下吸式固定床農(nóng)林類生物質(zhì)低焦油氣化過程試驗研究與數(shù)值計算.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)存在燃氣中焦油含量高、廢水難以處理等問題，燃氣凈化不徹底是阻礙生物質(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)公認的難題。熱裂解脫除焦油是一種簡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)化運行裝置，因此研究開發(fā)完善簡單高效的低焦油氣化工藝及裝置對于推動生物質(zhì)能大規(guī)模應(yīng)用具有重要的工程價值。由于焦油成分的復(fù)雜性，目前對生物質(zhì)氣化過程所

2、做的數(shù)值模擬計算較少有考慮焦油組分的，因此無法分析到焦油在爐內(nèi)的裂解狀況，無論從熱力學還是動力學角度，建立含有焦油的生物質(zhì)氣化過程數(shù)學模型對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象，借助試驗和數(shù)值計算兩種手段研究了農(nóng)林類生物質(zhì)實現(xiàn)低焦油氣化關(guān)鍵問題，包括低焦油氣化裝置、考慮焦油裂解過程的數(shù)學模型等。
　　 熱解是生物質(zhì)氣化過程非常重要的一個環(huán)節(jié)，熱解過程生成焦油，熱解產(chǎn)物為后續(xù)氧化還原反應(yīng)過程提供物質(zhì)

3、來源。為了更好地組織氧化還原過程、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臺上，研究了農(nóng)林類生物質(zhì)在移動床中的熱解特性，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)熱解氣化過程中，對熱解產(chǎn)物分布影響最大的是反應(yīng)溫度，反應(yīng)時間影響很??；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℃時分別約占40-45％、45-50％、7-10％，800℃時分別約占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，焦油產(chǎn)量最大，隨著溫度的提高，焦油產(chǎn)量明顯降低。
　　 為實現(xiàn)低焦油氣化過程，

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)與熱解還原過程在空間上分開，即利用分步式方法實現(xiàn)低焦油氣化過程。本文借助下吸式固定床反應(yīng)器，提出了一種簡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程在物理空間上分開進行，并建立了相應(yīng)氣化裝置，通過試驗驗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，燃氣組分、熱值、燃氣中焦油含量與氧化區(qū)溫度密切相關(guān)，熱解溫度、當量比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450℃、氧化區(qū)溫度超過950℃時，產(chǎn)品氣焦油含量小于20mg/Nm3，燃氣熱值約為5MJ/Nm3，氣化效率大于72％，碳轉(zhuǎn)化效率超過90％；熱解溫度450℃，ER從0.23提高到0.3，氧化區(qū)溫度升高，燃氣中CO、CH4含量下降，H2含量略有增加，燃氣熱值降低，焦油含量減

7、少；當量比0.25-0.3、熱解溫度400-500℃，空氣氣化燃氣熱值為4.2.5.3MJ/Nm3，富氧氣體(氧體積濃度90％)氣化燃氣熱值為7-9.5MJ/Nm3。當以空氣為氣化劑時，水蒸汽加入后氧化區(qū)溫度有所降低，燃氣中H2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)條件對焦油裂解過程的影響，建立了氧化區(qū)熱解產(chǎn)物燃燒及焦油裂解過程的動力學數(shù)學模型，實現(xiàn)

8、了氧化區(qū)反應(yīng)過程的可視化研究，得到了氧化區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)的變化規(guī)律。計算結(jié)果表明，在其它條件不變時，ER對氧化區(qū)溫度場、濃度場有較大影響，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，空氣氣化和富氧氣體(氧體積濃度90％)氣化兩種方式對焦油裂解程度影響不大，但對濃度場影響較大；從氧化區(qū)軸向截面來看，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，本文從熱力學角度，基于物質(zhì)平衡、能量平衡和化學反應(yīng)平衡建立了生物質(zhì)氣化過程數(shù)學模型，并引入了焦油?；锘靖拍睢ＤＰ陀嬎憬Y(jié)果與前人所建模型計算結(jié)果基本吻合，說明模型計算準確；但與分步式固定床氣化試驗結(jié)果相比時發(fā)現(xiàn)在CO、CO2組成上存在較大差別，其它成分基本接近，這主要是由于試驗過程中受多方面因素的影響，很多反應(yīng)實際達不到平衡，模型計算是完全實現(xiàn)平衡時的理想結(jié)果，它給出了各種成分的最終變化趨勢，因此熱力學計算結(jié)果可以從宏觀上

11、指導(dǎo)工程實踐。計算結(jié)果表明，空氣氣化、當量比0.25、反應(yīng)溫度1000℃，達到平衡狀態(tài)時，燃氣中CO、H2體積之和在40％以上，CH4約占0.8-2.5％，焦油含量很少，燃氣熱值為6-7.7MJ/Nm3；空氣預(yù)熱溫度提高，燃氣中CO、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，燃氣中CO、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，燃氣中H2、CH4、H2O、CO2體積含量均略有增加，CO、焦油含量略有下降，燃氣熱值增加；ER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、試驗研究和數(shù)值計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)問題，利用分步式氣化方法找到了實現(xiàn)低焦油氣化的工藝參數(shù)，獲得了考慮焦油在內(nèi)的氧