生物質(zhì)流態(tài)化氣化爐運(yùn)行的研究

生物質(zhì)流態(tài)化氣化爐運(yùn)行的研究

1926年，流態(tài)化技術(shù)開始投資大量工業(yè)應(yīng)用，但直到1975年，流態(tài)化技術(shù)才被用于生物化工。由于流態(tài)化爐與固定化床氣化爐的比較，其特點(diǎn)是混合均勻、反應(yīng)速度快、反應(yīng)范圍廣、生產(chǎn)能力高、操作溫度低等。因此，近年來，流態(tài)化技術(shù)在生物化工中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。美國能源部在夏威夷和佛蒙特建成了兩套日處理100t甘蔗渣加壓流態(tài)化裝置,氣化產(chǎn)生的氣體用于推動(dòng)氣體透平發(fā)電。流化床氣化爐中較低的反應(yīng)溫度以及等溫操作條件使得它適用于各種生物質(zhì)原料的氣化并具有良好的操作彈性。流態(tài)化強(qiáng)化了傳質(zhì),因而加快了氣化過程,它將成為一種更具吸引力和更有發(fā)展前途的氣化爐。90年代初,國內(nèi)也開展了生物質(zhì)流態(tài)化氣化的研究,并建成了一套外循環(huán)流化床木粉氣化裝置,氣化產(chǎn)生的煤氣作為鍋爐燃料。本研究中采用了內(nèi)循環(huán)流化床氣化爐,它與外循環(huán)流化床相比較,具有設(shè)備簡單、操作方便、分離負(fù)荷輕、熱損失少、產(chǎn)生的煤氣中焦油含量低、凈化系統(tǒng)操作負(fù)荷輕等特點(diǎn)。1主要設(shè)備的設(shè)計(jì)1.1流化床水動(dòng)力特性流態(tài)化氣化爐結(jié)構(gòu)如圖1,主要由螺旋加料器、料斗、反應(yīng)段和分離段4部分組成。原料為木屑,平均粒徑?1mm,其密度ρ430kg/m3,氣化爐上端有一擴(kuò)大的分離段,固體反應(yīng)物料在流化床分離段與氣相介質(zhì)分離,因此該氣化爐又稱為內(nèi)循環(huán)式流化床氣化爐。固體物料的帶出速度由下式計(jì)算:ut=d2pp2(ρs–ρ)g/18μ=5.9(m/s);Ret=dputρ/μ=60.96式中:ut—顆粒帶出速度,m/s;dp—顆粒平均粒徑,m;ρs—顆粒密度,kg/m3;ρ—?dú)庀嘟橘|(zhì)密度,kg/m3;μ—?dú)庀嘟橘|(zhì)粘度,Pa·s。實(shí)際木屑沉降速度,即帶出速度為2.54m/s;顆粒的最小流化速度0.031m/s。在流態(tài)化技術(shù)中,為了保證氣體和固體之間混合,設(shè)計(jì)中流化數(shù)取15,因此流化床中流化氣速為0.46m/s;流化床氣化爐反應(yīng)段床徑取?300mm;流化床氣化爐內(nèi)平均氣體流量(氣化爐反應(yīng)段下部和反應(yīng)段頂部平均值)為120m3/h。假設(shè)流化床氣化爐平均操作溫度為600℃,爐下部氣體流量等于加入氣化爐內(nèi)的富氧流量,富氧中氮含量為72%,爐上部煤氣中氮含量為40%,則加入氣化爐內(nèi)氣體流量為27Nm3/h;氣化爐頂部煤氣量:Vg=Va×72%/40%=48(Nm3/h)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室小試數(shù)據(jù),每千克絕干木屑消耗氣體量以0.8Nm3計(jì),木屑濕含量以10%計(jì),則物料加入量為37.5kg/h;木屑堆積重度為150kg/m3?？刂屏骰膊僮鲏航?分布板以上至分離段)為1.47kPa,為了減少帶出量,減輕分離段負(fù)荷,增加爐內(nèi)蓄熱量,提高傳熱速度,運(yùn)行中爐內(nèi)加入40~60目石英砂,石英砂加入量控制在其壓降為440Pa范圍內(nèi),則石英砂加入量為3.0kg;爐內(nèi)持木屑量為7.0kg;爐內(nèi)料層高度0.67m;氣固流化床膨脹高度:L=1.0m。設(shè)計(jì)過程中,取流化段長1.5m,分離段直徑?600mm,分離高度600mm。1.2螺旋送料器和管口流化床氣化爐進(jìn)料方式采用螺旋送料,為了便于調(diào)節(jié)進(jìn)料量,螺旋送料器采用調(diào)速電機(jī),調(diào)速范圍125~1250r/min,螺旋端部有一段長70mm向上翹的直管料封,其作用是防止流化床氣體走短路反沖,材質(zhì)采用不銹鋼。1.3煤氣的進(jìn)入模塊旋風(fēng)分離器采用標(biāo)準(zhǔn)型,圓筒部直徑?300mm,煤氣由圓筒上側(cè)面的矩形進(jìn)氣管以切線方向進(jìn)入,氣流在器內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中,粉塵被甩向器壁,經(jīng)錐形段落入下部的灰箱。2流化氣化反應(yīng)料倉(13)中的木屑經(jīng)螺旋進(jìn)料器(12)送入流態(tài)化氣化爐(3)中,與由富氧裝置(1)產(chǎn)生的氣體接觸,進(jìn)行流化氣化反應(yīng)。所得的氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器(14)、惰性除塵器(5)、水洗塔(6,7)、過濾器(8),由羅茨鼓風(fēng)機(jī)(9)經(jīng)水封送入氣柜(11),并經(jīng)輸送管道送至各用戶。3氣化爐氣體分布板持料量的計(jì)算設(shè)備安裝完畢,先進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)。流化床氣化爐氣體分布板上部設(shè)有測壓口,分離段也設(shè)有測壓口,測量分布板至分離段之間的壓差,可以計(jì)算出兩個(gè)測壓口間的持料量。3.1在不同的流量和料量條件下，排水溝的壓力降低在常溫下研究了流化床的流體力學(xué)條件,試驗(yàn)結(jié)果如表1。3.2壓降率與速度之比如圖3所示4結(jié)果顯示和討論了流式氣化爐的運(yùn)行結(jié)果和討論4.1測量和計(jì)算氣態(tài)能的測量和氣的效率4.1.1煤氣成分分析(a)流化床進(jìn)風(fēng)量Va由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量;(b)煤氣的流量Vg=72%Va/XN(XN—煤氣中氮?dú)夂?;(c)煤氣成分采用奧氏氣體分析儀現(xiàn)場分析測試;(d)加料量W由現(xiàn)場稱量;(e)原料中水分X由現(xiàn)場取樣,在烘箱中烘干后測定。4.1.2計(jì)算效率的計(jì)算方法4.1.2.原料中灰分含量的測定,主要有以下幾種ηC=12Vg(CO2+CO+CH4+2.5CmHn)/0.47×22.4W(1-Xash)(1-X)(Xash—原料中灰分含量)。4.1.2.2.氣體熱值Qg=126.4CO+106.3H2+359.0CH4+635.9CmHn(kJ/Nm3)。4.1.2.3.開口效率η=Vg×Qg/(W×Q原)(Q原—原料熱值,kJ/kg)。4.2木屑?xì)饣呋瘎┑闹苽浼凹尤敕绞皆诓煌瑲怏w流量、不同床層壓降條件下對木屑?xì)饣a(chǎn)生的煤氣組成進(jìn)行了測試,并研究了催化劑CaO及Na2CO3對木屑?xì)饣拇呋饔?探索了催化劑制備工藝及加入方式,對催化氣化工藝進(jìn)行了研究,其試驗(yàn)結(jié)果如表2。在試驗(yàn)過程中為了增加流態(tài)化氣化爐內(nèi)的熱容量,減輕分離段的分離負(fù)荷,減少物料的帶出量,在流化床內(nèi)加入3kg40~60目石英砂。4.3生物質(zhì)催化氣化4.3.1由表2可知,在加入CaO催化劑的條件下,與非催化反應(yīng)相比較,反應(yīng)速度明顯提高,煤氣中可燃成分增加,尤其煤氣中的CO、CmHn含量有顯著提高,煤氣中焦油含量下降,煤氣熱值有所提高,因此CaO是一種經(jīng)濟(jì)易得且具有良好催化性能的生物質(zhì)催化氣化催化劑。4.3.2從表2還可知,在加入Na2CO3催化劑的條件下,煤氣中可燃成分明顯改變,尤其較大幅度地增加了煤氣中的氫氣含量,對焦油的裂解具有一定催化作用,但對提高煤氣的熱值效果并不理想。4.3.3氣化反應(yīng)溫度、床層壓降對煤氣質(zhì)量的影響,以CaO催化氣化反應(yīng)為例,隨著床層壓降增加(床內(nèi)持料量增加),反應(yīng)溫度有所提高,煤氣的熱值有所增加,但床層壓降過高會(huì)增加系統(tǒng)阻力,增加動(dòng)力消耗,對于CaO催化氣化反應(yīng),比較適宜的反應(yīng)溫度為:床層底部為700℃,頂部為585℃,比較適宜的床層壓降為800Pa。4.3.4以CaO催化氣化為例,系統(tǒng)冷煤氣效率為