不同气化剂下海藻粉在气流床下气化特性试验研究

新能源及艺不同气化剂下海藻粉在气流床下气化特性试验研究梅勤峰,周劲松,陈青,刘炳俊,骆仲泱(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:为考察O2/水蒸气和O2CO2作为气化剂对海藻粉气化特性的影响,在自制的小型生物质气流床气化炉上开展海藻粉在气流床下气化特性试验研究。当氧气/生物质比(O/B)为0.3、气化温度为1200℃时,不同水蒸气/生物质比(S/B=0~1.2)对合成气组成有较大影响,其中H2产量的上升趋势最为明显,S/B=1.2时比单纯氧气气化提高了81.4%。而在O2CO2气化条件下,由生物质产生的CO2随二氧化磯/生物质比(CO2/B)的增加而下降,当CO2/B=0.9时H2、CO的产量分别比单纯氧气气化提高了339%和75.8%,热值由51/m3上升至8576以/m3。结果表明,如果以提高热值为制取合威气的目标时,添加CO2在一定范围内可以达到水蓁气的数果,同时降低了系统能耗及简化了气化设备。关键词:生物质;气流床气化;CO2中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1004-3950(2010)03-0032-05Experimental study on the effect of different gasification agents onseaweed powder gasification in an entrained flow gasifierMEI Qin feng, ZHOU Jin-song, CHEN Qing, et alState Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)Abstract: The influences of 0, /Co, and 0, /Steam as different gasification agents on the characteristics of seaweedpowder gasification in a bench-scale entrained flow gasifier were studied. Different ratios of steam/biomass had effectson the gas composition: H, content increased obviously, which were improved by 81.4% with S/B=1.2. The contentof CO, produced from biomass was reduced with the increasing of the ratio of CO,/biomass. Compared with oxygen gasification,H, and Co contents were improved by 33. 9% and 75. 8% respectively. The heating value increased from5521 k/m to 8576 kJ/m. The results indicated that the addition of Co, can achieve the effect of steam to some ex-tent aimed at the heating value of syngas, while reducing the energy consumption and simplifying the gasification equip-Key words: biomass; entrained-flow gasification; CO,气化炉,其气化温度均小于1000℃,致使气化炉0引言产出的粗煤气中或多或少含有焦油。焦油的存在藻类与其他生物质(如木质纤维素材料)相对于热解气化过程以及相关的设备都有较大的危比,具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长害2。而气流床具有原料适应性强、反应温度周期短、生物产量高的特点,同时藻类在水中生高、气化强度大、合成气中有效成分高且不含焦油长,不占用农业用地,因此微藻引起了很多研究者等特点,已在煤气化中得到工业化应用,而生物质的注意,本实验选择海藻作为气化原料气流床气化国内外尚处在研究阶段3。在气化生物质气化的主体是生物质气化炉,目前主剂的选择上,有空气气化、水蒸气气化、O2水蒸要应用的生物质气化炉包括固定床气化炉和流化气气化及富氧气化,各有特点。床气化炉两种类型。但无论是流化床还是固定床M凵中国煤化工作气化剂或者收稿日期:2009-12-23CNMHG基金项目:国家重点基础研究发展(973)计划资助项目(200CB210208);国家自然科学基金资助项目(90610035)作者简介:梅勤峰(1981-),男,浙江嘉兴人,硕士研究生,从事生物质气化研究3一新能源及加入CO2替代部分水蒸气作气化剂,生产出的高料方式即生物质在载气(N2)输送下,由炉顶螺纯C0或者具有不同组成的合成气,可满足不同旋给料机,定量送人原料喷嘴,与经气化剂预热器合成气用途的需要。在这个技术领域的应用与研的气化剂(O2、O2+水蒸气或O2+CO2)混合,在究中,国外报道的资料较少,国内近几年研究的进炉膛内进行气化反应。气化产生的合成气经炉膛展较快底部激冷室冷却后,经旋风分离器和水洗过滤器目前生物质CO2气化的大部分研究主要关等装置,灰渣由炉膛底部的排渣室和除尘器底部对热解产物的气化6,张德厚”等以焦炭为原收集装置收集料,O2和CO2为气化剂,在固定床气化炉内高温1.2实验原料连续气化,制取含CO约70%的粗CO气。而直实验原料为海藻粉,粒度为80~100目,其工接利用CO2作为气化剂在气化炉内对生物质进业分析和元素分析如表1所示行热解气化制备可燃气的研究尚处起步阶段。本文介绍在自制的实验室规模(0.5kg/h)的沉降式气化装置上,研究在特定工况下(氧气生物质比为0.3、气化温度为1200℃),对O2/水蒸气和O2CO2作为气化剂在气流床内对海藻粉进行气化研究气流床条件下添加CO2气化的可行性。实验1.1实验装置自制的常压下生物质气流床气化实验台主要由给料系统、气化剂预热器、沉降式气化炉、合成图1生物质高温气流床气化系统气冷却装置、旋风除尘器水洗过滤器等组成,系1一氮气;2一二氧化碳;3一氧气;4一流量计;统如图1所示。气化炉高1500mm,外径65mm5一三通阀;6—气化剂预热器(水蒸气发生器);内径60mm,外面包裹保温材料厚度为15mm,由7—蠕动泵水滴注入点;8—螺旋给料器;9—气化炉;电炉丝加热,设计工作温度为1200℃,原料处理10一炉膛;11-灰斗;12一旋风分离器;13-水洗器;能力为02~0.5kg/h。预热器可将气化剂预热14-过滤器;15-气泵;16-气相色谱分析仪;7-温控仪至350℃。生物质燃料的供给采用螺旋加气力给表1海藻粉工业分析及元素分析工业分析/%元素分析/%FC低位热值/小J·g1C10.494426.5116.56107238.052.59l.989.181.3实验方法([CO]+[CO2]+[CH4])xQ/2.4海藻粉进行筛分、烘干处理后,对螺旋给料器P·W/12给料量进行标定。实验前对气化炉膛充入足量式中:[CO]、[CO2]、[CH4]—C0、CO2和CHN2进行排空然后对气化炉及气化剂预热器进行的体积百分比浓度,%;预热,待温度到达设定值并稳定后,开启给料器,Q—合成气体积流量,m3/h;并通入气化剂,待合成气出气稳定后进行取样P—生物质中含碳量,%;数据计算中国煤化工气化反应过程中,燃料中的C元素主要以CNMHG据合成气的成CO、CO2、CH,的形式存在于合成气中因此碳转分计化率可按以下公式进行计算:∑斜源堆2010年,第3期-33嘶听能及坚艺式中Q1—合成气的低位发热量kJ/m3;气流床内对合成气组分影响起主要作用的反x—合成气中各单质气体的体积百分应方程有数,%;2C+O2=2C0+246.4kJ/molQ。—合成气中各组成气体的低位发热C+0,=CO,+408. 8 kJ/mol(2)值,kJ/12C0+02=2C02+571.1kJ/mol(3)1.5合成气成分分析CO2+C=2C0-1624kJ/mol(4)净化后的合成气温度在50℃以下,用气包搜2H20+C=CO,+2H,-131 kJ/mol (5)集后送入气体分析仪分析。合成气成分分析采用H,0+C0=CO, +H,+41. 2 kJ/mol (6)北分3420气相色谱分析仪,可对H2、CO2、CO、2H2+O2=2H2O-483.6kJ/mol(7)N2CH4O2CH,等进行监测,并将数据以表格2.1添加不同量的水蒸气对气体产物的影响形式输出。海藻粉在O2/水蒸气气氛下,相同O/B比,添2试验结果与讨论加不同量水蒸气时,进行五组实验,反应结果如表2所示。气流床气化过程实际上是燃料在高温下的热O2流量为0.1m3/h(O/B=0.3),经预热器化学反应过程。由于在气化炉内高温条件下发生加热至350℃,反应温度设定为1200℃,表2显示多相反应,反应过程极为复杂,可能进行的化学反了在气化剂中添加不同量的水蒸气对海藻在气流应很多。气化反应过程可概括如下:床下的气化结果影响(其中总产气量扣除了合成(1)燃料的干燥及裂解与挥发物的燃烧气化气中N2的成分)。从表2中可以得到随着S/B(2)固体颗粒与气化剂间的反应的增加,合成气中H2的产量增加趋势明显,合成(3)生成的气体与固体颗粒间的反应气热值不断上升,在S/B=0.9时达到最高值(4)反应生成气体彼此间进行的反应8091kJ/m3。2海藻粉O2/水蒸气气化结果0.30.9合成气产量/m3·kg0.819.7024.6935.72255.5275.8325.6CH4/g·kg10.10l1.1012.96l2.6411.98CO2/g·kg1334.0432.7451.3碳转化率/%74.493,48Qk·m374868091注:气化温度=1200℃;给料量=0.5kg/h;O/B=0.3在氧气中添加水蒸气后,促进了C、CO与水不同量CO2时,进行五组实验反应结果如表3蒸气的反应,即反应(5)、(6)向正方向进行,但是所示反应(6)为放热反应,在高温下受抑制,因此反应添加不同量的CO2(CO2/B分别为0、0.3(5)主导着H2的产量。如果以制氢为目的,添加0.609、1.2)后,从表3可以看出,以每千克生物适量水蒸气可以起到明显的改善作用。有文献表质产生的气体质量为基准,气化剂中添加了CO明”,较高的S/B会使气化温度降低不利于高后,总产气量较添加水蒸气的略多(扣除了N2)质量燃气的产生。对一给定的气化过程,S/B存合成效成分(H.COCH4)都有不同程在一个由热平衡影响的最佳操作范围。本实验度的中国煤化工=0.6时分别比中,S/B的理想值在0.9左右单纯CNMHG3.5%,热值由2.2添加不同量的CO2对气体产物的影响5521kJ/m3升至7860kJ/m3,提高了42.3%。本海藻粉在O2CO2气氛下,相同O/B比,添加实验以产气中的CO2量减去投入的CO2量为研3一断新能诱及篷艺究对象,来分析生物质在气化过程中CO2的产趋势。气化反应中,H2主要由反应(5)产生,由量。由图2(c)可以看出,随着CO2量的增加,生于CO的增加推动水煤气反应,即反应(6),促进物质的完全氧化反应受到抑制从图2(b)中CO了H2产量的增加。V. Minkova0认为CO2气化产量的上升可以得到验证。综合分析可以得出:促进了生物质热解气化后焦炭的转化,提高了碳在确定气化温度和O/B的情况下,气化剂中适当转化率。但是CO2添加到一定值后,产气热值及添加CO2有利于增加合成气中可燃组份的产量、碳转化率有所降低,过量CO2(以海藻为例,CO2合成气热值及碳转化率。B>0.9),会导致合成气中CO2比例的增加,从而添加不同比例CO2后气化抽取的合成气中稀释了有效气组分,同时合成气热值也会下降,甚CO产量均有不同程度的提高,这是因为反应(4)至低于纯氧气化的合成气热值,而且过量的CO2的正向进行,使得生物质产生的CO2呈逐渐下降增加了合成气后续的处理负担。表3海藻粉O2/CO2气化结果CO2/B/kg·kg00.30合成气产量/m3kg1.01.2gCo/g·kg255.5411.0443.5475.210.81334.0324.8碳转化率/%96.475521.37306786085767996注:气化温度=1200℃;给料量=0.5kg/h;O/B=0.32.3水蒸气、CO2添加量对海藻粉气流床气化特反。这是由于CO2添加后,抑制了碳的完全氧性的影响比较化,更多的碳转化为CO,从图2(b)可以取得验图2为添加水蒸气、CO2后海藻粉在气流床证。而添加水蒸气则促进了反应(4)和反应(5)下气化结果的对比。由于气化温度较高,CH,的的正向进行,导致CO2产量的上升产量非常少(小于合成气体积浓度的3%),且不从合成气的热值对比来看[图2(d)],两者同气化剂添加对CH4产量的变化趋势不明显,因的变化趋势相近,但是添加CO2后的合成气热值此CH4的对比无实际参考价值。比添加水蒸气后合成气的热值高,这是因为添加图2(a)为添加水蒸气和CO2后H2产量的变CO2后合成气中CO的产量增幅比添加等量水蒸化对比,添加水蒸气比添加CO2的合成气中H2气后合成气中H2的增幅大,而单位体积H2与产量明显增加。在CO2/B(S/B)=0.9时,前者CO的热值相近。CO2/B=0.9时,产气热值达到比后者多产出H2约948/kg。因此如果以制取最高8576kJ/m3,而S/B=0.9时,产气热值为富氢气体为目标,添加水蒸气可以起到较好的8091kJ/m3,显然将等量的CO2与水加热至反应效果。温度,后者的能耗要大的多。所以,利用CO2O图2(b)显示了添加水蒸气和添加CO2后CO在气流床内对生物质进行气化制取高品质合成的变化,可以看出,添加CO2后,合成气中CO的产量迅速增加,在CO2B=0.3时比单纯氧气气气,在一定程度上可以替代水蒸气的作用化增加了60.8%,而添加水蒸气的合成气中CO对图2(e)两组实验的碳转化率结果对比后的增量表现的比较平缓。发现况上升,在CO2中国煤化工从生物质产生CO2的对比上看[图2(c)],0蒸气的这组实添加CO2后由生物质产生的CO2呈逐渐下降趋验碳CNMHGO, /B(S/B)势,而添加水蒸气的合成气中,CO2的产量则相0.9后,两者基本在同一水平源黑框2010年,第3期-35-丶新能源及艺→Scan/o亠O/0升/B S/B0yB S/B图2水蒸气、CO2添加量对海藻粉气流床气化特性的影响3结论(1)生物质海藻粉在气流床中O2S气化对产气组分有较大影响H2产量上升最为明显。(2)生物质海藻粉在气流床中O2CO2气化对CO的生成有明显的促进作用;当O/B=0.3,CO2/B=0.9时,生物质产生CO2明显受到抑制0.002040.60.81.0气化反应对CO2的利用率提高,比单纯氧气气化时CO/B S/H2CO产量、产气热值分别提升了39%、75.8%和55.3%。但是CO2的添加不是越多越好,过量500F +-Steam/O,-+-CO, /O的CO2会增加产气中CO2的比例,削弱了02CO2气化对热值的贡献,同时也增加了合成气后续处理的难度。(3)少量添加CO2对有效气体的产量、CO2的利用、热值在一定程度上可以替代水蒸气气化,同时可以降低系统能耗和简化气化设备。ma00吉参考文献CO/B S/B[I]刘竞马晓茜微藻气化发电生命周期评价及碳循环分析[]太阳能学报,2008,29(11:144-1418.[2]陈雪莉,张巍巍,粟冬,等.生物质气流床气化技9000术分析与探讨[J].计算机与应用化学,2007,24883(3):355-358.[3]周劲松,赵辉,曹小伟,等.生物质气流床气化制取合成气的试验研究[J].太阳能学报,2008,29(11):1406-141360g[4]吴创之,马隆龙生物质能现代化利用技术[M].北Steam/0,-+CO,/0[5]中国煤化工或部分替代水蒸9000CNMHGJT.洁净煤技术,CO/B S/B2007,13(2):52-54(下转第40页)「新能源攻艺飞阳能干燥装置及太阳能海水淡化装置等,又适合于偏远无电地区、海岛、船舶、高山等特殊环境下使用。设备具有自动跟踪、运行安全维护方便的漏油小特点。不足之处是经济性和跟踪精度,有待于进步提高。参考文献:漏油小孔[1]徐文灿,袁俊,严伟,等.太阳能自动跟踪系统活塞探索与实验[]物理实验,2003,23(9):45-48[2]陈维,李戬洪.太阳能利用的跟踪控制方式的研究[J]能源工程,2003(3):18-21图5阻尼装置[3]郑小年,黄巧燕.太阳能跟踪方法及应用[刀].能源技术,2003,24(4):149-15[4]胡以怀,贾靖,纪娟.太阳能热化学制氢技术研究进展[J].能源工程,2008(1):19-23.轴方向[5] SNYDERG J. 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