下吸式固定床農(nóng)林類生物質(zhì)低焦油氣化過(guò)程試驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算.pdf

1、氣化是生物質(zhì)能主要利用方向之一，但是傳統(tǒng)氣化技術(shù)存在燃?xì)庵薪褂秃扛?、廢水難以處理等問(wèn)題，燃?xì)鈨艋粡氐资亲璧K生物質(zhì)氣化技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的至關(guān)因素，開發(fā)穩(wěn)定高效的低焦油氣化工藝成為生物質(zhì)氣化行業(yè)公認(rèn)的難題。熱裂解脫除焦油是一種簡(jiǎn)單有效且易于工程化的方法，但是目前還沒有成熟的研究成果及工業(yè)化運(yùn)行裝置，因此研究開發(fā)完善簡(jiǎn)單高效的低焦油氣化工藝及裝置對(duì)于推動(dòng)生物質(zhì)能大規(guī)模應(yīng)用具有重要的工程價(jià)值。由于焦油成分的復(fù)雜性，目前對(duì)生物質(zhì)氣化過(guò)程所

2、做的數(shù)值模擬計(jì)算較少有考慮焦油組分的，因此無(wú)法分析到焦油在爐內(nèi)的裂解狀況，無(wú)論從熱力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)角度，建立含有焦油的生物質(zhì)氣化過(guò)程數(shù)學(xué)模型對(duì)于研究低焦油氣化工藝具有重要的理論指導(dǎo)意義。本文以下吸式固定床為對(duì)象，借助試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩種手段研究了農(nóng)林類生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)低焦油氣化關(guān)鍵問(wèn)題，包括低焦油氣化裝置、考慮焦油裂解過(guò)程的數(shù)學(xué)模型等。
　　 熱解是生物質(zhì)氣化過(guò)程非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，熱解過(guò)程生成焦油，熱解產(chǎn)物為后續(xù)氧化還原反應(yīng)過(guò)程提供物質(zhì)

3、來(lái)源。為了更好地組織氧化還原過(guò)程、獲得低焦油氣化工藝，就需要掌握焦油生成特性及熱解產(chǎn)物分布規(guī)律，本文首先在所建小型常壓熱解試驗(yàn)臺(tái)上，研究了農(nóng)林類生物質(zhì)在移動(dòng)床中的熱解特性，得出了生物質(zhì)在不同反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間下氣、液、固三種熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率及其分布規(guī)律，并分析了組成成分。結(jié)果表明，在小型裝置常規(guī)熱解氣化過(guò)程中，對(duì)熱解產(chǎn)物分布影響最大的是反應(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)間影響很小；隨著反應(yīng)溫度的升高，固體、液體產(chǎn)物產(chǎn)率明顯下降，氣體產(chǎn)物產(chǎn)率顯著上升，固、液

4、、氣三種產(chǎn)物產(chǎn)率400℃時(shí)分別約占40-45％、45-50％、7-10％，800℃時(shí)分別約占20-30％、12-18％和55-60％；常溫下熱解氣態(tài)產(chǎn)物主要由H2、CO、CO2、CH4輕烴CmHn.組成，隨著熱解溫度從400℃提高800℃，H2含量顯著上升，CO和CO2含量明顯下降，CH4量有所上升，CmHn含量變化不大；熱解溫度在500-600℃時(shí)，焦油產(chǎn)量最大，隨著溫度的提高，焦油產(chǎn)量明顯降低。
　　 為實(shí)現(xiàn)低焦油氣化過(guò)程，

5、就必須提供焦油裂解所需的穩(wěn)定高溫環(huán)境，使焦油裂解環(huán)節(jié)與熱解還原過(guò)程在空間上分開，即利用分步式方法實(shí)現(xiàn)低焦油氣化過(guò)程。本文借助下吸式固定床反應(yīng)器，提出了一種簡(jiǎn)單易操作的分步式低焦油氣化工藝，即將干燥熱解和燃燒還原過(guò)程在物理空間上分開進(jìn)行，并建立了相應(yīng)氣化裝置，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了低焦油氣化工藝的可行性。結(jié)果表明，在分步式固定床氣化裝置中，燃?xì)饨M分、熱值、燃?xì)庵薪褂秃颗c氧化區(qū)溫度密切相關(guān)，熱解溫度、當(dāng)量比ER等因素又直接決定著氧化區(qū)的溫度；在其

6、它條件不變的情況下，熱解溫度從390℃提高到550℃，氧化區(qū)溫度也隨之升高，反應(yīng)加劇，焦油分解徹底，出灰率降低，碳轉(zhuǎn)化率升高；空氣氣化、ER等于0.25、熱解溫度超過(guò)450℃、氧化區(qū)溫度超過(guò)950℃時(shí)，產(chǎn)品氣焦油含量小于20mg/Nm3，燃?xì)鉄嶂导s為5MJ/Nm3，氣化效率大于72％，碳轉(zhuǎn)化效率超過(guò)90％；熱解溫度450℃，ER從0.23提高到0.3，氧化區(qū)溫度升高，燃?xì)庵蠧O、CH4含量下降，H2含量略有增加，燃?xì)鉄嶂到档?，焦油含量減

7、少；當(dāng)量比0.25-0.3、熱解溫度400-500℃，空氣氣化燃?xì)鉄嶂禐?.2.5.3MJ/Nm3，富氧氣體(氧體積濃度90％)氣化燃?xì)鉄嶂禐?-9.5MJ/Nm3。當(dāng)以空氣為氣化劑時(shí)，水蒸汽加入后氧化區(qū)溫度有所降低，燃?xì)庵蠬2含量提高，CO含量下降，CH4含量有所增加，氣體熱值略有升高。
　　 氧化區(qū)是焦油裂解的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了更加清楚掌握反應(yīng)條件對(duì)焦油裂解過(guò)程的影響，建立了氧化區(qū)熱解產(chǎn)物燃燒及焦油裂解過(guò)程的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)

8、了氧化區(qū)反應(yīng)過(guò)程的可視化研究，得到了氧化區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，在其它條件不變時(shí)，ER對(duì)氧化區(qū)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)有較大影響，隨著ER從0.17提高到0.32，氧化區(qū)內(nèi)整體溫度提高，氧化區(qū)出口C(S)、H2O、C2H4比例下降，N2和CO2比例上升，CO與H2含量先增加后減少，CH4含量變化不大，焦油含量明顯降低；熱解溫度高，氧化區(qū)內(nèi)整體溫度也高，焦油裂解速度越快；氣化劑入口速度越大，氧化區(qū)氣流擾動(dòng)越大，燃燒越充分，焦油裂解越徹

9、底；在熱解溫度和ER相同時(shí)，空氣氣化和富氧氣體(氧體積濃度90％)氣化兩種方式對(duì)焦油裂解程度影響不大，但對(duì)濃度場(chǎng)影響較大；從氧化區(qū)軸向截面來(lái)看，各種組分沿軸向方向都在不斷發(fā)生變化，燃燒及焦油裂解反應(yīng)主要集中在氣化劑入口向下約200mm范圍內(nèi)，氧化區(qū)喇叭口及下部區(qū)域主要是H2O與各種物質(zhì)發(fā)生的一些重整反應(yīng)；焦油在燃燒初期裂解較快，之后速度逐漸變慢，焦油裂解速度實(shí)質(zhì)上主要受溫度影響。
　　 為了能夠從理論上系統(tǒng)地考察氣化爐輸入與輸出

10、物質(zhì)的關(guān)系，本文從熱力學(xué)角度，基于物質(zhì)平衡、能量平衡和化學(xué)反應(yīng)平衡建立了生物質(zhì)氣化過(guò)程數(shù)學(xué)模型，并引入了焦油?；锘靖拍睢ＤＰ陀?jì)算結(jié)果與前人所建模型計(jì)算結(jié)果基本吻合，說(shuō)明模型計(jì)算準(zhǔn)確；但與分步式固定床氣化試驗(yàn)結(jié)果相比時(shí)發(fā)現(xiàn)在CO、CO2組成上存在較大差別，其它成分基本接近，這主要是由于試驗(yàn)過(guò)程中受多方面因素的影響，很多反應(yīng)實(shí)際達(dá)不到平衡，模型計(jì)算是完全實(shí)現(xiàn)平衡時(shí)的理想結(jié)果，它給出了各種成分的最終變化趨勢(shì)，因此熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果可以從宏觀上

11、指導(dǎo)工程實(shí)踐。計(jì)算結(jié)果表明，空氣氣化、當(dāng)量比0.25、反應(yīng)溫度1000℃，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，燃?xì)庵蠧O、H2體積之和在40％以上，CH4約占0.8-2.5％，焦油含量很少，燃?xì)鉄嶂禐?-7.7MJ/Nm3；空氣預(yù)熱溫度提高，燃?xì)庵蠧O、H2體積含量增加，CO2、H2O、CH4、N2、焦油體積含量均有所下降，氣體熱值明顯增加；原料水分增加，燃?xì)庵蠧O、H2、N2含量下降，CO2、H2O、CH4含量上升，焦油含量微增，氣體熱值先微降后微升；隨

12、著水蒸汽的加入，燃?xì)庵蠬2、CH4、H2O、CO2體積含量均略有增加，CO、焦油含量略有下降，燃?xì)鉄嶂翟黾樱籈R從0.2提高到0.3，CO含量明顯下降，CO2、N2含量顯著上升，H2O、CH4、焦油含量下降，H2含量變化不大，氣體熱值明顯下降。
　　 綜上所述，本課題從理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算等方面比較全面系統(tǒng)地研究了農(nóng)林類生物質(zhì)低焦油氣化關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，利用分步式氣化方法找到了實(shí)現(xiàn)低焦油氣化的工藝參數(shù)，獲得了考慮焦油在內(nèi)的氧