源豐富，發(fā)展生物質(zhì)能源潛力優(yōu)勢巨大[1].據(jù)統(tǒng)計，我國每年可開發(fā)木質(zhì)能源約3.5 億噸，可替代標(biāo)煤2 億噸；農(nóng)作物秸稈理論資源量9.95億噸，可收集資源量8.29 億噸，可代替標(biāo)煤約3.5 億噸[2].然而，我國農(nóng)、林生物質(zhì)資源的利用效率和技術(shù)手段方面與發(fā)達(dá)國家還有著一定的差距[3].

現(xiàn)階段，我國生物質(zhì)資源的主要利用方式為直接燃燒、物化轉(zhuǎn)換和生化轉(zhuǎn)換，根據(jù)生物質(zhì)高揮發(fā)分的特性，物化轉(zhuǎn)換中的氣化技術(shù)是生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用的有效方式之一[4].根據(jù)物料在反應(yīng)器內(nèi)的相對狀態(tài)可將氣化技術(shù)分為：固定床、流化床和氣流床氣化技術(shù).其中，固定床氣化原料要求較高，需為塊狀原料，且燃?xì)庵薪褂秃枯^高，凈化難度較大；氣流床氣化爐一般為純氧/富氧加壓氣化，投資成本較大，原料預(yù)處理要求較高，運(yùn)行成本高，且適宜大規(guī)模運(yùn)行，與生物質(zhì)分布式特點相悖.流化床氣化爐以其氣化效率高、原料適應(yīng)性強(qiáng)、污染物排放少、投資相對較少、可分布式布置等特點而受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.

近些年，國內(nèi)外學(xué)者針對生物質(zhì)流化床氣化技術(shù)開展了大量的研究工作.奧地利維也納工業(yè)大學(xué)Priyanka 等[5]開發(fā)出了鼓泡流化床和快速流化床聯(lián)用的生物質(zhì)雙流化床，已用于工業(yè)生產(chǎn)；日本橫濱市石川島播磨重工業(yè)有限公司Murakami 等[6]提出的以鼓泡流化床作為氣化爐雙床氣化技術(shù)等.國內(nèi)方面，華北電力大學(xué)楊建蒙等[7]針對鼓泡流化床進(jìn)行了系統(tǒng)研究；哈爾濱工程大學(xué)董芃[8]針對復(fù)合式低倍率外循環(huán)流化床進(jìn)行了系統(tǒng)研究，中國科學(xué)院過程研究所Xu 等[9]開發(fā)出了兩段式雙流化床反應(yīng)系統(tǒng)等.

目前，生物質(zhì)流化床氣化技術(shù)中多以鼓泡流化床、循環(huán)流化床為基礎(chǔ).針對氣化燃?xì)庵薪褂汀w灰含量高的問題多采用單床分級氣化或多床耦合的方式進(jìn)行優(yōu)化[10]，關(guān)于流化床爐型改進(jìn)方面的研究鮮有報道.本文采用北京一亞高科能源科技有限公司自主研發(fā)的“變截面”式湍動流化床氣化爐，系統(tǒng)研究了不同空氣當(dāng)量比、粒徑條件下玉米秸稈湍動流化床的氣化特性及氣化燃?xì)庵薪褂?、飛灰含量的影響，為工業(yè)化放大提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐.

1 試驗材料和方法

1.1 試驗原料

試驗原料為購置于山東博禾新能源科技有限公司的玉米秸稈顆粒，工業(yè)分析、元素分析及熱值見表1.將玉米秸稈顆粒通過破碎機(jī)分為3 種粒徑(不破碎、一級破碎、兩級破碎)，分別命名為1#、2#、3#，3種粒徑玉米秸稈原料粒徑分布和堆密度見表2.

表1 玉米秸稈顆粒工業(yè)分析、元素分析和熱值Tab.1 Proximate analysis，ultimate analysis and heat value of corn straw particles

表2 原料粒徑分布和堆密度Tab.2 Particle size distribution and bulk density of raw materials

1.2 試驗裝置

湍動流化床氣化系統(tǒng)流程如圖1 所示.湍動流化床氣化爐由進(jìn)料系統(tǒng)、湍動流化床氣化反應(yīng)系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、取樣分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成.湍動流化床氣化爐設(shè)計能力為75 kg/h，氣化爐爐體高4 500 mm，密相區(qū)為兩頭大、中間小的變截面式設(shè)計，爐膛密相區(qū)底部內(nèi)徑150 mm，最大橫截面積位置內(nèi)徑600 mm，稀相區(qū)內(nèi)徑350 mm；爐膛為絕熱爐膛，以粒徑≤1 mm 河砂作為床料.在爐膛風(fēng)室、爐膛密相區(qū)、爐膛稀相區(qū)，爐膛出口分別設(shè)置壓力測點，依次為p1、p2、p3、p4；在爐膛密相區(qū)、爐膛橫截面最大位置、爐膛進(jìn)料口、爐膛稀相區(qū)、爐膛出口位置分別設(shè)置溫度測點，依次為T1、T2、T3、T4、T5.運(yùn)行過程中，料倉內(nèi)物料經(jīng)進(jìn)料螺旋輸送至爐膛內(nèi)，發(fā)生氣化反應(yīng)；氣化燃?xì)饨?jīng)旋風(fēng)分離器除塵處理后，通過集氣管匯合輸送至燃燒器進(jìn)行燃燒處理，燃燒后煙氣經(jīng)冷卻處理后，通過布袋除塵器進(jìn)行精除塵，最后由煙囪排出.

圖1 湍動流化床氣化焚燒系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of turbulent fluidized bed gasification combustion system

1.3 試驗方法

本文主要研究不同空氣當(dāng)量比(RE，原料氣化反應(yīng)空氣供給量與理論完全燃燒需氧量之比)、不同粒徑條件下玉米秸稈湍動流化床的氣化特性.其中，氣化燃?xì)庵蠧O、H2、CH4、CnHm、CO2和O2的體積分?jǐn)?shù)由Gasboard 3100 紅外在線煤氣分析儀直接測得，N2體積分?jǐn)?shù)由差值法計算得出.氣化燃?xì)猱a(chǎn)氣量通過N2守恒計算，水產(chǎn)量通過氣體該溫度下的飽和水量和冷凝系統(tǒng)凝結(jié)水之和計算，焦油及飛灰含量根據(jù)《GB/T 12208—2008 人工煤氣組分與雜質(zhì)含量測定方法》進(jìn)行測定.試驗過程中，各參數(shù)指標(biāo)計算參照式(1)～式(6)[11-14]，取樣系統(tǒng)示意如圖2 所示.

圖2 取樣系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic of sampling system

式中：V0為原料完全燃燒的理論空氣量，m3；wC、wH、wO、wS分別為原料中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(應(yīng)用基)，%；Qv為氣化燃?xì)獾臀话l(fā)熱量，kJ/m3；φCO、、為氣化燃?xì)庵懈鞒煞趾浚?；其中為氣化燃?xì)庵蠧2、C3烴類總和；Vg為穩(wěn)定工況下一定時間內(nèi)氣化產(chǎn)氣量，m3/h；Vair為穩(wěn)定工況下一定時間內(nèi)空氣進(jìn)量，m3/h；φN2為氣化燃?xì)庵蠳2含量，%；Gg為單位質(zhì)量原料產(chǎn)氣量，m3/kg；Mb為穩(wěn)定工況下一定時間內(nèi)氣化消耗原料量，k g/h；ηg為冷煤氣效率，%；Qb為入爐原料低位發(fā)熱量，MJ/kg；ηc為碳轉(zhuǎn)化率，%；Mc為原料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣當(dāng)量比對氣化參數(shù)的影響

針對1#玉米秸稈顆粒進(jìn)行氣化試驗，爐膛溫度與RE關(guān)系見圖3.由圖3 可知，在0.23～0.33 區(qū)間內(nèi)，隨著RE的增加爐膛溫度整體呈升高趨勢，RE在0.23～0.26 區(qū)間，溫度T2呈先增后減趨勢，并于RE＝0.24 時為較高值；升溫速率(斜率)呈先升高后降低趨勢，于RE在0.28～0.30 區(qū)間處于較高水平；爐膛稀相區(qū)溫度、密相區(qū)溫度和最大橫截面溫度關(guān)系為：T4＞T2＞T1.

圖3 RE對爐膛溫度的影響Fig.3 Effect of REon furnace temperature

低RE工況，原料中燃燒份額較低，氣化反應(yīng)不完全，爐膛內(nèi)部整體溫度呈較低水平.此時，通入的氣化空氣部分用于氣化反應(yīng)，剩余部分進(jìn)入橫截面位置參與燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致爐膛最大橫截面溫度T2升高；當(dāng)RE＝0.25 時，密相區(qū)溫度T1達(dá)到700 ℃以上，氣化反應(yīng)逐漸加劇，于爐膛最大橫截面參與燃燒的氣化空氣占比降低，由此T2溫度于RE＝0.25 處略有下降.隨著RE值的不斷增大，燃燒份額的增加，升溫速率呈增高趨勢.當(dāng)RE＞0.29 時，密相區(qū)氣化反應(yīng)基本達(dá)到完全水平，最大橫截面溫度和密相區(qū)溫度達(dá)到水煤氣反應(yīng)溫度，水煤氣反應(yīng)開始加劇，吸熱量增加，升溫速率緩慢.

不同RE條件對氣化指標(biāo)的影響如圖4、圖5 所示.在0.23～0.33 區(qū)間，隨著RE不斷增加，CO、CH4、CnHm的含量呈降低趨勢，CO2的含量呈升高趨勢，H2的含量呈先升高后降低趨勢，并于RE＝0.28 時取得最大值8.59%.氣化燃?xì)鉄嶂祬^(qū)間范圍為3.86～5.25 MJ/m3，且隨著RE的升高呈降低趨勢.隨著RE的增加，氣化燃?xì)饨褂秃砍式档挖厔?，在RE≥0.28時，焦油含量低于125 mg/m3；碳轉(zhuǎn)化率呈升高趨勢，在RE＝0.33 達(dá)87.53%；冷煤氣效率呈先增后減趨勢，并于RE＝0.28 時達(dá)最大值48.21%.不同RE條件下，一級旋風(fēng)粗除塵后氣化燃?xì)怙w灰含量均處于較低水平且無明顯影響.

圖4 RE對氣化燃?xì)饨M份含量及低位熱值的影響Fig.4 Effect of REon gas components and LHV

圖5 RE對冷煤氣效率、碳轉(zhuǎn)化率、氣化燃?xì)饨褂图帮w灰含量的影響Fig.5 Effect of REon cold gas efficiency，carbon conversion，tar and fly ash content

RE值較低階段氣化空氣量較少，爐膛溫度相對較低，熱解反應(yīng)相對占比較高，CH4、CO 含量相對較高，CO2含量相對較低，焦油含量較高；隨著RE的增加，氣化反應(yīng)不斷增強(qiáng)，氣相中燃燒份額隨之加劇，CO2含量隨之增加；再加上氣化空氣中的N2惰性氣體的加入，使得單位體積中CO、CH4、CnHm的含量隨之降低，進(jìn)而氣化燃?xì)鉄嶂惦S之減少.氣化燃?xì)饨褂秃康慕档停环矫婵赡艿靡嬗谕膭恿骰参锪洗擦蠣t膛內(nèi)循環(huán)的特性，物料、床料、粗燃?xì)忾g強(qiáng)烈的傳質(zhì)傳熱，氣化飛灰、殘?zhí)碱w粒與焦油在該階段接觸更為充分，氣化飛灰中堿金屬和堿土金屬含量較高，且該階段溫度較高，達(dá)到焦油催化裂解的反應(yīng)條件，這與相關(guān)文獻(xiàn)報道結(jié)論一致[15-18]；另一方面，湍動流化床獨(dú)特的氣體流場，使得燃?xì)饬鲃舆^程中形成“慢氣速＋二次湍流”的效果，即變截面設(shè)計使得氣體上升過程中流速逐漸減低，停留時間得以延長[19]，結(jié)合上縮口使得氣流在縮口位置進(jìn)行返混，達(dá)到二次湍流的效果.由此，氣化燃?xì)?、氣化飛灰、殘?zhí)碱w粒、焦油、剩余氣化空氣進(jìn)行進(jìn)一步混合，實現(xiàn)焦油的進(jìn)一步催化裂解，同時使得燃?xì)怙w灰量處于較低水平.

2.2 原料粒徑對氣化參數(shù)的影響

不同粒徑條件下，最佳RE工況如表3、表4 所示：1#、2#、3#工況最佳RE依次為0.28、0.28 和0.24.其中，1#工況H2含量最高，為8.59%；2#工況CO2含量最高，為19.44%；3#工況CO、CH4含量最高，分別為18.4%和5.9%.3#工況燃?xì)鉄嶂底罡撸_(dá)5.34 MJ/m3，2#工況冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率最高，分別為55.09%和81.93%，1#和3#工況相對較低.2#工況焦油含量最低，僅為118 mg/m3；3 種工況中，經(jīng)過一級旋風(fēng)粗除塵的飛灰含量與粒徑大小呈正相關(guān).

1#工況粒徑相對最大，氣化反應(yīng)相對較慢，殘渣中未反應(yīng)碳含量較高，同樣RE條件下，氣相燃燒份額相對較大，使得爐膛溫度較高，水煤氣反應(yīng)相對較為劇烈，由此H2含量較高，冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率較低.3#工況粒徑粒徑相對最小，氣化反應(yīng)劇烈，小顆粒原料未反應(yīng)完全就隨燃?xì)獯党鰻t膛，使得飛灰中未反應(yīng)碳含量較高，冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率相對較低.2#工況粒徑介于1#和3#工況之間，氣化飛灰及殘渣中碳含量均處于較低水平，冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率相對較高.3#工況焦油含量較高，主要是由于爐膛溫度相對較低，熱解反應(yīng)相對占比較高，由此焦油含量較高；飛灰含量受原料粒徑影響較大，細(xì)小粒徑更易隨燃?xì)怆x開爐膛，由此3#工況飛灰含量較高.

3 種粒徑最佳RE條件下，各氣化產(chǎn)物中C、H 元素占比情況由圖6 可知：1#工況C 元素主要遷移至氣化燃?xì)夂驮校?#工況C 元素主要遷移至氣化燃?xì)庵?，少量存在于氣化飛灰中，3#工況C 元素主要遷移至氣化燃?xì)夂蜌饣w灰中；3 種工況H 元素主要存在于氣化燃?xì)夂蜌饣a(chǎn)水中.結(jié)果與3 種原料粒徑最佳RE工況氣化結(jié)果一致.

表3 3種粒徑最佳燃?xì)獬煞旨盁嶂礣ab.3 Optimum gas components and heat value of three kinds of materials

表4 3種粒徑最佳氣化參數(shù)Tab.4 Optimum gasification parameters of three kinds of materials

圖6 生物質(zhì)湍動流化床氣化過程中C、H遷移規(guī)律Fig.6 C and H transformation characteristics during biomass turbulent fluidized bed gasification

3 結(jié)論

(1) 在RE＝0.24～0.34 區(qū)間內(nèi)，湍動流化床爐膛溫度與RE大小呈正相關(guān)關(guān)系.

(2) 隨著RE的增加，CO、CH4、CnHm的含量呈降低趨勢，CO2的含量呈升高趨勢，H2的含量呈先升高后降低趨勢并于RE＝0.28 時取得最大值8.59%；氣化燃?xì)鉄嶂捣秶鸀?.86～5.25 MJ/m3，且隨著RE的升高呈降低趨勢.

(3) 氣化燃?xì)饨褂秃侩S著RE的增加呈降低趨勢，在RE≥0.28 時，焦油含量低于125 mg/m3；碳轉(zhuǎn)化率則呈升高趨勢，在RE＝0.33 達(dá)87.53%；冷煤氣效率呈先增后減趨勢，并于RE＝0.28 時達(dá)最大值48.21%.

(4) 3 種不同粒徑工況條件下，2#粒徑氣化效果最佳，冷煤氣效率和碳轉(zhuǎn)化率最高，分別為55.09%和81.93%.

(5) 燃?xì)怙w灰含量與粒徑大小呈正相關(guān)關(guān)系，與RE大小無直接關(guān)系.

(6) 粒徑過大，渣中未反應(yīng)碳占比較大；粒徑過小，氣化飛灰中未反應(yīng)碳占比較大，3 種粒徑中2#粒徑更適于湍動流化床氣化.

(7) 生物質(zhì)氣化原料粒徑不宜過大；氣化原料粒徑過小時，飛灰量顯著增加，但氣化飛灰一般含碳量較低，返料回爐膛效果有限且影響爐膛溫度，進(jìn)而影響氣化效率.建議氣化飛灰直接外排，用作炭基肥原料等用途.