生物質(zhì)流化床氣化機(jī)理與工業(yè)應(yīng)用研究.pdf

1、作為生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中的一種，生物質(zhì)氣化的目標(biāo)是盡可能多地得到高品質(zhì)燃?xì)?。在各種氣化反應(yīng)器中，由于流化床具有氣固兩相接觸充分，傳熱傳質(zhì)強(qiáng)烈，床層溫度均勻，易于放大等特性而特別受到重視。生物質(zhì)流化床氣化反應(yīng)器被認(rèn)為是最具開發(fā)前景的生物質(zhì)氣化反應(yīng)裝置之一。目前，生物質(zhì)流化床氣化主要面臨的問題有：燃?xì)庵薪褂秃科咔覂艋щy；燃?xì)鉄嶂灯?特別是空氣氣化)；仍然缺乏一個(gè)系統(tǒng)完整的氣化裝置放大準(zhǔn)則；模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大等，這些存在

2、的問題直接影響了生物質(zhì)氣化技術(shù)的推廣和應(yīng)用。 為此，在國(guó)家‘863’基金資助下，圍繞生物質(zhì)流化床氣化應(yīng)用過程中的關(guān)鍵問題，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，本文對(duì)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下生物質(zhì)顆粒在流化床中的流體力學(xué)特性、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生物質(zhì)流化床氣化特性、木炭床焦油高溫催化裂解特性進(jìn)行了研究，論文還針對(duì)工業(yè)規(guī)模生物質(zhì)流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，并基于得到的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了關(guān)于生物質(zhì)流化床氣化特性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。 通過對(duì)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)條

3、件下，多種生物質(zhì)原料在不同尺寸流化床中的流化特性研究發(fā)現(xiàn)：1)純生物質(zhì)(如木屑、稻殼)也是可以實(shí)現(xiàn)良好流化的。2)不同生物質(zhì)原料流化特性有著顯著區(qū)別，木屑的流化質(zhì)量較好，當(dāng)氣速超過充分流化速度，可以觀察到典型的‘鼓泡’流化狀態(tài)。稻殼的流化質(zhì)量稍差，比較容易出現(xiàn)‘溝流’現(xiàn)象。3)床層尺寸和料層高度對(duì)生物質(zhì)顆粒的流化也有重要影響。當(dāng)流化床直徑小于l00mm時(shí)，‘壁面效應(yīng)’會(huì)比較明顯，流化床尺寸增大有利于改善流化質(zhì)量。料層高度與床徑比(H/D

4、)超過3.0，容易出現(xiàn)‘節(jié)涌’現(xiàn)象。4)對(duì)處于快速流態(tài)化下的生物質(zhì)循環(huán)流化床速度分布和空隙率分布的考察表明：在生物質(zhì)循環(huán)流化床中也存在著典型的‘環(huán)—核’流動(dòng)結(jié)構(gòu)。速度在徑向呈‘拋物線’型分布，空隙率沿徑向分布則比較均勻。改變操作氣速和循環(huán)流率都對(duì)速度分布和空隙率分布有明顯影響。5)對(duì)生物質(zhì)顆粒在Loopseal型返料器中的流動(dòng)特性研究表明：改變提升管的運(yùn)行風(fēng)速Ug對(duì)循環(huán)流率Gs影響不大；通過Loopseal的顆粒循環(huán)流率Gs隨輸送風(fēng)量Q

5、l和側(cè)吹風(fēng)量Q2增加而增大；改變側(cè)吹風(fēng)量Q2對(duì)循環(huán)流率的影響要比改變Q1的影響大得多。根據(jù)王擎實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式得到的改進(jìn)關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。 在內(nèi)徑0.3×0.3m實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生物質(zhì)流化床氣化試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)木屑的氣化特性實(shí)驗(yàn)研究表明：氣化當(dāng)量比ER在0.23～0.38之間變化時(shí)，氣化溫度：689～820℃，燃?xì)庵薪褂秃浚?4.45～92.47g/Nm3，燃?xì)鉄嶂担?650～6765kJ/Nm3，產(chǎn)氣率：1.5-2.2Nm3/kg，碳

6、轉(zhuǎn)化率：68.8～96.5％，氣化效率：57.9～85.3％。焦油在木炭床中的高溫裂解特性研究發(fā)現(xiàn)：隨著裂解爐溫度的升高，焦油裂解率增加，在裂解溫度為1050℃時(shí)，焦油裂解率可達(dá)92％以上。對(duì)裂解前后的燃?xì)夂徒褂统煞謱?duì)比分析發(fā)現(xiàn)，裂解后焦油中芳香烴增加而極性物減少；裂解后燃?xì)庵蠬2的含量明顯提高，而其它的碳?xì)浠衔顲H4,C2H2，C2H4，C2H6的含量均有不同程度的下降。裂解后燃?xì)獾臒嶂涤兴陆?，平均降低?0％，但仍保持在5MJ/

7、m3左右，基本可以滿足發(fā)電及供熱對(duì)燃?xì)馄焚|(zhì)的要求。 對(duì)某商業(yè)運(yùn)營(yíng)的800kWe稻殼氣化發(fā)電站的運(yùn)行特性研究發(fā)現(xiàn)：由于流化速度偏低，在床內(nèi)密相區(qū)物料混合仍然不是很充分，存在局部氧化區(qū)和局部熱解區(qū)，容易出現(xiàn)局部過熱而結(jié)渣現(xiàn)象。氣化溫度隨著當(dāng)量比ER增加而近似線性升高。氣體熱值隨著氣化溫度提高而近似線形降低，而負(fù)荷變化對(duì)其影響不大。產(chǎn)氣率、碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率則隨著當(dāng)量比和負(fù)荷增大而提高。原料中的水分含量對(duì)氣化系統(tǒng)的運(yùn)行也有重要影響，當(dāng)

8、原料的水分高于15％，將導(dǎo)致氣化爐的溫度劇烈波動(dòng)。氣化后的稻殼灰可作為保溫材料、高強(qiáng)度水泥摻合料及鉀肥等進(jìn)一步利用。 對(duì)建于江蘇省興化市目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的生物質(zhì)氣化發(fā)電項(xiàng)目-4MWe生物質(zhì)氣化-蒸汽整體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范電站的初步測(cè)試結(jié)果表明，根據(jù)我國(guó)國(guó)情自主開發(fā)的生物質(zhì)氣化—內(nèi)燃機(jī)—汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電路線是切實(shí)可行的。對(duì)20MWth生物質(zhì)CFB氣化爐測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)氣化溫度運(yùn)行在700-800℃之間時(shí)，氣化爐產(chǎn)生燃?xì)鉄嶂颠_(dá)到56

9、80-6218kJ/Nm3。在50％負(fù)荷條件下，當(dāng)ER保持在0.22-0.35范圍變化時(shí)，最高碳轉(zhuǎn)化率接近90％，氣化效率達(dá)到80％。和800kWe稻殼氣化發(fā)電系統(tǒng)相比，流化床氣化裝置從5MWth放大到20MWth，燃?xì)赓|(zhì)量不但沒有降低，反而略有提高。對(duì)由8300型柴油發(fā)電機(jī)組改造而成的目前國(guó)內(nèi)最大功率450kWe低熱值燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)組相對(duì)負(fù)荷維持在0.7-0.9左右時(shí)，機(jī)組發(fā)電效率達(dá)到28.8-29.7％，比原來的20