生物质气流床气化前的处理工艺

第7卷第4期过程工程学报Vol 7 No 42007年8月The Chinese Journal of Process engineeringAug.2007生物质气流床气化前的处理工艺张巍巍,曾国勇,陈雪莉,于遵宏华东理工大学洁净煤技术研究所,上海200237)摘要:针对生物质气化过程面临的问题,利用慢速热解方法作为生物质气流床气化的前处理工艺并考察其可行性分析讨论了热解后半焦的化学组成和输送特性,并使用 ASPEN PLUS模拟软件计算比较了原料与半焦的气化结果.结果表明,半焦的能量密度随热解温度的升高而升高;热解温度在300-400℃之间,半焦的质量产率和能量产率对于气化工艺比较有利;热解后半焦的內摩擦角、休止角明显降低,堆积密度明显提高.使用 ASPEN PLUS模拟软件进行计算比较,热解温度为400℃时的气化效果最理想.关键词:生物质;气流床气化;慢速热解;半焦中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1009-606X(2007)04-0747-041前言2实验生物质能是太阳能转换和积累的主要形态之一,是2.1实验原料的制备唯一的既有矿物燃料属性,又可储存、运输、再生、转稻秆(取自上海市宝山区)经过粉碎过筛后,取换并较少受自然条件制约的能源.生物质能的开发利用80目(0.18-0.28mm)的筛间物作为实验原料,并将其可缓解能源紧缺问题、环境污染问题和“三农”问题等放置在105℃烘箱內干燥3h后放入密封容器中备用.国家重大战略问题.生物质气化是生物质能高品位利用2.2实验流程及条件发展最迅速最实用的技术之一,因此研究生物质气化具22.1实验流程有重要的现实意义1-3热解实验流程如图1所示.生物质原料放入特制的由于生物质的能量密度和机械强度较低、堆积密度吊篮內,然后送入到外有电炉加热的金属反应器内进行较小、休止角太大及流动性不好的特点,导致生物质在热解.温度由插入吊篮内的热电偶显示.热解后固体产气化应用中遇到很多问题,如燃气热值较低(一般为5物半焦留在反应器内,实验结束后取出称重.产生的气MJNm3左右,属低热值气体)、合成气中焦油含量较大、体由载气带出,通过除尘、除焦净化后将其收集进行分生物质原料在输送方面难以实现稳定连续的送料.析.焦油收集主要由6个气体洗瓶完成,第1个和第6近年来燃料利用和能源供应领域內提岀了一种髙个气体洗瓶裝有一半的玻璃微珠,第2,3,4气体洗瓶裝温空气气化技术( High Temperature Air Gasification,有100mL左右的二氯甲烷,第5个气体洗瓶装有1/3HTAG),是采用1000℃以上的高温空气对生物质进行气化,获得的燃气具有热值较高、焦油和酚类含量极低14对外界的污染很小等特点46但从生物质原料与气化介质接触方式考虑,彻底解决产出气中不含焦油和酚类的相关技术国内目前尚是空白,国外披露也较少.为了更好地实现生物质气化,将生物质在进入气流床气化之前进行低温慢速热解处理,以达到提高合成气热值、本工作主要通过慢速热解实验对生物质原料进行1 Iee batf ontroller2. N2 Cylinder改善输送特性的目的5. Pyrolysis basket 6. Quartz fiber filter8. Acetone-CO ice bath 9. Flow meter预处理,考察了热解后固体产物半焦的质量产率、能量10.1. Valve产率及元素含量的变化,同时分析了生物质原料与半焦在物性方面的差别,并对比了热解前后物料气流床气化图1热解中国煤化工CN MH Apparatus的 ASPEN PLUS过程模拟结果for slow pyrolsis收稿日期:2006-10-17,修回日期:2006-12-05作者简介:张巍巍(1980-),女,蒙古族,吉林省通榆县人,博士研究生,从事生物质热解气化的研究,Te:021-64253863,E-mail:zww2006@126com748过程工程学报7卷的玻璃微珠和50mL二氯甲烷.前4个气体洗瓶放入冰煤质仪器厂生产的5E-1AC/M自动量热仪测得.从表可浴中,后2个气体洗瓶放入丙酮和干冰的混合液中以看出,随着热解温度的升高,半焦的碳元素含量明显222实验条件增加,氧元素含量明显降低;半焦的热值也比原料的热实验开始前,用氮气将反应器中的空气排净.热解值显著提高.说明热解可以明显地提高生物质的能量密终温为300-550℃,升温速率为5℃/min.通过设定控度温仪上的参数,使炉膛内的温度程序升温至目标温度,3.2半焦的质量产率和能量产率恒温一定时间,尾气管口没有气体产生时认为反应结束质量产率n和能量产率n的定义如下83结果与讨论char+ashOHVmE OHvbiomass3.1热解后半焦的热值及元素分析结果表1比较了原料与半焦各元素含量及热值的差别.式中,mh和 mb分别为热解后焦炭与灰分的质C,H,O,N,S元素含量由德国 Elementar公司生产的量和生物质原料的质量, OHEL和 OHV分别为半Vario macro元素分析仪进行定量分析,热值由长沙焦和生物质原料的热值表1原料与半焦的元素分析及热值的比较samp xna ummate analy i s w i ermmm300℃ semi-char4.31400℃semi-char500℃-char2.570.4324.58lote: 1)Mass percentage on dry basis; 2) By difference图2给出了半焦的质量产率和能量产率随热解温度生物质堆积密度小,难以实现稳定连续的输送,所以考的变化关系.由图可见,半焦的质量产率和能量产率都察低温慢速热解前后物料的物性参数变化对输送性能随着热解温度的升高而降低,且温度越高,降低的幅度的影响.影响输送性能的主要参数有堆积密度、休止角越大。原因是热解温度的提高使生物质内不同结合形态内摩擦角等.物料内摩擦角的测量使用南京宁曦土的氧元素以挥发分的形式脱除,从而增加了热解产物中壤仪器有限公司的SDJⅠ型应变直剪仪,摩擦角的计算液态和气态部分,能量也相应地转移到液态和气态产物使用国际通用的库仑定律.图3给岀了不同热解温度下中,因而半焦的质量产率和能量产率都降低.综合考虑原料与半焦的内摩擦角、休止角和堆积密度的变化.图半焦的质量产率和能量产率,热解温度300400℃为宜.中20℃对应的点为原料的物性参数70从图3(a)可以看岀,随着热解温度的提高,内摩擦。′6更角逐渐减小这是由于稻草本身具有韧性和弹性,热解之后,表面出现不同程度的坍塌,变得更加粗糙,进而°增加了分子之间的吸引力和范德华力,同时热解后物料在形状上更接近球形,从而内摩擦角变小如3(b)和3()所示,休止角随热解温度的增加有降50合低的趋势,热解温度为400℃时达到最低;而堆积密度则相反,随热解温度的升高有升高趋势,同样在400℃300350400450500550时最高.休止角的降低和堆积密度的增加对生物质输送Pyrolysis temperature(C)都是非常有利的图2热解温度对半焦的质量产率和能量产率的影响从以上可看岀,休止角和内摩擦角降低、堆积密度Fig 2 Effect of pyrolysis temperature on mass and energy增加对输送都中国煤化工热解不仅可以解yields of semi-char决能量密度低CNMHG改善生物质的物3.3原料与半焦物性的比较性,更好地实现稳定连续的输送.从实验结果可知,热输送是生物质气流床气化的一个关键环节.由于解温度为400℃时对生物质的输送最为有利.第4期张巍巍等:生物质气流床气化前的处理工艺74948E0100200300400500600Pyrolysis temperature(C)图3原料与半焦的内摩擦角、休止角和堆积密度的比较Fig3 Comparison of angle of internal friction, angle of repose and density between biomass and semi-char表2稻草和半焦的气化结果比较Gasification (, Table 2 Comparison of gasification results of straw and semi-char300℃semi-char400℃semi-char500℃semi-char1057Molar ratio of oxygen to carbon1.650.95Carbon conversion rate(Effective gas productive rate(m/kg)1381.37Cold gas efficiency, nc(%)1.55Calorific value(kJ/N4885504851613.4 ASPEN PLU对气化工艺的模拟结果效地改善生物质的输送问题使用 ASPEN PLUS过程模拟软件对生物质直接进(3)使用 ASPEN PLUS过程模拟软件进行计算,当气化炉和经热解处理后再进气化炉进行模拟计算3气化剂空气)的温度为25℃时,通过比较不同气化原料气化条件如下:气化剂选用空气,温度为25℃,气化在气化温度、OC摩尔比、碳转化率、冷煤气效率、合压力0.2MPa,生物质或半焦的处理量为40kg/h.OC成气热值及有效气产率的差别,得出热解温度400℃时摩尔比是决定气化煤气质量的关键因素,其定义为空气的气化效果最理想中氧与生物质所含氧的摩尔量之和与生物质中所含碳4)低温慢速热解工艺作为生物质气流床气化工艺摩尔量的比值.表2给岀了稻草和半焦气流床气化的主的前处理手段是可行的.生物质经低温慢速热解后,所要气化指标.以气化炉温度达到1000℃以上可以有效得生物质半焦的输送特性、化学组成和工艺性质有明显地除去焦油为前提,比较了稻草和半焦气化的OC摩尔改善,从而可以有效地解决气化合成气热值低、气化煤比、碳转化率、有效气产率、冷煤气效率及合成气热值气焦油含量大及生物质输送等问题的差别.从表可以看出,300和400℃热解的半焦在气参考文献:化温度达到1000℃以上时,碳转化率都能达到99%以1姚向君,田宜水生物质能源清洁转化利用技术M,北京:化学上.但从冷煤气效率、合成气热值及有效气产率可以看2雒廷亮,许庆利,刘国际,等生物质能的应用前景分析能出,400℃热解的半焦略好于300℃的半焦源结构与信息,2003,19(4):194-1973]王璋保.对我国能源可持续发展战略问题的思考[J。工业加热,4结论2003,32(2):1-54]曹小玲.生物质高温空气气化的分析与探讨.华东电力,2003,采用慢速热解的方法将生物质进行前处理有望解(10):16-19决生物质气化过程中所面临的问题.通过对热解后固体5]曹小玲,翁一武,蒋绍坚,等气化参数对高温空气气化的影响产物的分析与研究得出如下结论:能源工程,2003,(3):22-24.6]曹小玲,蒋绍坚,翁一武,等.生物质高温空气气化分析、现状(1)半焦的能量密度随着热解温度的升高而升高.与前景中国煤化工热解温度在300-400℃之间,半焦的质量产率和能量产7UmkH,Jesp率对气化工艺相对有利OperationHCNMHG. Energy. 2006, 311542-1553(2)热解后生物质在物性上有很大改变.半焦的内8 Bergman PC A. boersma A R, Kiel JH A. et al. orrefied Biomass摩擦角、休止角明显降低,堆积密度明显提高,可以有for Entrained-flow Gasification of Biomass [R]. Report750过程工程学报第7卷ECNC-05067,ECN,2005Degree of Internal Friction of Two Native Silica Packing Materials [J]⑨周静,龚欣,原伟,等.空气中煤低温加热性质变化门煤炭学J. Chromatogr.A.1998.818:155-168.报,2003,28(1):80-85]3]汪洋,代正华,于广锁,等.运用Gibs自由能最小化方法模拟1]傅磊,谢洪勇,马丽霞,等.锥体料斗内散料流动相对速度分布气流床气化炉[.煤炭转化,2004,27(4):27-3的实验研究[.应用力学学报,2004.21(2):115-1[4]徐越,吴一宁,危师让,等.基于 ASPEN PLUS平台的干煤粉[ll] Pablo J, Balasingam M, Gustavo V, et al. Flow and Shear Descriptors加压气流床气化性能模拟门.西安交通大学学报,2003,37(7)of Preconsolidated Food Powders [J. J. Food Eng, 2006, 757-166’5]张斌,李政,江宁,等.基于 Aspen Plus建立喷流床气化炉模型[12 Kathleen M, Thomas K, Andreas S M, et al. Measurement of the门J.化工学报,2003,54(8:1179-118Pretreatment Technology of Biomass Entrained Flow GasificationZHANG Wei-wei, ZENG Guo-yong, CHEN Xue-li, YU Zun-hong(nstitute of Clean Coal Technology, East China University of science and Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: Slow pyrolysis as the pretreatment technology before biomass entrained flow gasification was experimentally studied, and itsfeasibility assessed. The chemical composition and conveying characters of semi-char produced in the pretreatment were analyzed. Atthe same time, the entrained flow gasification results of biomass and semi-char were compared based on ASPEN PLUS software. Theresults show that the energy density of semi-char increases with the pyrolysis temperature. The mass and energy yields of semi-char arebeneficial to the biomass entrained flow gasification with the pyrolysis temperatures between 300 and 400 C. The angle of internalfriction and angle of repose decrease obviously with increasing the pyrolysis temperature. And the bulk density of semi-char is improvedevidently with increasing the pyrolysis temperature. Based on the analysis with ASPEN PLUS, the entrained flow galon result Ismost ideal when the pyrolysis temperature is 400CKey words: biomass; entrained flow gasification; slow pyrolysis; semi-char中国煤化工CNMHG