生物质与煤流化床催化气化制备燃气

第1卷 第2期 2013年10月

文章编号：2095-560X（2013）02-0174-05

新 能 源 进 展

ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY

Vol. 1 No. 2

Oct. 2013

生物质与煤流化床催化气化制备燃气*

陈兆生†，王立群

（江苏大学能源与动力工程学院，镇江 212013）

摘 要：基于单一流化床两步气化法，以煤作为热载体和发热体，水蒸气为气化剂，CaO为催化剂，在自行研制的

流化床热态装置上对生物质（锯木）气化制备燃气进行了研究。探讨了温度和水蒸气与锯木比对燃气组分和低位热值的影响。在所研究的操作参数范围内，（H2 + CO）含量为67.58% ~ 74.9%，燃气低位热值为10719.09 kJ/Nm3 ~ 12002.44 kJ/Nm3。实验结果表明，含少量N2的中热值燃气可以被获得，H2和CO是燃气中最主要的两种气体。随着温度的升高，燃气中H2和CO含量增加，而CH4和CO2含量及燃气低位热值则呈现下降趋势。随着水蒸气与锯木比的增加，燃气中H2和CO2含量增加，而CH4和CO含量则相应的减小。 关键词：生物质；煤；催化剂；气化；燃气

中图分类号：TK6；S216.2 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.2095-560X.2013.02.009

Gas Production by Co-Gasification of Biomass and Coal with Catalyst

(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract: In this study, thermochemical biomass gasification was performed on a self-design fluidized-bed reactor with pure steam as gasification media. A two-stage gasification process in the same fluidized bed reactor was adopted. The goal was to investigate the effects of temperature, steam to sawdust ratios on components and lower heating value of the product gas. Over the ranges of the experimental conditions used, H2 and CO contents in the product gas varies from 67.58% to 74.9%, and gas lower heating value between 10719.09 kJ/Nm3 and 12002.44 kJ/Nm3. The results showed that the top two in the product gas was H2 and CO. With an increase of temperature, H2 and CO contents increased, whilst CH4 and CO2 contents and gas lower heating value decreased. The contents of H2 and CO2 increase with the rise of steam to sawdust, whilst CH4 and CO content showed a decreasing trend. Key words: biomass; coal; catalyst; gasification; gas

CHEN Zhao-sheng, WANG Li-qun

0 引言

气化是指在气化介质下将含碳物质转化成包含H2，CO，CH4等气体的过程。气化介质可以是空气，水蒸气或者是空气与水蒸气的混合物。近些年来，国内外学者对生物质的气化特性进行了不同程度的研究[1-5]。以水蒸气作为气化介质所进行的气化被国内外学者公认为是能获得较高品质燃气的一种气化方式，但水蒸气气化过程是强烈的吸热过程，需要向反应器提供热量。通常是通过物料燃烧放热的方式提供。对于生物质水蒸气气化来说，一般是通过生物质燃烧来提供热量的，且燃烧和气化反应

* 收稿日期：2013-06-18 修订日期：2013-07-20

基金项目：江苏大学第11批大学生科研立项资助项目（11A198） † 通信作者：陈兆生，E-mail：[email protected]

在同一流化床反应器中同时进行，那么所产生的燃气中不仅会含有大量的N2，而且含有大量的焦油。这将会降低燃气的品质。

为了提高燃气的品质，在同一流化床反应器中，本文用煤燃烧来为生物质水蒸气气化提供所需要的热量。在燃烧阶段，煤与空气发生燃烧反应，所产生的热量用于生物质的水蒸气气化阶段。燃烧阶段和气化阶段为时间上相互分离的两个阶段。这两个阶段通过两对换向阀来控制（图1）。

基于上述原因，本文采用单一流化床两步气化方法，水蒸气为气化剂，CaO为催化剂，在自行研

第2期 陈兆生等：生物质与煤流化床催化气化制备燃气 175

制的流化床热态实验装置上对生物质（锯木）气化制备燃气进行了研究。探讨了温度和水蒸气与锯木比对燃气组分和低位热值的影响。

~ 3 mm）和贫煤（0 ~ 6 mm），其工业和元素分析见表1。

1.2 实验装置和方法

1.2.1 实验装置

实验装置如图1所示，主要包括加料装置，流化床气化炉，旋风分离器，蒸汽发生器，净化装置，气柜，罗茨风机等。设备详细信息见文献[6-9]。

1 实验部分

1.1 床料，催化剂和物料

床料为炉渣，平均粒径为3 mm。催化剂为CaO，粒度为0 ~ 6 mm。生物质和煤的物料分别为锯木（0

表1 生物质与煤的工业分析和元素分析

Table 1 Proximate and ultimate analysis of the coal and biomass samples

Samples

Proximate analysis /%

1.1 80.2 10.8

Ultimate analysis /%

49.25 5.37 0.28 45.1 –

Mad Aad Vad FCad Cad Had Nad Oad Sad 0.89 41.32 2.23 55.56 51.22 0.49 1.11 3.88 1.10

sawdust 7.9 coal

(1) biomass hopper; (2) screw feeder; (3) fluidized bed reactor; (4) coal feeder; (5) air distributor; (6) wind room; (7) high-temperature cyclone separator; (8) char collector; (9) PID temperature controller; (10) tube type heat exchanger; (11) soft water pump; (12) soft water tank; (13) wet scrubber; (14) bell type gas holder; (15) product gas collection bag; (16) chimney; (17) steam flow meter; (18) air flow meter; (19) roots blower; (b), (c) and (e): k-type thermocouple; (a) and (d): pressure taps; 1-1: air control valve (solenoid valve); 1-2: flue control valve (pneumatic valve); 2-1: Steam control valve (solenoid valve); 2-2: gas control valve (pneumatic valve)

图1 单一流化床两步气化工艺

Fig. 1 Process of the single fluidized bed and two-stage gasification technique

1.2.2 实验方法

该方法将燃气的生产过程分为相互耦合的燃烧和气化两个阶段，它由两对控制阀（Ⅱ–空气控制阀、Ⅳ–烟气控制阀和Ⅰ–水蒸气控制阀、Ⅲ–燃气控制阀）控制。在燃烧阶段，空气换向阀和烟气换向阀开启，向炉内供应空气和煤，使煤在流动状态下燃烧，则床层温度迅速升高，所产生的烟气经除尘后从烟囱排出，当温度上升到预定温度时，停止供应空气，相应阀门关闭，燃烧阶段结束，转入气化阶

段。在气化阶段，水蒸气换向阀和燃气换向阀相继开启，向气化炉供应水蒸气和锯木，则高温锯木在流化状态下和水蒸气发生热解气化反应，产生含少量N2的燃气，燃气经洗涤净化后进入气柜。温度下降到预定温度时，停止供应水蒸气，相应阀门关闭，气化阶段结束，换向阀又转至燃烧阶段。这样燃烧和气化两个阶段交替循环往复的工作。所产燃气进入气柜后，使用取样球收集后用气相色谱分析仪对气样中的CO2、CO、H2、CH4进行分析。

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2 实验结果与分析

本气化过程所涉及到的主要反应：

pyrolysis(CaO)

biomasschartargases(H2,CO,CO2,CH4,CnHm)(1)0CH2OCOH2 H298131.5kJmol1 0CCO22CO H298172kJmol1 0COH2OCO2H2 H29841kJmol1 0CH4H2OCO3H2 H298206kJmol1

(2)(3)(4)(5)

decomposition(CaO)tarH2Ogases(H2,CO,CO2,CH4,CnHm) (6)

0C2H2CH4 H29874.8kJmol1 0CaOCO2CaCO3 H298178.3kJmol1

(7)(8)

2.1 温度的影响

在流化床气化温度范围内，气化反应属于反应控制区，当气化温度提高20℃ ~ 30℃，气化反应速率提高近1倍，因此,气化温度对气化过程的热力学和动力学有决定性的影响[10]。温度对燃气组分和低位热值的影响分别见图2和表2。在所研究温度的范围内，燃气中H2含量为36.73% ~ 42.67%，CO含量为30.85% ~ 32.23%，CH4含量为6.56% ~ 11.25%，CO2含量为9.37% ~ 11.72%。(H2 + CO)含量为67.58% ~ 74.9%，表明H2和CO是燃气中最主要的两种气体组分。

H2和CO含量随温度升高而增加，CH4和CO2含量则相应的减小。燃气中各组分含量的变化是由一系列化学反应（1-8）共同作用的结果，其中式2

和3为主要的两个反应。温度的升高使锯木热解反应（式1）与气化反应速率加快，且由于水煤气反应（式2）和烃类的重整（式5，式6）为吸热反应，故随着温度的升高，H2和CO含量增加。由锯木的工业分析和元素分析可知，锯木的挥发分含量，氧含量较高，锯木的热解过程中会释放一定量CO2，但释放的CO2很快与焦炭反应（式3），故CO2含量随温度升高而减小。在常压下，CH4含量主要由锯木中挥发分含量生成，温度升高CH4含量下降主要是由于生成的CH4在高温下分解所致。

燃气低位热值随温度升高而减小，其变化范围为11007.11 kJ/Nm3 ~ 11864.02 kJ/Nm3（表2）。燃气组分中对燃气热值影响最大的是CH4，其次是CO和H2。在本节中，燃气低位热值的降低主要是由于CH4含量的降低对燃气热值的减少量大于H2和CO含量的增加对燃气热值的增加量所致。

Concentration / %

o

Temperature / C

图2 不同温度下的燃气组分

Fig. 2 Gas composition of different temperatures

表2 实验条件及不同温度下的燃气热值

Table 2 Experimental conditions and lower heating value of different temperatures

参数

燃烧阶段加煤量（kg） 加煤时间（s）

燃烧阶段供空气量（m3/h） 气化阶段加锯木量（kg） 加锯木时间（s）

气化阶段供水蒸气量（kg） 燃气热值（kJ/Nm3）

温度（℃）

900 925 950 975 1000 0.275 0.275 0.275 0.275 0.275 40 40 40 40 40 68 68 68 68 68 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 50 50 50 50 50 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 11864.02 11659.04 11391.77 11226.25 11007.11

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2.2 水蒸气与锯木比的影响

图3和表3给出了不同水蒸气与锯木比条件下的实验结果。从图3中可以看出，在所研究的水蒸气与锯木比的范围内，燃气中H2含量为36.66% ~ 48.26%，CO含量为23.73% ~ 33.08%，CH4含量为7.07% ~ 10.87%，CO2含量为9.88% ~ 12.01%。H2和CO2含量随水蒸气与锯木比增加而增加，而CH4和CO含量则相应的减小。(H2 + CO)含量随水蒸气与锯木比的增加呈现出上升趋势，其值变化范围为69.74% ~ 72.03%。与温度对实验结果的影响一样，燃气中H2和CO是最主要的两种气体。燃气中的N2含量较低，其主要是来自煤燃烧残留下来的N2。此外，燃气的低位热值随水蒸气与锯木比的增加而减小，其值变化范围为10719.09 kJ/Nm3 ~ 12002.44 kJ/Nm3（见表3）。

Concentration / %

Stream (kg) / Sawdust (kg)

图3 不同水蒸气与锯木比下的燃气组分

Fig. 3 Gas composition of different steam to sawdust

ratios

表3 实验条件及不同水蒸气与锯木比下的燃气热值

Table 3 Experimental conditions and lower heating value of different steam to sawdust ratios

参数 温度（℃） 生物质与煤质量比 燃烧阶段供空气量（m3/h） 气化阶段供水蒸气量（kg） 燃气热值（kJ/Nm3）

水蒸气与锯木质量比

1.15 1.36 1.59 1.78 2.07 975 ~ 1000 975 ~ 1000 975 ~ 1000 975 ~ 1000 975 ~ 1000

4 4 4 4 4 68 68 68 68 68 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 12002.44 11709.76 11438.56 11088.55 10719.09

3 结论

基于单一流化床两步气化法，以煤作为热载体和发热体，水蒸气为气化剂，CaO为催化剂，在自行研制的流化床热态装置上对锯木气化制备燃气进行了研究，得出以下结论。

（1）在所研究的操作参数范围内，(H2 + CO)含量为67.58% ~ 74.9%，燃气低位热值为10719.09 kJ/Nm3 ~ 12002.44 kJ/Nm3。

（2）含少量N2的中热值燃气可以被获得，其中H2和CO是燃气中最主要的两种气体。

（3）随着温度的升高，燃气中H2和CO含量增加，而CH4和CO2含量，燃气低位热值则呈现下降趋势。

（4）燃气中H2和CO2含量随水蒸气与锯木比的增加而增加，而CH4和CO含量则相应的减小。

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作者简介：

陈兆生（1987-），男，在读硕士，主要从事生物质与煤热化学转化研究。

王立群（1964‐），男，江苏镇江人，副研究员，主要从事生物质与煤热化学转化研究。

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