《循环流化床生物质催化气化试验研究》-工学论文，化学工程论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

循环流化床生物质催化气化试验研究

范文

赵钧王钧为刘三举

摘 ? ? ?要：为研究不同催化剂、不同当量比及不同温度条件下生物质气化效果，采用1.5 MW、产气率4 500 m3/h循环流化床试验平台，分别对木屑和稻壳两种生物质原料的催化气化特性进行试验研究。试验结果表明：对于同一种生物质原料，采用橄榄石作为催化剂时，其气化气体中的可燃成分含量更高，橄榄石催化效果优于白云石和菱镁矿;而与稻壳相比，木屑气化产出生物质气体中的可燃成分比重更高;随着当量比的增加，气体热值均有所下降，其原因是当量比增大导致了空气中的氮气更多的进入气化炉，稀释了气化气的体积浓度，从而使得气体热值明显下降。在当量比ER为0.1和0.2条件下，采用橄榄石作为催化剂可以得到热值较高的生物质气;三种催化剂的最佳催化反应温度均为750 ℃左右，ER=0.2时的气体产率明显比ER=0.1高，说明更多的空气进入气化炉参与反应，产品气体积有所增加，但是将降低气体热值。

关 ?键 ?词：循环流化床;生物质;气化;催化剂;当量比

中图分类号：TK6 ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? 文章编号： 1671-0460（2019）12-2713-04

Abstract： In order to study the effect of biomass gasification under different catalysts， different equivalent ratios and different temperature conditions， the catalytic gasification characteristics of wood chips and rice shell were tested by using a test platform of 1.5 MW and gas production rate of 4 500 m3/h circulating fluidization. The test results showed that， when olivine was used as catalyst for the same biomass raw material， the combustible content of gasified gas was higher， its catalysis effect was better than the dolomite and magnesia; Compared with the rice shell， the proportion of combustible components in the biomass gas produced by wood chip gasification was higher; And the thermal value of gas decreased with the increase of the equivalent ratio. The reason was that the increase of the equivalent level led to more nitrogen in the air into the gasified furnace， diluting the volume concentration of gasified gas， thus making the gas thermal value significantly decrease. Under the condition of 0.1 and 0.2 equivalent ratio of ER， the biomass gas with higher thermal value was obtained by using olivine as a catalyst， the optimum catalytic reaction temperature of the three catalysts was about 750 ℃， and the gas yield at ER=0.2 was significantly higher than that of ER=0.1， indicating that more air entered the gasification furnace to participate in the reaction， the volume of produced gas increased， but the calorific value of the gas decreased.

Key words： Circulating fluidized bed; Biomass; Gasification; Catalyst; Equivalent ratio

近年来随着我国环境保护要求的不断提高，传统化石能源发电形式逐渐被限制，新能源发电比重正在逐渐增大。其中，生物质發电具有副产品利用效率高、环境效益好等优点，因此正得到快速推广。2018年1月19日国家能源局下发的《关于开展“百个城镇”生物质热电联产县域清洁供热示范项目建设的通知》文件正式批复了全国筹建生物质热电联产示范项目共136个[1];2018年6月21日国家能源局、生态环境部联合发布《关于燃煤耦合生物质发电技改试点项目建设的通知》，确定生物质耦合燃煤发电技改试点项目全国共计84个[2]。

生物质能源的利用方式主要包括热解制取液体燃料[3]、气化制取燃气和燃烧产热/发电。在生物质发电技术中，生物质循环流化床气化被认为是最具开发前景的生物质发电技术之一[4]。然而，稻壳、小麦、玉米等生物质在循环流化床中单独气化时，由于其木质纤维素较多，易形成大量的焦油，如果不采取有效措施，在生物质气化炉启动及停炉时，气化产生的焦油容易在管道内壁上与灰结合，形成黏性的固态物质，将严重影响相关管道、阀门、计量设备及风机系统的正常运行。因此，选择合适的气化催化剂，从而在气化炉内催化裂解生成的焦油，是保证生物质气化发电装备安全稳定运行的重要前提，也是提高生物质气化率及气体热值的有效途径。鉴于此，许多国内外学者先后展开了这方面的研究。杨国来[5]试验研究了不同催化剂对木屑、花生壳、稻草三种生物质催化裂解焦油特性，研究结果表明添加白云石、橄榄石等催化剂可降低气化炉出口焦油含量50%以上。赵志铎[6]研究了催化剂尺寸和催化裂解温度对焦油催化裂解效果的影响，结果表明催化剂尺寸越小或催化裂解温度越高，焦油的催化裂解率越高，其产气率亦越高。汪大千等[7]研究了Ni/C催化剂对生物质气化制氢的影响，结果发现不同生物炭负载镍对气化制氢均有较好的催化作用。Chen G.等[8]研究了气化谷壳和木屑时挥发分的停留时间对气体产量的影响，停留时间长有利于提高气体产量，这可以认为是热解产生的一次焦油发生二次裂解生成气体的缘故。

上述研究大多集中于实验室条件下的小型气化炉催化气化过程，利用现场大型生物质气化炉作为催化载体的相关研究仍然较少，在实际应用中对不同催化剂、不同生物质的催化规律尚不清楚，难以直接应用于实际生产工艺中[9]。因此研究工业级循环流化床生物质催化气化意义重大。本文基于现场1.5MW级生物质循环流化床气化炉，对不同催化剂、不同生物质催化气化过程中的气体组分、气体热值及产气率等特性进行深入研究。

1 ?实验部分

1.1 ?试验平台

本文全部试验是基于1.5 MW循环流化床生物质气化成套装备完成的，其核心设备气化炉的产气率为4 500 m3/h，高9.5 m，内径1.8 m。该装备生产流程示意图和现场图分别如图1（a）、（b）所示。其工作流程为：生物质经破碎后经皮带输送机送到气化炉炉前料仓，通过螺旋输送机将生物质送入气化炉，气化用空气由鼓风机从底部经过布风板送入气化炉，气化炉产生约750 ℃的燃气经过两级旋风分离器，第一级旋风除尘器分离下来的飞灰经回料器送回气化炉下部进行再循环，第二级旋风除尘器分离出粒径更小的飞灰则直接送入输灰系统中;整个系统处于微负压运行，下游由罗茨风机进行引风送至发电设备。

1.2 ?试验原料

试验原料包括生物质原料和催化剂两部分。其中，生物质原料选择当地具有代表性的两种：木屑和稻壳。分别采用TGA-2000工业分析仪和Vario EL元素分析仪测得的原料工业分析和元素分析结果如表1所示。

为了确定试验气化温度，避免生物质在气化炉中实际运行中产生灰渣熔融结渣，有必要对生物质进行灰熔点测试。本试验采用HRD-600型微机灰熔点测定仪（见图2），其测试温度范围为0～1 600 ℃，记录不同生物质灰样变形温度、软化温度及流动温度，测试结果如表2所示。由表2结果可以看出，木屑和稻壳的灰熔点较低，考虑实际运行温度控制及生物质在气化炉中反应过程中的温度不均匀性，本试验选定3种气化温度分别为700、750、800 ℃。

本试验气化炉催化剂参考杨国来、陈汉平等[4]研究结果，选择三种目前市场价格较为廉价的矿物原料，即白云石、菱镁矿和橄榄石。考虑到既要保证较大的比表面积，又不至于被气体携带出气化炉，催化剂颗粒最大尺寸选择为10 mm左右，通过与生物质原料提前掺混的方式直接用螺旋输送机送至气化炉参与气化反应。

2 ?试验结果与讨论

2.1 ?催化剂对气体组分的影响

图3（a）、（b）分别表示当量比ER（Equivalence Ratio）为0.2条件下选择三种不同催化剂对木屑和稻壳气化气体组分的影响。其中，当量比是指供给气化炉的空气量与生物质完全燃烧所需空气量的比值。从图3可以看出，对于同一种生物质（无论是木屑还是稻壳），采用橄榄石作为催化剂时，其气化气体中可燃成分（主要是H2、CO和CH4）的含量更高，说明橄榄石具有更好的催化裂解焦油的能力，其催化效果好于白云石和菱镁矿，再加上橄榄石的高温抗磨性能较好，在工程应用中更受青睐。此外，结合图3（a）和（b）还可以看出，与稻壳相比，木屑气化产出生物质气体中的可燃成分比重高于稻壳，这与木屑中挥发分含量和热值较高是一致的。

2.2 ?催化剂对气体热值的影响

图4（a）、（b）分别表示在当量比、催化剂对木屑和稻壳气化气体热值的影响。可以观察到的是，随着当量比的增加（从0.1增加至0.3），气体热值都有所下降，其原因是當量比增大导致了空气中的氮气更多的进入气化炉，这就稀释了气化气的体积浓度，从而使得气体热值明显下降。另外，在当量比ER为0.1和0.2条件下，采用橄榄石作为催化剂产出的气化气热值较高，说明在低当量比时橄榄石具有较好的催化效果，但是当量比较高（ER=0.3）时，橄榄石催化得到的气体热值下降更为明显，由此看出，选择合适的当量比和催化剂同等非常重要。

2.3 ?气化温度和当量比对气体产率的影响

反应温度是生物质气化过程中最重要的影响因素，图5表示木屑、稻壳这两种生物质气化过程中温度对气体产率的影响，气体产率是单位质量的生物质原料气化后产生的产品气体积。

可以看出，温度从700 ℃上升至750 ℃时，生物质气化和焦油裂解反应加剧，H2、CO和低碳烃的总含量增加，N2体积分数下降，必然使气体产率上升;当温度升高至800 ℃时，气体产率开始下降，说明随着温度的进一步上升，催化气化效果有所降低，三种催化剂的最佳催化反应温度为750 ℃左右。从图5还可看出，ER=0.2时的气体产率明显比ER=0.1高，更多的空气进入气化炉参与反应，产品气体积有所增加，但是会影响气体的热值。

3 ?结论

（1）对于同一种生物质原料，采用橄榄石作为催化剂时，其气化气体中可燃成分的含量更高，橄榄石催化效果好于白云石和菱镁矿，而与稻壳相比，木屑气化产出生物质气体中的可燃成分比重高于稻壳。

（2）随着当量比的增加，气体热值都有所下降，其原因是当量比增大导致了空气中的氮气更多的进入气化炉，稀释了气化气的体积浓度，从而使得气体热值明显下降。当量比ER为0.1和0.2条件下，采用橄榄石作为催化剂可以得到热值较高的生物质气。

（3）白云石、菱镁矿及橄榄石的最佳催化反应温度均为750 ℃左右，ER=0.2时的气体产率明显比ER=0.1高，说明更多的空气进入气化炉参与反应，产品气体积有所增加，但是会影响气体的热值。

参考文献：

[1]欧训民.生物质气化发电技术的现状及发展趋势[J].能源技术，2009，30 （2）：84-85.

[2]张卫杰，关海滨，姜建国，等. 玉米秸秆成型燃料在复合式固定床中的气化试验[J]. 山东科学， 2017，30 （4）：67-72.

[3]王伟文，吴国鑫，张自生. 生物质热解研究进展[J]. 当代化工， 2017，4 6（11）：2300-2302+2315.

[4]李乐豪，闻光东，杨启炜，等. 生物质焦油处理方法研究进展[J]. 化工进展， 2017，36 （7）：2407-2416.

[5]杨国来. 生物质在流化床中的催化气化焦油及裂解的试验研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[6]赵志铎. 生物质气化过程焦油催化裂解脱除方法研究[M]. 保定：华北电力大学，2011.

[7]汪大千，姚丁丁，杨海平，等. Ni/C催化剂对生物质气化制氢的影响[J].中国电机工程学报，2017，37（19）：5682-5687.

[8]Chen， G.，et al. Biomass pyrolysis/gasification for product gas production： The overall investigation of parametric effects. Energy Conversion and Management，2003，44 （11）：1875-1884.

[9]李静，余美玲，方朝君，等. 基于中国国情的生物质混燃发电技术[J]. 可再生能源，2011，29 （1）：124-128.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。