生物质流态化气化炉运行的研究

生物质流态化气化炉运行的研究

1926年，流态化技术开始投资大量工业应用，但直到1975年，流态化技术才被用于生物化工。由于流态化炉与固定化床气化炉的比较，其特点是混合均匀、反应速度快、反应范围广、生产能力高、操作温度低等。因此，近年来，流态化技术在生物化工中的应用得到了迅速发展。美国能源部在夏威夷和佛蒙特建成了两套日处理100t甘蔗渣加压流态化装置,气化产生的气体用于推动气体透平发电。流化床气化炉中较低的反应温度以及等温操作条件使得它适用于各种生物质原料的气化并具有良好的操作弹性。流态化强化了传质,因而加快了气化过程,它将成为一种更具吸引力和更有发展前途的气化炉。90年代初,国内也开展了生物质流态化气化的研究,并建成了一套外循环流化床木粉气化装置,气化产生的煤气作为锅炉燃料。本研究中采用了内循环流化床气化炉,它与外循环流化床相比较,具有设备简单、操作方便、分离负荷轻、热损失少、产生的煤气中焦油含量低、净化系统操作负荷轻等特点。1主要设备的设计1.1流化床水动力特性流态化气化炉结构如图1,主要由螺旋加料器、料斗、反应段和分离段4部分组成。原料为木屑,平均粒径ϕ1mm,其密度ρ430kg/m3,气化炉上端有一扩大的分离段,固体反应物料在流化床分离段与气相介质分离,因此该气化炉又称为内循环式流化床气化炉。固体物料的带出速度由下式计算:ut=d2pp2(ρs–ρ)g/18μ=5.9(m/s);Ret=dputρ/μ=60.96式中:ut—颗粒带出速度,m/s;dp—颗粒平均粒径,m;ρs—颗粒密度,kg/m3;ρ—气相介质密度,kg/m3;μ—气相介质粘度,Pa·s。实际木屑沉降速度,即带出速度为2.54m/s;颗粒的最小流化速度0.031m/s。在流态化技术中,为了保证气体和固体之间混合,设计中流化数取15,因此流化床中流化气速为0.46m/s;流化床气化炉反应段床径取ϕ300mm;流化床气化炉内平均气体流量(气化炉反应段下部和反应段顶部平均值)为120m3/h。假设流化床气化炉平均操作温度为600℃,炉下部气体流量等于加入气化炉内的富氧流量,富氧中氮含量为72%,炉上部煤气中氮含量为40%,则加入气化炉内气体流量为27Nm3/h;气化炉顶部煤气量:Vg=Va×72%/40%=48(Nm3/h)。根据实验室小试数据,每千克绝干木屑消耗气体量以0.8Nm3计,木屑湿含量以10%计,则物料加入量为37.5kg/h;木屑堆积重度为150kg/m3。控制流化床操作压降(分布板以上至分离段)为1.47kPa,为了减少带出量,减轻分离段负荷,增加炉内蓄热量,提高传热速度,运行中炉内加入40~60目石英砂,石英砂加入量控制在其压降为440Pa范围内,则石英砂加入量为3.0kg;炉内持木屑量为7.0kg;炉内料层高度0.67m;气固流化床膨胀高度:L=1.0m。设计过程中,取流化段长1.5m,分离段直径ϕ600mm,分离高度600mm。1.2螺旋送料器和管口流化床气化炉进料方式采用螺旋送料,为了便于调节进料量,螺旋送料器采用调速电机,调速范围125~1250r/min,螺旋端部有一段长70mm向上翘的直管料封,其作用是防止流化床气体走短路反冲,材质采用不锈钢。1.3煤气的进入模块旋风分离器采用标准型,圆筒部直径ϕ300mm,煤气由圆筒上侧面的矩形进气管以切线方向进入,气流在器内旋转运动的过程中,粉尘被甩向器壁,经锥形段落入下部的灰箱。2流化气化反应料仓(13)中的木屑经螺旋进料器(12)送入流态化气化炉(3)中,与由富氧装置(1)产生的气体接触,进行流化气化反应。所得的气体经旋风分离器(14)、惰性除尘器(5)、水洗塔(6,7)、过滤器(8),由罗茨鼓风机(9)经水封送入气柜(11),并经输送管道送至各用户。3气化炉气体分布板持料量的计算设备安装完毕,先进行冷态试验。流化床气化炉气体分布板上部设有测压口,分离段也设有测压口,测量分布板至分离段之间的压差,可以计算出两个测压口间的持料量。3.1在不同的流量和料量条件下，排水沟的压力降低在常温下研究了流化床的流体力学条件,试验结果如表1。3.2压降率与速度之比如图3所示4结果显示和讨论了流式气化炉的运行结果和讨论4.1测量和计算气态能的测量和气的效率4.1.1煤气成分分析(a)流化床进风量Va由转子流量计测量;(b)煤气的流量Vg=72%Va/XN(XN—煤气中氮气含量);(c)煤气成分采用奥氏气体分析仪现场分析测试;(d)加料量W由现场称量;(e)原料中水分X由现场取样,在烘箱中烘干后测定。4.1.2计算效率的计算方法4.1.2.原料中灰分含量的测定,主要有以下几种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.气体热值Qg=126.4CO+106.3H2+359.0CH4+635.9CmHn(kJ/Nm3)。4.1.2.3.开口效率η=Vg×Qg/(W×Q原)(Q原—原料热值,kJ/kg)。4.2木屑气化催化剂的制备及加入方式在不同气体流量、不同床层压降条件下对木屑气化产生的煤气组成进行了测试,并研究了催化剂CaO及Na2CO3对木屑气化的催化作用,探索了催化剂制备工艺及加入方式,对催化气化工艺进行了研究,其试验结果如表2。在试验过程中为了增加流态化气化炉内的热容量,减轻分离段的分离负荷,减少物料的带出量,在流化床内加入3kg40~60目石英砂。4.3生物质催化气化4.3.1由表2可知,在加入CaO催化剂的条件下,与非催化反应相比较,反应速度明显提高,煤气中可燃成分增加,尤其煤气中的CO、CmHn含量有显著提高,煤气中焦油含量下降,煤气热值有所提高,因此CaO是一种经济易得且具有良好催化性能的生物质催化气化催化剂。4.3.2从表2还可知,在加入Na2CO3催化剂的条件下,煤气中可燃成分明显改变,尤其较大幅度地增加了煤气中的氢气含量,对焦油的裂解具有一定催化作用,但对提高煤气的热值效果并不理想。4.3.3气化反应温度、床层压降对煤气质量的影响,以CaO催化气化反应为例,随着床层压降增加(床内持料量增加),反应温度有所提高,煤气的热值有所增加,但床层压降过高会增加系统阻力,增加动力消耗,对于CaO催化气化反应,比较适宜的反应温度为:床层底部为700℃,顶部为585℃,比较适宜的床层压降为800Pa。4.3.4以CaO催化气化为例,系统冷煤气效率为