生物质氧气气化制备中热值燃气的工艺优化及其示范工程.pdf
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1、第 43 卷第 4 期2023 年 8 月林 产 化 学 与 工 业Chemistry and Industry of Forest ProductsVol.43 No.4Aug.2023 收稿日期:2023-03-17 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51976234);国家重点研发计划资助项目(2022YFB4202001);江苏省生物质能源与材料重点实验室开放基金资助项目(JSBEM201801)作者简介:徐 卫(1989),男,江苏徐州人,工程师,硕士,主要从事生物质热化学转化技术研究 通讯作者:孙云娟,副研究员,硕士生导师,研究领域为生物质热化学转化基础与应用;E-mail:。d
2、oi:10.3969/j.issn.0253-2417.2023.04.005生物质氧气气化制备中热值燃气的工艺优化及其示范工程XU Wei徐 卫1,2,应 浩1,孙云娟1,许 玉1,蒋剑春1(1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所;江苏省生物质能源与材料重点实验室;国家林业和草原局林产化学工程重点实验室;林木生物质低碳高效利用国家工程研究中心;江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏 南京 210042;2.江苏强林生物能源材料有限公司,江苏 溧阳 213364)摘 要:在高温固定床反应器中,进行松木屑氧气气化制备燃气特性研究,考察了气化温度和用量比(ER)对氧气气化制备燃气的热值、
3、产气率以及燃气中各组分体积分数的影响。将获得的最佳工艺参数,在生物质气化制备燃气用于工业锅炉的示范工程中进行了调试和验证。研究结果表明:在气化温度 850 950 时,随着用量比的增加,燃气热值呈现先升高后降低的趋势,在用量比为 0.24 时,燃气热值最高;气化温度对木屑的氧气气化有显著的影响,气化温度升高,燃气热值以及燃气中 H2、CO、CH4体积分数随之升高,产气率先升高后降低,在900 时达到最高。气化温度 900、用量比 0.24 为最佳的气化条件,此时气化制备的燃气热值为 13.14 MJ/m3,产气率为0.98 L/g,燃气中 H2、CO、CH4和 C2Hm的体积分数分别为 17.
4、64%、39.78%、12.45%和 2.76%。将该参数应用于示范工程得到燃气热值为 10.90 MJ/m3,产气率约为 1.02 L/g。关键词:氧气气化;用量比;热值;产气率;示范工程中图分类号:TQ35 文献标志码:A 文章编号:0253-2417(2023)04-0031-07引文格式:徐卫,应浩,孙云娟,等.生物质氧气气化制备中热值燃气的工艺优化及其示范工程J.林产化学与工业,2023,43(4):31-37.Process Optimization and Demonstration Engineering on Producing MediumHeat Value Bio-ga
5、s Through Biomass Oxygen GasificationXU Wei1,2,YING Hao1,SUN Yunjuan1,XU Yu1,JIANG Jianchun1(1.Institute of Chemical Industry of Forest Products,CAF;Key Lab.of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province;KeyLab.of Chemical Engineering of Forest Products,National Forestry and Grassland Administratio
6、n;National EngineeringResearch Center of Low-Carbon Processing and Utilization of Forest Biomass;Jiangsu Co-Innovation Center ofEfficient Processing and Utilization of Forest Resources,Nanjing 210042,China;2.Jiangsu QianglinBiomass Energy and Material Co.,Ltd.,Liyang 213364,China)Abstract:The oxygen
7、 gasification of pine sawdust for the production of bio-gas was conducted in a high-temperature fixed bedreactor.The impacts of gasification temperature and equivalence ratio(ER)on oxygen gasification prepared bio-gas heat value,bio-gas yield,and the volumetric fraction of each component in bio-gas
8、were evaluated.The obtained optimal process parameterswere debugged and validated in the demonstration project of biomass gasification to generate bio-gas for industrial boilers.Theresults showed that the gasification temperature of 850-950,the heat value of the gas raised initially then fell with t
9、he ERincrease,reaching its maximum value when the ER was 0.24.Moreover,the gasification temperature exhibited a significanteffect on oxygen gasification of sawdust.With the rise of gasification temperature,the gas heat value and the volumetric fractionof H2,CO,CH4in gas increased,and the gas product
10、ion rate increased initially,then decreased and reached its highest value at32 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷900.Under the optimized conditions of gasification temperature of 900 and the ER of 0.24,the heat value of prepared gaswas 13.14 MJ/m3,the gas yield was 0.98 L/g,and the volumetric fractions of H2,CO,CH
11、4and C2Hmin the gas were17.64%,39.78%,12.45%and 2.76%,respectively.These parameters were implemented in the demonstration engineering,resulting in a calorific value of 10.90 MJ/m3and a gas production rate of 1.02 L/g.Key word:oxygen gasification;ER;heat value;gas yield;demonstration engineering生物质气化
12、是以生物质为原料,以氧气、空气、水蒸气、水蒸气-氧气混合气或氢气为气化剂,在高温不完全燃烧条件下,使生物质中相对分子质量较高的有机碳氢化合物发生链裂解,并与气化剂发生复杂的热化学反应而产生相对分子质量较低的 CO、H2、CH4等可燃性气体的过程1。生物质气化主要是利用热化学转化技术将固态生物质转化成气体燃料,从而提升生物质的能源品位和利用效率2。其中,氧气气化作为气化技术的一种,反应原理与空气气化相同,但与空气气化相比,氧气气化增加了原料与氧气的接触概率、加快了气化反应速率,可明显提高气化效率和单位体积产出燃气的热值;同时,在集中供气系统中具有减小储气设备占地空间、节约生产成本等优点3。气化制
13、备的燃气热值较高,可直接作为燃料供热4;同时燃气中 CO、H2体积分数较高5-6,可经过费托合成进一步合成液体燃料等7-8,或者通过甲烷化反应制备甲烷,从而有效扩大产出燃气的应用范围9。国内外大量学者将空气或者富氧气体作为气化剂。孟凡彬等10以固定床气化炉为反应器、秸秆成型燃料为原料、氧气为气化介质,通过改变进氧量来调节气化用量比,炉内反应温度从888 升高到1 156,而燃气热值却从11.0 MJ/m3降低到约 8.4 MJ/m3。刘建坤等11以木块为原料,利用下吸式固定床气化器进行富氧气化的中试实验,不同富氧浓度条件下,燃气热值为 5.66 10.41 MJ/m3。赵先国等12研究了用量比
14、(0.21 0.29)对燃气组分的影响,结果发现随着用量比的增加,反应温度逐渐升高,而气体的热值从 10.13 MJ/m3降到 8.51 MJ/m3。由此可见,空气或者富氧气化(存在惰性气体 N2),存在降低产物气热值、减少燃气中有效气体体积分数、影响后续费托合成工艺等问题。因此,本研究直接使用氧气作为气化剂,通过固定床反应器氧气气化松木屑制备中热值燃气,分析得到氧气气化的最佳工艺条件,并将获得的最佳工艺参数,在生物质气化制备燃气用于工业锅炉的示范工程中进行调试和验证,以期提升燃气的热值,最大程度地降低费托合成等的难度,从而为固定床氧气气化制备生物质燃气的工业化应用提供数据支撑。1 实 验1.
15、1 原 料本实验所用松木屑来自南京某家具厂,经筛网筛分后,选用粒径0.71 mm 的样品作为实验原料。采用国标 GB/T287312012 对原料进行工业分析,并使用德国 Elemental Vario MICRO 元素分析仪和IKA200 热值分析仪对原料进行元素分析和热值分析。松木屑的工业分析结果如下:挥发分84.10%、固定碳15.33%、灰分0.54%。元素分析结果如下:C 46.73%、H 6.54%、O 43.47%、N 1.71%、S 0.95%,高位热值 18.85 MJ/kg。1.2 实验装置及方法本实验在固定床气化炉系统中进行,系统由气瓶、气体流量计、管式高温固定床反应器、
16、冷凝净化装置和气体收集与分析系统等组成,具体装置见文献13。气体质量流量计可精确地控制气体的给定量;管式高温固定床反应器能够维持反应所需的恒温条件,最高工作温度可达 1 100;冷凝净化装置是由3 个内径为 25 mm 的 U 型管组成的三级净化器,其中,前两个 U 型管中放入二氯甲烷,第三个 U 型管中放入变色硅胶,将其置于冰水浴中,可以有效地冷却燃气和吸收燃气中的焦油等可凝性组分;气体收集与分析系统主要由湿式气体流量计、铝箔集气袋和气相色谱仪组成,可以对燃气进行计量、收集及组分分析。先打开氮气吹扫反应器,以排出反应器中的空气并检查装置的气密性,吹扫完毕后关闭氮气等待实验。设定管式炉的升温速
17、率为 10 /min,待炉内反应区温度升至目标温度后,在乳胶管的末端接上容第 4 期徐 卫,等:生物质氧气气化制备中热值燃气的工艺优化及其示范工程33 积为 10 L 的铝箔样品袋。把装有定量原料的石英舟迅速推入反应器中,并以设定的流量通入氧气,气化 30 min 使样品充分反应。用湿式气体流量计计量气化过程中产气的累计量,并用铝箔样品袋收集不可冷凝气体。最后将收集到的燃气用岛津 GC-2014 气相色谱仪进行分析。检测器为热导检测器 TCD(用于检测 H2、CO、CO2和 CH4组分)和氢火焰离子化检测器 FID(用于检测 CH4、C2H6、C2H4、C2H2等组分),分别采用标准气对照法和
18、峰面积单点外标法对燃气进行定性和定量分析。本实验主要研究气化温度和氧气用量比对气化特性的影响。氧气用量比(ER)是指单位质量生物质在气化过程中所消耗的氧气物质的量与完全燃烧所需理论氧气物质的量的比值。实验条件选择气化温度 800 950,氧气用量比0.21 0.3310,为了保证数据的准确性和可靠性,每组实验重复3 次,误差 5%以内,取其平均值。生物质氧气气化过程的主要反应见表 1。表 1 生物质氧气气化过程的主要反应Table 1 Main reactions during O2gasification process of biomass反应类型 reaction type反应方程式 r
19、eaction equation总反应 total reaction生物质 biomass+O2H2+CO+CO2+CH4+C2Hm+Q kJ/mol焦油裂解反应 tar cracking reaction焦油 taraH2+bCH4+cCO+dCO2+eH2O+fC2Hm+Q kJ/mol碳不完全燃烧反应 incomplete combustion reaction of carbonC+1/2O2CO碳完全燃烧反应 complete combustion reaction of carbonC+O2CO2甲烷化反应 methanation reactionC+2H2CH4歧化反应 disp
20、roportionated reactionC+CO22CO水蒸气还原反应 steam reduction reactionC+H2OCO+H2CO 的变换反应 CO transformation reactionCO+H2OCO2+H2甲烷重整反应 methane reforming reactionCH4+H2OCO+3H2H2燃烧反应 H2combustion reactionH2+1/2O2H2OCO 燃烧反应 CO combustion reaction2CO+O22CO21.3 气化产物的性能分析1.3.1 燃气热值 燃气热值是指标准状态下,单位体积的燃气完全燃烧时所释放出的热量1
21、4。燃气低位热值的计算公式如下:QLHV=(X(CO)126.36+X(H2)107.98+X(CH4)358.18+X(C2Hm)629.09)/1 000式中:QLHV燃气的低位热值,MJ/m3;X(CO)、X(H2)、X(CH4)、X(C2Hm)CO、H2、CH4以及 C2Hm的体积分数,%。A.气固顺流区 gas solid downstream area;B.气固逆流区 gas solid countercurrent area图 1 新型上吸式固定床气化炉Fig.1 New updraft fixed bed gasifier1.3.2 产气率 产气率是指单位质量生物质原料气化后所
22、得燃气在标准状态下的体积。气体产率分为湿气体产率(包括水分在内)和干气体产率(绝干气),生物质气化的产气率是评价气化效率的重要指标。本实验评价的气体产率指干气体产率,单位为 L/g。1.3.3 固体产率固体产率是指生物质原料气化后所剩余固体的质量与原料质量的比值。1.4 工程设计1.4.1 气化炉的设计利用生物质气化制备生物质燃气,核心设备是气化炉,其主要有3 种类型:固定床、流化床和气流床,与流化床和气流床相比,固定床气化炉结构简单,而且出口燃气温度较高,可降低焦油含量。本研究团队研制了新型上吸式固定床气化炉(图 1),同时具有气固顺流与逆流的优点,提高了反应器气化强度,降低了燃气中的焦油含
23、量。34 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷气化炉采用中部出气的结构,是气固交错流工作方式,具有气固顺流与逆流的优点,干燥区所排出的水分随物料下行时参与气化反应,而经热分解区产生的焦油,在高温下呈气体状态。气化炉主体结构以一个锥形的下料裙分成上下两部分,上部是以干燥为主的储料室,下部是以热解、氧化、还原反应为主的气化室。原料从料斗落到炉本体中会因下料裙的原因形成一个自然环状死角空间,该空间就成了一个自然的“集气走廊”,可燃气出气口就设在此处。气化产生的可燃气先聚集在此环形的“集气走廊”中,由出气口排出气化炉。这样的设计不仅大大减少了输出燃气中的飞灰,并且由于出气口设在干燥区的下部,燃气输出
24、没有经过干燥区,所以输出燃气的温度较高,降低了燃气中焦油成分低温冷凝的可能性,焦油可以随燃气一起在锅炉炉膛中燃烧,焦油热量的有效利用不仅使系统热转换效率得到提高,也解决了焦油凝聚堵塞而引起的设备运行可靠性问题。此外,当储料室充满原料时,由于压力差使气体通过料层的阻力大于从出气口导出的阻力,避免了燃气通过进料口外溢的可能性,有较好的密封效果。1.4.2 技术路线的设计 本研究团队选择了固定床气化炉的技术路线。创制了生物质气化制备合成气装置,利用林业或木材加工剩余物为原料,在自制气化装置中充分热解气化后产生热燃气直接应用于工业锅炉生产,可替代天然气或燃油,作为工业炉燃料、民用供气或燃气机发电等的燃
25、料。本研究团队在东莞市建成了生物质气化制备燃气用于工业锅炉的示范工程,见图 2。1.上料斗 feeding hopper;2.生物质气化炉 biomass gasification furnace;3.燃烧器 burner;4.锅炉 boiler;5.蒸汽包 steam drum;6.蒸汽流量计 steam flow meter;7.风机 fan;8.除尘设备 dust removal equipment图 2 生物质气化制备燃气用于工业锅炉的示范工程Fig.2 Demonstration engineering of biomass gasification to produce bio-g
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