生物質流化床氣化機理與工業(yè)應用研究.pdf

1、作為生物質熱化學轉化技術中的一種，生物質氣化的目標是盡可能多地得到高品質燃氣。在各種氣化反應器中，由于流化床具有氣固兩相接觸充分，傳熱傳質強烈，床層溫度均勻，易于放大等特性而特別受到重視。生物質流化床氣化反應器被認為是最具開發(fā)前景的生物質氣化反應裝置之一。目前，生物質流化床氣化主要面臨的問題有：燃氣中焦油含量偏高且凈化困難；燃氣熱值偏低(特別是空氣氣化)；仍然缺乏一個系統(tǒng)完整的氣化裝置放大準則；模型模擬結果與試驗結果相差較大等，這些存在

2、的問題直接影響了生物質氣化技術的推廣和應用。 為此，在國家‘863’基金資助下，圍繞生物質流化床氣化應用過程中的關鍵問題，從工程應用角度出發(fā)，本文對冷態(tài)實驗條件下生物質顆粒在流化床中的流體力學特性、實驗室規(guī)模生物質流化床氣化特性、木炭床焦油高溫催化裂解特性進行了研究，論文還針對工業(yè)規(guī)模生物質流化床氣化發(fā)電系統(tǒng)的運行特性進行了分析，并基于得到的大量實驗數(shù)據(jù)建立了關于生物質流化床氣化特性的人工神經網(wǎng)絡模型。 通過對冷態(tài)實驗條

3、件下，多種生物質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(如木屑、稻殼)也是可以實現(xiàn)良好流化的。2)不同生物質原料流化特性有著顯著區(qū)別，木屑的流化質量較好，當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生物質顆粒的流化也有重要影響。當流化床直徑小于l00mm時，‘壁面效應’會比較明顯，流化床尺寸增大有利于改善流化質量。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)對處于快速流態(tài)化下的生物質循環(huán)流化床速度分布和空隙率分布的考察表明：在生物質循環(huán)流化床中也存在著典型的‘環(huán)—核’流動結構。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)流率都對速度分布和空隙率分布有明顯影響。5)對生物質顆粒在Loopseal型返料器中的流動特性研究表明：改變提升管的運行風速Ug對循環(huán)流率Gs影響不大；通過Loopseal的顆粒循環(huán)流率Gs隨輸送風量Q

5、l和側吹風量Q2增加而增大；改變側吹風量Q2對循環(huán)流率的影響要比改變Q1的影響大得多。根據(jù)王擎實驗關聯(lián)式得到的改進關聯(lián)式與實驗結果吻合較好。 在內徑0.3×0.3m實驗室規(guī)模生物質流化床氣化試驗臺上對木屑的氣化特性實驗研究表明：氣化當量比ER在0.23～0.38之間變化時，氣化溫度：689～820℃，燃氣中焦油含量：34.45～92.47g/Nm3，燃氣熱值：5650～6765kJ/Nm3，產氣率：1.5-2.2Nm3/kg，碳

6、轉化率：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，焦油裂解率可達92％以上。對裂解前后的燃氣和焦油成分對比分析發(fā)現(xiàn)，裂解后焦油中芳香烴增加而極性物減少；裂解后燃氣中H2的含量明顯提高，而其它的碳氫化合物CH4,C2H2，C2H4，C2H6的含量均有不同程度的下降。裂解后燃氣的熱值有所下降，平均降低了20％，但仍保持在5MJ/

7、m3左右，基本可以滿足發(fā)電及供熱對燃氣品質的要求。 對某商業(yè)運營的800kWe稻殼氣化發(fā)電站的運行特性研究發(fā)現(xiàn)：由于流化速度偏低，在床內密相區(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)局部過熱而結渣現(xiàn)象。氣化溫度隨著當量比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，而負荷變化對其影響不大。產氣率、碳轉化率和氣化效率則隨著當量比和負荷增大而提高。原料中的水分含量對氣化系統(tǒng)的運行也有重要影響，當

8、原料的水分高于15％，將導致氣化爐的溫度劇烈波動。氣化后的稻殼灰可作為保溫材料、高強度水泥摻合料及鉀肥等進一步利用。 對建于江蘇省興化市目前國內規(guī)模最大的生物質氣化發(fā)電項目-4MWe生物質氣化-蒸汽整體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范電站的初步測試結果表明，根據(jù)我國國情自主開發(fā)的生物質氣化—內燃機—汽輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電路線是切實可行的。對20MWth生物質CFB氣化爐測試結果發(fā)現(xiàn)：當氣化溫度運行在700-800℃之間時，氣化爐產生燃氣熱值達到56

9、80-6218kJ/Nm3。在50％負荷條件下，當ER保持在0.22-0.35范圍變化時，最高碳轉化率接近90％，氣化效率達到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，燃氣質量不但沒有降低，反而略有提高。對由8300型柴油發(fā)電機組改造而成的目前國內最大功率450kWe低熱值燃氣發(fā)電機組測試結果表明，當機組相對負荷維持在0.7-0.9左右時，機組發(fā)電效率達到28.8-29.7％，比原來的20