PDF《生物质气化特性研究及 分析》

第27 卷第2期农业工程学报Vol.

27 No.2

282 2011 年2月Transactions of the CSAE Feb.

2011 生物质气化特性研究及 分析 张小桃

1 ,黄明华

1 ,王爱军

1 ,张燕1,H. Arellano-Garcia2 ,G. Wozny2 (1.华北水利水电学院电力学院,郑州 450011;

2.柏林工业大学过程科学系,柏林 10623) 摘要:为了提高生物质能的利用效率以及生物质气化合成气的品质,基于 AspenPlus 模拟平台,以松木、玉米秸秆和 木屑为气化原料,对生物质气化特性进行了研究并对气化过程进行了 分析.计算了空燃比为 0.7~2.

3、生物质含水率 为30%条件下的气化炉运行温度、合成气低位热值和 效率等主要气化过程性能指标,并通过提高气化剂温度、干燥生 物质原料等方法对生物质气化过程进行了优化分析.结果表明,生物质种类及其含水率对气化过程性能有较大的影响;

降低生物质含水率、提高气化剂温度有利于提高气化过程的 效率和合成气低位热值. 关键词:生物质,气化,优化, 效率 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2011.02.048 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011)-02-0282-05 张小桃,黄明华,王爱军,等. 生物质气化特性研究及 分析[J]. 农业工程学报,2011,27(2):282-286. Zhang Xiaotao, Huang Minghua, Wang Aijun, et al. Characteristics of biomass gasification and exergy analysis[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(2): 282-286. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质气化可将低品位的固体生物质原料转化为高 品位的洁净气体燃料,代替化石燃料用于发电、供热, 或作为生产化工产品的原料[1] .Ptasinski KJ 等[2] 研究了 有机污泥的气化,指出气化炉是整个气化工艺效率最低 的操作单元,生物质气化技术推广的关键是气化炉的高 效运行和商业化.Rodrigues M 等[3] 分析了常压气化炉产 生的低热值气体的主要应用技术.Ptasinski KJ 等[4] 通过比 较不同生物质燃料气化过程,分析了气化 效率.张巍 巍和陈汉平等[5-6] 基于 AspenPlus 软件模拟平台对生物质 气化过程进行模拟计算,气化模型能准确地模拟实际气 化过程,具有较好的可靠性和适用性.利用 分析方法 对气化过程进行分析和过程优化研究,目前此方面的研 究并不多. 通过生物质气化特性研究和 分析可以得到不同运 行工况下气化炉的最佳运行条件;

可以通过干燥生物质[7] 和提高气化剂温度, 优化气化过程, 提高气化过程的 效 率以及合成气的品质.本研究工作拟为生物质能的开发 利用以及提高合成气的品质提供理论依据.

1 气化炉模型及气化过程 效率 1.1 气化模型的建立 鉴于生物质气化研究中涉及大量横跨动力过程和化 收稿日期:2010-09-24 修订日期:2011-01-10 基金项目:郑州市科技发展计划(074SCCG32108-5) ;

河南省教育厅自然科 学研究计划项目(2011A520028) 作者简介:张小桃(1967-) ,女,河南省温县人,副教授,博士,主要从 事能源开发与利用研究.郑州 华北水利水电学院,450011. Email:[email protected] 工过程的特殊设备, 本文选择 ASPEN 流程模拟软件对生 物质气化过程进行了数值模拟.用到的主要反应模块为 RYield 和RGibbs[8-9] ,气化模型如图

1 所示.气化炉压力 为0.1 MPa, 空气温度为 25℃, 气化炉出口合成气成分以 及运行温度随着气化炉入口空燃比(空气质量与生物质 燃料质量比)的变化而变化. 图1生物质气化过程模型简图 Fig.1 Simplified model scheme of biomass gasification process 1.2 气化过程 分析及其性能指标 方法是以热力学第

一、第二定律为基础的做功能 力法,它从能量利用的数量和质量

2 个方面来评价能量 转化过程[10] .图2为生物质气化过程的 流图. 图2气化过程物质及 流图 Fig.2 Exergy flow graph of gasification process 第2期张小桃等:生物质气化特性研究及 分析

283 输入气化炉的物质包括生物质和空气,输出为合成 气、灰分和焦油.输入气化炉的 包括生物质的 和空 气的 ,输出包括合成气 ,未完全气化的焦油 、灰分以及不可逆过程的 .当只考虑合成气的开发利用 时,即气化炉的主要产品是合成气时,合成气的 为有 效利用的 ,气化炉 效率的计算公式为 %

100 ? ? ? air biomass syngas ex E E E ? (1) 式中,η ex 为气化炉 效率,%;

Esyngas 为气化炉出口合成 气的 ,kJ;

Ebiomass 为气化炉入口生物质 ,kJ;

Eair 为 气化炉入口空气的 ,kJ. 高温合成气的热 主要包括合成气的化学 和物理 ,其计算公式为 Esyngas=Eph + Ech (2) 式中,Eph 为物理 ,kJ;

Ech 为化学 ,kJ. 基于环境温度和环境压力下,合成气和空气的物理 计算公式为 ε ph=(H-H0)-T0(s-s0) (3) 式中,ε ph 为单位摩尔物质流的物理 ,kJ/mol;

H 和s为单位摩尔物质流的焓和熵,kJ/mol 和kJ/(mol・ K);

T0 为 环境温度,K;

H0 和s0 为在环境温度下单位摩尔物质流 的焓和熵,kJ/mol 和kJ/(mol・ K). 对于气体,摩尔物质流的化学 的计算公式为 ,

0 0 ln ch gas i i i i i i x RT x x ? ? ? ? ? ? (4) 式中,ε ch,gas 为单位摩尔物质流的化学 ,kJ/mol;

ε 0i 为 标准单位摩尔物质流的化学 ,kJ/mol;

R 为理想气体常 数,8.314 J/(mol・ K). 根据文献[11],生物质 可以通过下式计算得到 ( /100) biomass biomass LHV L M ? ? ? ? ? (5) f H C O C ? ? (6) 式中,β为生物质 与生物质低位热值之间的转换系数, 与固体生物质各成分含量有关;

LHVbiomass 为生物质收到 基的低位热值,kJ/kg;

L 为水蒸气的蒸发焓,kJ/kg;

M 为生物质收到基含水率, %;

H/C 和O/C 为生物质元素分 析的各成分比率.其中生物质高位热值及低位热值 (MJ/kg)的计算公式[12] 如下 0.3491 1.1783 0.1005 0.0151 0.1034 0.0211 biomass HHV C H S N O ASH ? ? ? ? ? ? (7) (1 /100) 2.447 /100 22.047 /100 (1 /100) biomass biomass LHV HHV M M H M ? ? ? ? ? ? ? ? (8) 式中, HHVbiomass 为生物质干燥基的高位热值, MJ/kg;

C、 H、S、N、O 和ASH 为生物质干燥基的碳、氢、氧、氮、 硫和灰分的质量分数,%. 合成气的低位热值由以下公式[13] 计算 LHVsyngas = 126CO + 108H2 + 359CH4 + 665CnHm(9) 式中, LHVsyngas 为气体低位热值,kJ/Nm3 ;

CO、 H

2、 CH

4、 CnHm 为合成气中各气体的体积分数,%. 1.3 生物质的选取 中国是一个农业大国,农业废弃物资源分布广泛, 其中农业秸秆年产量超过

6 亿t,可作为能源用途的秸秆 3.5 亿t,约折合 1.5 亿t标准煤;

薪炭林和林业及木材加 工废弃物的资源总量相当于

2 亿t标准煤[14] .初步估算, 全国每年可利用生物质能源总量约

5 亿t标准煤. 本文选 取了有代表性的生物质:松木、玉米秸秆和木屑作为气 化原料.为了方便比较,生物质原料的工业分析和元素 分析均采用干燥基[15] .如表

1 所示. 表1生物质原料的工业分析和元素分析(质量分数)和热值 (干燥基) Table

1 Proximate and ultimate analysis of biomass feedstock (wt%) and heating value (dry basis) 生物质原料 松木 玉米秸秆 木屑 固定碳/% 14.98 18.56 3.60 挥发分/% 84.21 75.24 96.1 工业分析 灰分/% 0.81 6.20 0.30 C/% 51.88 46.85 42.03 H/% 5.75 5.60 5.36 O/% 38.48 40.45 52.09 N/% 0.20 0.78 0.17 S/%

0 0.12 0.05 元素分析 灰分/% 0.81 6.20 0.30 高位热值/(kJ・kg-1 )

20 883.99

18 636.06

15 596.06

2 气化过程性能分析 运用 AspenPlus 软件所建气化模型分别对含水率为 30%的松木、 玉米秸秆和木屑气化过程进行模拟.得到气 化炉主要性能指标随空燃比的变化情况.论文主要分析 合成气低位热值和 效率的变化. 2.1 合成气低位热值 合成气低位热值随空燃比的变化如图

3 所示,合成 气低位热值随空燃比的增大而下降,且松木气化的合成 气低位热值始终最大,玉米秸秆次之,木屑气化的合成 气低位热值最小.因为随着空燃比的增加, CO、 H

2、 CH4 与O2 反应生成 CO2 和H2O,从而使得合成气中可燃气成 分下降,热值随之降低. 图3合成气低位热值随空燃比的变化 Fig.3 Changes of syngas LHV vs. air/biomass mass ratios 2.2 效率 气化炉 效率随空燃比的变化, 如图

4 所示, 松木、 玉米秸秆和木屑气化最大 效率分别为 71.1%、69.9%和 农业工程学报

2011 年284 63.2%,对应的空燃比分别为 1.

5、1.3 和0.9.在 效率 最大时对应的空燃比下,松木、玉米秸秆和木屑气化操 作参数为最佳气化参数.更多的氧气加入会使合成气中 可燃成分燃烧,气化炉出口合成气热值降低,甚至生物 质原料在气化炉内进行完全燃烧,导致 效率降低. 图4效率随空燃比的变化 Fig.4 Changes of exergy efficiency vs. air/biomass mass ratios 2.3 最佳气化参数 当气化炉 效率最大时,含水率 30%的松木、玉米 秸秆和木屑气化的气化参数,即气化炉最佳运行参数如 表2所示.结果表明,高热值的生物质原料气化在较高 温度下达到最佳运行参数;

高热值的生物质原料气化性 能指标优于低热值的生物质原料的气化性能指标. 表2生物质原料最佳气化参数 Table

2 Optimal gasification parameters of biomass feedstock 原料 空燃比 气化炉运行温度/ ℃ 合成气低位热值/ (MJ・Nm-3 ) 效率/ % 松木 1.5

627 4.38 71.06 玉米秸秆 1.3

601 4.29 69.87 木屑 0.9

544 4.18 63.15

3 过程优化 为了得到更好的气化效果,采取提高气化剂温度和 干燥生物质原料等方法对气化过程进行优化.优化前气 化剂空气的温度为环境温度 25℃,生物质原料含水率为 30%.3 种优化方法分别为:方法

(一) ,将空气温度提 高到 250℃后再通入气化炉;

方法

(二) ,干燥生物质原 料使其含水率为 10%后进行气化;

方法

(三) ,干燥生物 质原料使含水率为 10%并加热空气温度到 250℃.如图

5 所示. 图5生物质气化过程优化方法 Fig.5 Optimization methods of biomass gasification process 3.1 提高气化剂温度 提高气化剂温度后........