1、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 BedMA 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，exper
2、imental 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
3、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吨到吨，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）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 610 。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
4、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
5、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 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
6、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固定碳/% 16.35挥发分/% 70.55水分/% 12.27工业分析灰分/% O.8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元素分析灰分/% O.83高热值/(MJkg -1) 18.10生物质通
7、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.
8、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/(ms -1) 2.0炉膛压力/MPa 1.0给料量/(kgh -1) 20临界流化速度
9、/(ms -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 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(80
10、0-850)，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、CO 2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
11、测得气体组分有 CO、CO 2、H 2、H 2O、C 1C 3化合物(CH 4、C2H4、C 2H6、C 3H6)、0 2、N 2、NH 3、HCN 和氮氧化物(NO、N 20 和 NO2)，以及 SO2、COS、CS 2(通常浓度很低)、HCl 等。此外，C 4HxC 10Hx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
12、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 1.791.85 m 3/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 gasC0 13.36C02 11.89CH4
13、 4.78C2H4 0.78H2 9.64N2 49.34气体组分的摩尔分数/%H20 10.21产气量/(m 3h-1) 7.84产气率(m 3kg-1) 1.83低热值/(MJm -3) 5.10高热值/(MJm -3) 6.30焦油质量浓度/(mgm -3) 96.004 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，Kell
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