PDF《生物质 固定床两步法气化技术》

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0 年4月农业机械学报第41卷第4期DOI:10 .

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969 /J.issn .

100 0 一12

98 .20

10 .04 .0

2 1 生物质固定床两步法气化技术 闰桂焕 孙荣峰 许敏, 关海滨 张卫杰, 李晓霞2 (1.山东省科学院能源研究所, 济南

2500 1

4 ;

2.山东省生物质气化技术重点实验室, 济南

2500 1

4 ) 摘要 在分析焦油形成机理和裂解条件的基础上提出了一种高效的低焦油生物质气化技术 该技术将生 物质低温热解和高温气化两个过程分开进行,且要求热解发生于

35 0 一500 之间, 气化温度控制在

1000 左右, 气化剂当量比大约为 0.3 分步气化保证了焦油强化裂解的高温条件,使其充分裂解为小分子不凝性可燃气体, 从 而降低了可燃气体中基础焦油质量浓度, 提高了燃气品质 该工艺可使燃气中基础焦油质量浓度降低到

2 0 m g/耐以下关键词: 生物质 两步法气化 热解 低焦油 中图分类号: TK

6 文献标识码: A 文章编号: 1000一1295(20

10 )04一010 1一4TwosteP G a sif i ca tio n T ech n o l o g y of B io m a ss i n F ix ed B ed Y an G u ih u a n Sun R ongf e ng X u M i n G uan H ai bi n zhang W ei jieZ Li Xiaoxia, (1.Ene卿Resear c h I n st i tute, Shandong Aeadem 了o f Sei enees, Ji, n an

250014 , Chi na 2.KeJ La6orato叮f o r Biom ass Ga3诉eat ion T e ehnol o群ofShandong P rovince, Ji, n an

2500 14 , Chi na) A b str&

C t A novel and ef f i ei ent low 一tar gasif ieation teehnol ogy w as P ut f o r w ard based on the m eeh anies of tar generation and pyrol ysis. T his teehnology eont ains sueh tw o seParate sub一proeess as Pyrol ysi s oeeu rri ng betw een

350 and

500 , and gasif i eation reaeting in th e h igh t em perature eonditi on about

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00 . T he h i gh一tem Perature gasif i eation ensures t h e tar pyrolyze i nto sm all m oleeule non一eonden sable gases w ith the equ i valenee rati o of gasif i eati on agent about0 .3 . A s a result, the quality of biogas

15 high l y im p roved and the m ass eoneentrat ion of original tar in t he biogas

15 si gnif ieantl y redueed below

20 m g/ m 3. K ey w o rd s 引言 B iom ass , T w o一step gasi f i eation , P yrol ysis, Low tar 气化是生物质能主要利用形式之一 , 但在气化 过程中焦油是不可避免的伴生物 焦油在高温时呈 气态 , 与可燃 气体 完全混合 , 而在低 温 (一般低 于200 )时凝结 为液态 , 堵塞 输气管道 , 严重影 响后 续设备的稳定运行 , 从而限制了生物质气化技术 的 大规模商业化应用 ! 关于如何有效降低生物质气化过程中基础焦油 质量浓度的文献报道已不少 吕鹏梅等提出炉 内催 化裂解方法 ], 但该方法 由于催化剂 的使用 寿命 应用成本等问题并未得到广泛应用 赖艳华等在气 化炉中通过两段供风的方式来降低燃气中焦油的含 量 文献

4 中设计 了一种两段式气化炉 , 可将 气体中焦油质量浓度降低 到50mg/耐Che n 等借 助实验室循环 流化床气化炉提出一种 多级 气化 的概念 , 在脱 除焦油上取得 了一定效果互 ca 等 提出了一种两段复合式生物质空气气化器 的概念 , 并在实验 室流化 床反应 器上 得到 了初 步验证

6 文献

7 中提出了一种两段式生物质气化 技术, 可 以明显减少燃气中焦油质量浓度 , 提高气体品质 国内生物质分步式气化技术 的研究起步较晚 , 收稿 门期:

2009 一08 一20 修回 日期 :

2009 一09 一14 十一 互 国家科技 支撑计划 资助项 目(ZOO6 BA D0

7 Ao3oZ ) 国家

86 3 高技术研 究发展计 划资助项 目(200

9 A A0

5 z2

1 4 ) 和山东省 自主 创新重大 专项(2006G G I1070

1 0 ) 作者简介 : 门桂焕 ,助理研究 员, 主要从事生物质能利用研究 , E 一mail:ya n gu i hu a n@

16 3 .c o m 农业机械学报2010年资料报道少 本文在分析焦油形成机理和裂解条件 的基础上 ,重点介绍两步法气化工艺 ,并借助现有装 置进行相关试验研究,验证工艺路线的可行性

1 焦油的特性与形成机理 焦油是一种可冷凝烃类物质的复杂混合物 各 种生物质原料被加热时 ,分子键 断裂产生的较大分 子物质被认为是初 级焦油 由于温度等因素 的影 响, 初级焦油并不稳定 , 进 而形成二级焦油 三级焦 油 8一

9 焦油性质的不稳定性 , 导致 了其成分非常 复杂, 目前已确定 的组分就有上 百种 , 包括多种链 烃环烃芳香烃 等,其中质量 分数 大于5% 的有

7 种, 即苯 蔡 甲苯 二 甲苯 苯乙烯 酚荀在生物质气化 过程 中, 焦 油生成于热解 阶段 当原料被加热到

200 以上 时, 组成生物质的纤维 素 半纤维素和木质素等成分开始发生热分解 , 生成 焦炭 木 醋酸 焦油和气体 在生物质热化学转换 中, 焦油的数量主要与转换温度 气相停留时间及加 热速率有关 一般 而言, 在500 左右时焦油产量 最多 , 高于或低 于这 一温度 , 焦油都 相应减 少)例 研究表明, 温度越高 气相停 留时间越 长, 焦油裂解 越充分 ,焦油量就越少[ 一{

2 低焦油生物质气化 工艺 生物质气化过程包括干燥 热解 燃烧和还原几 个过程 , 焦油产生于热解阶段而在高温区发生分解 为了保证焦油的充分 裂解 , 就应该延长气体在高温 区的停留时间, 正是基于这一特征 , 提出了一种实现 低焦油生物质气化的新工艺 该工艺将生物质气化过程中的干燥 热解 燃烧 和还原几个过程相对分开进行 , 保证大分 子焦油类 物质在高温区充分裂解为小分子不凝性气体 , 形成 多级 气化过程 具体工艺路线如图 l 所示 部通人的气化剂发生强烈 的氧化燃烧反应 , 气化剂 当量 比约为 0.3 , 热解 气中的焦油通过约

1 000 的 高温区时发生裂解 而消失 , 裂解后的气体 通过下部 碳层, 经还原反应完成气化, 得到含一氧化碳 氢甲烷等可燃成分的低热值燃气 燃气经过冷却净化后 即可满足多种使用要求, 如发电 供气 作化工合成 气等 热解产生 的初级焦油在高温燃烧区发生分解 , 即焦油的二次裂解,其主要特征是: 焦油的一部分 缩聚转化为焦炭 焦油发生裂解反应 , 生成 CO H Z cH

4 等 在二次裂解的初期 主要是焦油 中环烷 烃 的裂解 焦油大分子 内桥键 的断裂 (分解 为较小 的焦油分子混合物) 以及芳香族化合物上 的极性官 能团的断裂(使其极性 和分子 量减小 ) 随着裂解 的进行 , 芳香族化合物不断发生开环反应 该工艺的优点为: (l ) 将热解和气化过程相对分开进 行,质地疏 松 外形杂乱的生物质在机械力 的作用下通过热解 器, 克服了以往固定床气化炉易产生架桥 空洞 反 应不稳定的缺点, 从而保证了热解反应的顺利进行 (2 ) 生物质经过热解以后 , 形成 的碳 的堆积密 度和流动性 比生料有较大改观 , 热解产物 可以很容 易地通过燃烧区进人还原段 , 形成均匀稳定的高温 燃烧环境, 保证了焦油的充分裂解 ,避免了因反应不 均而造成的局部结焦现象 (3 ) 该工艺可使焦油质量浓度小于

2 0 m g/耐,简化 了后续净化 设备 , 消除 了水洗 除焦造成 的二次 污染 , 提高 了后续燃气利用系统的可靠性

3 试验 依据上述工艺, 在山东省生物质 气化重点实验 室中搭建 了一试验 台, 该 试验 装置 的加 料 能力 为40一60 kg/ h 借助该试验台, 主要对两步法气化工 艺路线产生的生物质燃气中焦油质量浓度 飞灰特 性及气体成分进行初步探索研究 , 以期验证工艺路 线的可行性 结合当地条件, 试 验使用 自然风干条件下 的玉 米芯为原料 ,其含水率在

1 0 % 一巧% 之间 , 无需破 碎,具体特性如表 l 所示 表1玉米芯 的元素分析 工业分析 (质t 分数 ) T ab .

1 C ha raeteristie of eo rn eo b % 图I两步法生物质气化工艺路线 F ig.

1 F low eh art of tw o一step gasif i eation o........