沈亮，劉建國(guó)，呂博，楊魯斌，姜秀民

（上海交通大學(xué)熱能工程研究所，上海200240）

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棉稈的流化床水蒸氣氣化實(shí)驗(yàn)研究

沈亮，劉建國(guó)，呂博，楊魯斌，姜秀民

（上海交通大學(xué)熱能工程研究所，上海200240）

摘要：為了探究棉稈在水蒸氣氣化過(guò)程中氣化溫度和蒸氣與生物質(zhì)的質(zhì)量配比（S/B）對(duì)產(chǎn)氣和焦油的影響，在自主搭建的流化床氣化爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。研究表明，氫氣含量、氣化效率、焦油去除量均與氣化溫度及S/B呈正相關(guān)，且焦油中甲苯、苯乙烯和苯酚等組分受氣化條件影響顯著。當(dāng)氣化溫度為800℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)中可得含氫量34%的中熱值氣體，并且焦油含量低于20 g/m3。

關(guān)鍵詞：棉稈；流化床；水蒸氣氣化；產(chǎn)氣；焦油

生物質(zhì)氣化發(fā)電是生物質(zhì)能眾多利用形式中常用的高效技術(shù)之一。流化床氣化技術(shù)因其燃料適應(yīng)性強(qiáng)、傳熱效率高等特點(diǎn)，適合規(guī)?；瘹饣?xiàng)目。對(duì)于生物質(zhì)氣化和流化床氣化技術(shù)的應(yīng)用，已有學(xué)者［1-3］在不同氣氛下進(jìn)行了相關(guān)研究，但研究過(guò)程多數(shù)僅局限于氣化條件對(duì)氣化側(cè)或焦油側(cè)特性的影響。在自主設(shè)計(jì)流化床氣化實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中，綜合考慮氣化溫度和S/B對(duì)生物質(zhì)氣化效率及焦油組分等方面的影響規(guī)律，綜合分析產(chǎn)氣和焦油特性之間的聯(lián)系，探究影響產(chǎn)氣效率的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所用生物質(zhì)樣品為上海市寶山區(qū)農(nóng)田中棉花秸稈，反應(yīng)床料為橄欖石。對(duì)預(yù)處理后棉稈樣品進(jìn)行元素分析和工業(yè)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 棉稈元素分析和工業(yè)分析

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

氣化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由流化床氣化爐、蒸汽系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)等組成，如圖1所示。氣化實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需蒸汽均由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生，出口蒸汽溫度為113℃，壓力為0.6 MPa，通過(guò)兩級(jí)蒸汽加熱爐后，溫度加熱至大約400℃進(jìn)入氣化爐反應(yīng)區(qū)。棉稈樣品置于料倉(cāng)中，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)螺旋進(jìn)料器穩(wěn)定連續(xù)送入流化床氣化爐內(nèi)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

當(dāng)氣化爐溫度及蒸汽壓力到達(dá)預(yù)設(shè)值后，并通入水蒸氣，系統(tǒng)穩(wěn)定后開(kāi)始進(jìn)料，在工況穩(wěn)定后，開(kāi)始焦油取樣并利用煙氣分析儀進(jìn)行產(chǎn)氣數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)工況中氣化爐溫度設(shè)定為600～800℃，S/B設(shè)定為0.9，流化數(shù)設(shè)定為1.3，床料為橄欖石。

圖1 生物質(zhì)氣化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度的影響

不同溫度產(chǎn)氣結(jié)果如圖2所示，隨著溫度逐漸升高，H2含量顯著增加，其含量從12.23%升至34.39%；CO含量急劇下降，其含量從42.06%降至28.12%。計(jì)算可得，反應(yīng)過(guò)程氣化效率顯著升高，從600℃時(shí)28.73%升至800℃時(shí)49.16%。

圖2 不同溫度下產(chǎn)氣組分分布圖

處理采集后焦油樣品可得，其含量受溫度影響顯著，從356 g/m3降至5 g/m3，且600～700℃溫度區(qū)間內(nèi)焦油含量變化顯著降低了91.0%，可得出該區(qū)間焦油的二次裂解過(guò)程占主導(dǎo)。

由于焦油的GC-MS檢測(cè)結(jié)果中組分非常多，針對(duì)600～800℃溫度下焦油樣品中匹配度大于70且相對(duì)含量大于5%的組分進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。隨溫度升高，甲苯、茚、萘和2-甲基萘等低環(huán)芳香化合物含量增幅均非常明顯，而苯酚和4-甲基苯酚等含氧化合物含量則相對(duì)減少。分析可得，溫度升高增強(qiáng)了水蒸氣與多環(huán)焦油組分的轉(zhuǎn)化效果，使其發(fā)生脫氫縮合反應(yīng)，從而生成單環(huán)或低環(huán)芳香化合物焦油組分。

2.2 S/B的影響

采用變化生物質(zhì)給料的方式實(shí)現(xiàn)S/B值的變化，當(dāng)該比值在0.3～1.1變化時(shí)，保持其他參數(shù)不變，反應(yīng)溫度設(shè)為700℃，流化數(shù)設(shè)為1.34，床料為橄欖石。不同S/B比值下產(chǎn)氣結(jié)果如圖3所示。隨著S/B比值增加，H2含量顯著增加，CO含量急劇下降，而CO2和CH4含量變化平緩。計(jì)算可得反應(yīng)過(guò)程氣化效率從15.89%升至42.56%。

表2 不同溫度下焦油GC-MS組分分析

焦油含量受蒸汽相對(duì)量影響顯著，其含量從137 g/m3降至30 g/m3。隨著S/B比值逐漸增大，水蒸汽的相對(duì)含量逐漸增加，而水蒸氣可以促進(jìn)焦油和焦炭之間的重整反應(yīng)，可促進(jìn)焦油組分裂解轉(zhuǎn)化為氣體，但隨著S/B值的持續(xù)增大，焦油含量的降低幅度也在逐漸減少。S/B比值在0.3～0.7變化時(shí)，焦油含量降低了70.1%，而在0.7～1.1區(qū)間，焦油含量?jī)H降低了8.0%。

由表3可得，隨著水蒸汽相對(duì)含量增加，甲苯、茚和萘等低環(huán)芳香化合物含量增幅明顯，而苯酚含量緩慢降低。其中甲苯增幅最大，S/B值在0.3～0.9變化時(shí)，其含量從5.56%增至18.34%，增加了2.3倍。

圖3 不同S/B下的產(chǎn)氣組分分布圖

表3 不同S/B條件下焦油GC-MS組分分析

3 結(jié)論

溫度對(duì)產(chǎn)氣含量影響明顯，增強(qiáng)了水蒸氣與多環(huán)焦油組分的轉(zhuǎn)化效果，使產(chǎn)氣含氫量增大，且甲苯、茚、萘等低環(huán)芳香化合物含量增幅明顯，而苯酚和4-甲基苯酚等含氧化合物含量則相對(duì)減少。

水蒸氣作為反應(yīng)氣化劑，相對(duì)含量增大后，促進(jìn)焦油組分裂解轉(zhuǎn)化為氣體，并使可凝性氣態(tài)產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而使含氫量顯著增加，且甲苯、茚和萘等低環(huán)芳香化合物含量增幅明顯。

當(dāng)氣化溫度為800℃，S/B為0.9時(shí)，實(shí)驗(yàn)中可得含氫量34%的中熱值氣體，并且焦油含量低于20 g/m3。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TK6：X71

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-0912（2016）03-0038-03

收稿日期（2016－02－18）

作者簡(jiǎn)介：沈亮（1991-），男，江西宜春人，碩士研究生，專業(yè)方向：生物質(zhì)氣化及量化分析研究。

Experiment research of cotton stalk gasification in fluidized bed

SHEN Liang，LIU Jianguo，LU Bo，YANG Lubin，JIANG Xiumin
（Institute of Thermal Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Abstract:In order to explore the impact on the production of gas and tar during the process of gasification temperature，and steam/biomss through a fluidized bed gasifier，a series of experiments was investigated.Results illustrated that hydrogen content，gasification efficiency and reduction of tar were in positive correlation with temperature and steam to biomass（S/B）ratio.The content of some components in tar like toluene，styrene and phenol was significantly affected by gasification conditions.Syngas with 34%hydrogen content and no more than 20 g/m3tar content could be obtained under the gasification temperature of 800℃.

Keywords:cotton stalk；fludized bed；steam gasification；gas product；tar