气化炉中生物质-煤共同气化的模拟研究

16应用能源技术200年第7期(总第39期气化炉中生物质一煤共同气化的模拟研究韩玉杰(青岛农业大学资源与环境学院,青岛266109)摘要:在气化炉内采用煤粉和生物质共气化可解决生物质不易稳定流化和生成焦油两大难題,采用流程模拟软件PROⅡ对炉内的气化过程进行了模拟计算,得到了汽氧比和氧碳比和生物质/煤比对气化过程的影响。气化炉内优化的反应条件为:反应温度1350℃,[H2OJ[O20.32,[OJ[]=1.06,气化得到的合成气的高位热值Q=715 OkJ/Nm2,有效气产率为1.59Nm}/k关键词:气化炉,共同气化,PROⅡ中图分类号:TK29.92文献标识码:B文章编号:100-3230(2009)07-0016-03Preliminary Analysis of CO2 Emission Reduction in ChinaHAN Yu-jieQingdao agriculation University, Resource and Environment College Qingdao 266109, ChinaAbstract: Co-gasification of woody biomass and coal in entrained flow gasifier can improve the fluidiztion of biomass and prohibit the production of tar. a comprehensive gasification model is developed for cogasification of biomass and coal in an entrained flow gasifier using the PRo l simulator and the effect of[HO][O,] and [o][c] on the gasification condition is obtained. The optimized operation conditions ofhe gasifier were at the reacting temperature of 1350C, at [H,0]/[0]of 0.32 and [o]/[C]of 1.05Finally, the high calorific value of syngas is 7150kJ/Nm, and the yield of the effective syngas is1.59Nm3/kgKey words: gasifier; co-gasification; PRO I0引言1生物质一煤共气化气化炉的反应去除燃气中含有的焦油等污染物和如何改善机理气化炉内生物质的流化特性是生物质气化发电技在气化炉内,由于反应温度很高生物质和煤术应用的两大难点。生物质容重小灰分少、含固粉的受热速度极快,可以认为两种燃料发生快速定碳少在其气化过程中不易形成稳定的料层;固的热分解脱除挥发分生成半焦和气体产物。气定床和流化床气化炉内气化温度低于00℃,导体产物中的可燃成分(包括COH2、CH和其他碳致合成气中焦油含量较高,焦油的存在不仅降低氢化合物CnH)在富含氧气的条件下迅速与O2了气化炉气化效率,而且在低温下能凝结堵塞输气管道使气化设备运行困难。在气化炉内采用燃烧放出的热量使粉煤和夹带它的气体温度急煤粉和生物质共气化,即可改善生物质的流化特性和气化特性,也可有效去除焦油提高碳转化半焦中的固定碳高温下同气化介质(O2和率近几年得到了国内外的广泛关注H2O)进行着气化反应本文借助于PROⅡ流程模拟软件,对气化炉C+O2→CO内的反应机理进行了研究建立了生物质一煤共2C+02→200气化气化炉的计算模型,进行数值模拟计算,为试C+H2O→CO+H2(3)验研究提供理论基础和参考数据。中国煤化工生成气也存在气化收稿日期:20005-19修订稿日期:2000-06-21YHCNMHG(4)作者简介:韩玉杰(1980-),女,助教,毕业于中山大学环境科学专业,现在主要从事资源利用与污染控制方C+2H2→CH向的研究气化反应生成的气体在高温条件下活性很2094第7期(总第13期)应用能源技术强在它们自身被生成的同时,相互之间也存在着整个气化流程主要包括产率反应器和平衡反可逆反应应器两个模块。生物质和煤粉两种物料首先在产Co+H2O→CO2+H2(6)率反应器内被分解成碳、氢、氧、氮、硫等基本元2生物质一煤共气化气化炉的模型素。这些元素物流被送到平衡反应器内,与气化建立介质进行反应,通过最小Gibs自由能原理获得生物质一煤共气化气化炉模型如图1所示,反应设定温度下气化产物的平衡组分。并作如下假设6(1)整个反应系统处于稳定运行状态(2)燃料中的HO、NS全部转化为气相,而C的转化率因条件的不同发生变化;BiomassDECOMPIN-GASIFY(3)气化炉中燃料颗粒温度均匀不存在温度梯度;(4)流程中物流的组成除气体成分外,还定义了Col、Boms和Ash三种非常规组分;图1生物质—煤共气化气化炉模块流程示意图(5)然料中的A出为惰性物质,气化过程中不3生物质及煤粉组成参与反应生物质取用木粉,通过粉碎机粉碎;煤粉也通过(6)气化炉中温度较高所有气相反应很快达粉碎机粉碎两者的工业分析和元素分析见表1,由到化学平衡。元素分析可得木粉的化学表征式为CH1s2Oo木粉和煤粉的工业分析和元囊分析Mad%Aad Vad FCad%木粉8552875.1913454.4761943.840.%0.94煤粉247木粉进料量为90kgh,煤粉进料为60kg/h,气41不同汽氧比对干基气化合成气组分含量和化剂选用空气,空气被预热,气化炉中气化压力为气化温度的影响05MPa。干基产出燃气的高位热值Q。(kJ/m3)定从图2中看到随着汽氧比值的增大气化温义为:度降低,这是因为水分进入气化炉要消耗气化潜Qn1000×(C0%×12.64+H2%x1274+热,平衡气化合成气的组成向CO2增加的方向进CH%x3982)行,H2含量单调增高,C0含量单调降低,合成气式中,CO%,H%,CH%一分别为干基燃气有效组成(H2+CO)含量降低中CO,H2和CH的体积分数4模拟结果及讨论汽氧比氧碳比和生物质煤比是影响气化炉气化性能的主要参数分别以[H2O[02]和[0]/[C]表示定义式如下:[H,O]/[O2]=7(ke/Nm);-0212+G.M[oy(c]=-24Gan Mcbi+Ga' Mcme式中图2[H2O][O2]对燃气成分摩尔分数和气化温度的影响G空气中氧气的体积流量Nm3/h;中国煤化工6位热值和蒸汽Cwm-生物质的质量流量kgh;分觚M0-生物质中氧元素的湿基含量,%;,1刊比的增高,气化G。煤粉的质量流量kgh;合成气的热值单调减小蒸汽分解率单调增大,但M。。煤粉中氧元素的湿基含量,%。增大的速率逐渐减小。在汽氧比增大到14kg/№n应用能源技术2009年第7期(总第139期)时蒸汽分解率开始由负值变为正值。这说明,在值为7150k/Nm3。较低的汽氧比条件下,由于气化温度较高,抑制了反应(1.3)和(1.6)的进行,导致煤中的氢与CO反应生成了C0和H2O,使蒸汽分解率出现负值。由于气化炉中干法进料时一般是液态排渣,气化操作温度较高。因此在气化过程中蒸汽的加入氯量主要用于调节气化操作温度,蒸汽加入量过多反而造成蒸汽浪费。ol/IC. mol/ mol图5[o]/[C]对气化合成气高位热值的影响∞5结论本文通过PROⅡ软件,对气化炉内生物质煤共同气化过程进行了模拟计算,得到如下结论:(1)随着汽氧比值的增大,气化炉内的反应温度降低合成气有效组成(H2+CO)含量降低,气Ho/ok/№m化合成气的热值单调减小,蒸汽分解率单调增大。图3[H2OQ2对气化合成气高位热值和蒸汽分解率的影响蒸汽的加入主要是调节气化操作温度和满足气化不同氧碳比对气化合成气组分含量和气化需求蒸汽加入量过多反而造成蒸汽浪费温度的影响(2)随着氧碳比的增加,气化温度单调增大从图4中可以看到随着氧碳比的增加,气化在氧碳比达到0.92左右冷煤气效率可达最大值温度单调增大,这是因为,在进料量不变的条件97.9%,碳转化率也可达9%,当气化温度达到下氧碳比增加意味着氧气量增加,更多的碳燃烧13530℃时,进料的最佳氧碳比约为1.05,此时合生成CO2释放热量,是导致温度升高的主要原成气的高位热值为750JNm(3)随着氧碳比的增加,气化温度单调增大,CH的含量单调下降,在氧碳比增大为1时,CH1N的含量迅速增大,H的含量迅速下降,CH的的含量接近于零CO的含量先增加后降低,C2含量单调下降在氧碳比增大为1时,CH的含量的含量先降低后增加,这都是由于氧碳比的增加接近于零,CO的含量先增加后降低,CO2的含量即氧气量增加使炉内反应进行更加完整的原因先降低后增加。参考文献[1] Deng KY. Devemopment strategy of Chinas bio energy2lst century[J]. Electric Power, 2000, 33(9):82-84[2] Brown CR, Liu Q, Norton G. Catalytic effects observedduring the co-gasification of coal and switchgrass[J].Biomass and Bioenergy 2000, 18(3): 499-506气化温度[3]Chand coal for methanol synthesis [J]. Applied Ener2003,74(5):393-403[4] Mclendon TR, Lui AP, Pineault RL, Beer SK,Richardson SW. High-pressure co-gasification of coal and bio-mass in a fluidized bed[J]. Biomass and Bioenergy, 200426(6):377-388图4[O]C]对气化合成气组分含量和气化温度的彰响[5] Antonio V, Sergio U Oxy-co-gasification o coal and4.4不同氧碳比对气化合成气高位热值的影响中国煤化工,wkm基于气化炉内操作温度较高,欲使气化合成气中不含焦油需确保炉内温度高于100℃。从[6]CNMHGNader M. simulaton of biomass gasifio图5中可以看到,当气化温度达到1350℃时,进tion in fluidized bed reactor using ASPEN PLUS[J]料的最佳氧碳比约为105,此时合成气的高位热and Bioenergy,2008,32(12):1245-1254.