安明明，朱孟褀，周倫祎，彭元君，靳世平

（華中科技大學(xué) 中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北武漢430074）

為緩解化石燃料過度使用帶來的能源短缺和環(huán)境污染等問題，國內(nèi)外學(xué)者們紛紛將生物質(zhì)能的高效轉(zhuǎn)化利用技術(shù)作為研究課題。生物質(zhì)氣化技術(shù)在近幾十年里有了重大的革新和發(fā)展。荷蘭能源研究中心、瑞典皇家工學(xué)院等機(jī)構(gòu)都對(duì)生物質(zhì)原料處理[1-3]進(jìn)行了研究，其在常壓、無氧氣氛以及低加熱率的條件下對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行烘焙處理，溫度在200～300℃，生物質(zhì)原料在經(jīng)過烘焙之后，更易于破碎且具有更好的流化特性，有效地減少了給料中的能量消耗和故障率，同時(shí)一定程度上降低了破碎成本。意大利比薩大學(xué)的Biagini.E[4]等人在小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了無煙煤與生物質(zhì)的氣化特性研究，使用氧氣作為氣化劑，同時(shí)設(shè)置較高的加熱速率，使用電鏡掃描等手段分析生物質(zhì)在高溫氣流床中的反應(yīng)特性，建立數(shù)學(xué)模型來模擬單一生物質(zhì)顆粒沿軸向運(yùn)動(dòng)及化學(xué)反應(yīng)特性。

國內(nèi)研究方面，浙江大學(xué)的學(xué)者在生物質(zhì)氣流床氣化方面做了大量研究，趙輝[5]，曹小偉[6]等搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架對(duì)生物質(zhì)在氣流床中的熱解及氣化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其研究結(jié)果表明：反應(yīng)溫度熱解氣化結(jié)果影響最大；在1 300℃、常壓工況下，最佳O/B范圍為0.2～0.3；溫度升高會(huì)導(dǎo)致合成氣中CH4含量降低；最佳停留時(shí)間為1.6 s；通入適量水蒸氣可增加產(chǎn)氣中H2/CO比值，過量通入水蒸氣會(huì)降低合成氣產(chǎn)率。梅勤峰[7]等進(jìn)行了不同種類生物質(zhì)純氧氣化實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，溫度升高能有效促進(jìn)氣化過程的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率，有利于獲得更高品質(zhì)的燃?xì)狻９枮I工業(yè)大學(xué)周勁松[8]、趙義軍[9]等進(jìn)行了稻殼、鋸末在不同操作條件下的氣化特性實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，氣化溫度提高有利于提高產(chǎn)氣中的CO比例，當(dāng)量比也是重要的影響因素，當(dāng)量比過低時(shí)氣化反應(yīng)進(jìn)行不完全，碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率較低，當(dāng)量比過大會(huì)導(dǎo)致氣化產(chǎn)物中H2含量減少，在900℃時(shí)，最佳當(dāng)量比為0.25。

本文介紹了華中科技大學(xué)熱能利用新技術(shù)研究所自行設(shè)計(jì)的單管氣化爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行介紹，并簡要分析不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)氣化效果的影響。

1 生物質(zhì)粉末物理特性

實(shí)驗(yàn)原料為自華中科技大學(xué)附屬家具廠購置的鋸末粉末，其工業(yè)分析和元素分析見表1，原料經(jīng)干燥、破碎后，用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分為粒徑60～80目，80～100目，100目以上三組，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)重新裝料，并對(duì)給料裝置進(jìn)行重新標(biāo)定。

表1 生物質(zhì)鋸末工業(yè)分析及元素分析結(jié)果 %

生物質(zhì)煤粉的低位發(fā)熱量可以通過門捷列夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[10]，公式如下：

式中：LHVb為生物質(zhì)原料低位發(fā)熱量，C、H、O、N分別為元素分析結(jié)果中的各元素占比；M為生物質(zhì)原料中的水分含量經(jīng)過計(jì)算，生物質(zhì)原料低位發(fā)熱量為16.63 MJ/kg。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自行搭建的生物質(zhì)氣流床氣化系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由進(jìn)料裝置，氣化爐體，加熱電爐，合成氣后處理系統(tǒng)，氣體成分檢測系統(tǒng)組成。氣化爐由電加熱器加熱，生物質(zhì)粉末由螺旋給料裝置給出（見圖2），和預(yù)熱后的載氣以及蒸汽混合后輸送到氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，氣化產(chǎn)氣以及灰渣從下方離開反應(yīng)爐，經(jīng)過旋風(fēng)除塵，冷卻，干燥后用氣袋收集，然后通入氣體成分分析儀進(jìn)行成分分析（見圖3）。

圖1 小型生物質(zhì)高溫氣流床氣化實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

圖2 小型生物質(zhì)高溫氣流床氣化實(shí)驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物圖

圖3 氣體成分分析儀實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)電爐程序進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好加熱時(shí)間和最終溫度，開始加熱。同時(shí)更換生物質(zhì)原料，對(duì)下料系統(tǒng)進(jìn)行重新標(biāo)定，將生物質(zhì)顆粒進(jìn)料速率固定為0.18 kg/h，待氣化爐加熱到指定溫度后，通入N2對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行清洗，排除殘余的氣體成分和空氣，然后打開下料器。熱解產(chǎn)物從反應(yīng)爐底部出口排出，反應(yīng)產(chǎn)生的固體顆粒成分（主要是焦炭）由底部旋風(fēng)除塵器收集，需要時(shí)進(jìn)行分析，為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)工況完成后需收集灰斗中產(chǎn)物同時(shí)對(duì)灰斗進(jìn)行清理。氣體產(chǎn)物用氣袋收集，待幾組實(shí)驗(yàn)完成后集中進(jìn)行測試。

本次實(shí)驗(yàn)過程中生物質(zhì)進(jìn)料量固定為3 g/min，載氣流量為0.5 L/min，為了更好地反映實(shí)驗(yàn)反應(yīng)本身的特性，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理的時(shí)候產(chǎn)氣組分計(jì)算只考慮CO2、CO、H2、CH44種氣體。

3 生物質(zhì)快速熱解實(shí)驗(yàn)

3.1 溫度對(duì)生物質(zhì)快速熱解產(chǎn)物的影響

熱解過程主要是生物質(zhì)中三大組分的分解，在1 200℃以上高溫條件下，三大元素才全部分解，因此溫度是生物質(zhì)熱解過程的核心控制因素，研究表明[11]，高溫?zé)峤庥欣诋a(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物及半焦，低溫?zé)峤庥欣诋a(chǎn)生生物質(zhì)油等液態(tài)產(chǎn)物。

從圖4及表2中可以看出，熱解產(chǎn)氣中CO、H2為主要成分，其占比達(dá)到70%左右，H2含量隨著溫度升高逐漸升高，CO含量隨著溫度升高逐漸降低，因?yàn)楦邷卮龠M(jìn)水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，而高溫導(dǎo)致CH4含量逐漸下降，因?yàn)闇囟冗_(dá)到600℃以上時(shí)，CH4會(huì)分解為炭黑，降低燃?xì)馄焚|(zhì)，CO和CH4含量的降低也導(dǎo)致了合成氣熱值的不斷下降。表2中還可以看出溫度升高使產(chǎn)氣率、碳轉(zhuǎn)化率、w（H2）/w（CO）、氣化效率不斷升高，但高溫下的溫度提高會(huì)大幅增加成本，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要根據(jù)需要選擇合適的溫度工況。

圖4 主要?dú)怏w產(chǎn)物隨溫度變化圖

表2 60～80目的生物質(zhì)顆粒在不同溫度條件下快速熱解評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)

浙江大學(xué)陳超[12]等人研究中發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，產(chǎn)品氣中CO2含量降低，CO含量升高，與本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，化學(xué)反應(yīng)速率變化受眾多因素影響，分析原因可能是原料含水率、含碳量差異，也有可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果工況溫度較低，導(dǎo)致氣化反應(yīng)產(chǎn)生過多焦油等副產(chǎn)物，影響結(jié)果準(zhǔn)確性。

3.2 粒徑對(duì)生物質(zhì)快速熱解產(chǎn)物的影響

粒徑是生物質(zhì)氣流床氣化過程的關(guān)鍵因素，粒徑的大小會(huì)影響顆粒加熱速率，在相同的反應(yīng)條件之下，顆粒粒徑越小，受熱比表面積越大，升溫速率越快，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更容易進(jìn)行徹底的熱分解，析出更多的揮發(fā)分物質(zhì)，同時(shí)有利于焦油等進(jìn)一步裂解產(chǎn)生氣體，產(chǎn)品氣的生成速率越高，Zanzi.R[13]等的研究表明，較小的顆粒粒度有利于焦炭等產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物。本次實(shí)驗(yàn)選用60～80目、80～100目、100目以上三組鋸末原料在900℃的條件下進(jìn)行熱解研究，圖5為不同粒徑實(shí)驗(yàn)條件下的生物質(zhì)快速熱解主要?dú)怏w成分隨粒徑變化圖。

圖5 主要?dú)怏w產(chǎn)物隨粒徑變化圖

從圖5及表3可以看出，隨著顆粒粒徑的減小，H2含量有所增加，產(chǎn)氣率有所提升，說明粒徑減小有利于生物質(zhì)熱解產(chǎn)氣，但其他產(chǎn)物和評(píng)價(jià)指標(biāo)隨粒徑變化不是很明顯，原因可能是本次實(shí)驗(yàn)所選生物質(zhì)顆粒粒度變化區(qū)間較小，傳熱傳質(zhì)發(fā)生迅速而且徹底，其熱解、氣化過程主要是由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)控制，沒有太大差異。

表3 不同粒徑生物質(zhì)顆粒在900℃條件下快速熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 生物質(zhì)水蒸氣氣化實(shí)驗(yàn)

在生物質(zhì)氣化過程中通入水蒸氣能向系統(tǒng)中補(bǔ)充大量的氫源，能有效提高產(chǎn)品氣中的H2和烴類化合物的比例，提高產(chǎn)品氣的品質(zhì)，具體反應(yīng)如下所示[14-15]：

氣化反應(yīng)中，通入的水蒸汽溫度比爐溫低的多，通入適量的蒸汽，有利于上述反應(yīng)的進(jìn)行，但過高的蒸汽量會(huì)使?fàn)t溫下降，阻礙CO2的還原和水蒸汽的分解反應(yīng)，影響氣化過程，因此需選擇合適的S/B值。上述已經(jīng)研究過爐溫和粒徑的影響，這里主要對(duì)不同S/B值工況下的水蒸氣氣化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度為900℃，所用生物質(zhì)顆粒粒徑為80～100目。

由圖6和表4中數(shù)據(jù)可以看出，相比于熱解過程，水蒸氣的加入，使產(chǎn)氣中的H2、CO、CO2等氣體成分顯著增加，CH4成分有所降低，這是由于水蒸氣的加入使熱解產(chǎn)氣與水蒸氣發(fā)生重整反應(yīng)，還原反應(yīng)等，產(chǎn)生CO、CO2等氣體，適當(dāng)?shù)乃魵獾耐ㄈ肽艽罅刻岣弋a(chǎn)氣中的H2、CO的占比，提高碳轉(zhuǎn)化率和w（H2）/w（CO），碳轉(zhuǎn)化率在S/B比為1.4時(shí)能達(dá)到96%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱解時(shí)的結(jié)果。但水蒸氣的過量通入會(huì)導(dǎo)致各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均開始下降，可能原因是過量的水蒸氣會(huì)降低爐內(nèi)的溫度，使揮發(fā)分析出、焦油裂解、重整反應(yīng)和還原反應(yīng)減弱，降低燃?xì)馄焚|(zhì)。

圖6 主要?dú)怏w產(chǎn)物隨S/B值變化圖

表4 不同S/B工況下生物質(zhì)顆粒氣化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 小結(jié)

本文介紹了華中科技大學(xué)自行搭建的生物質(zhì)氣流床氣化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了生物質(zhì)快速熱解及水蒸氣氣化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)考察了溫度、粒徑對(duì)生物質(zhì)氣流床快速熱解的結(jié)果影響和S/B對(duì)水蒸氣氣化結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：

（1）溫度是控制生物質(zhì)氣化效果的核心因素，溫度升高能有效提高生物質(zhì)熱解產(chǎn)生更多的氣體產(chǎn)物，同時(shí)提高氣化過程中的碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率，但溫度生物對(duì)產(chǎn)氣熱值的提高有負(fù)面作用，可能原因是溫度升高促進(jìn)了水氣變化反應(yīng)和甲烷重整反應(yīng)，降低了產(chǎn)氣中的CO和CH4的比例，產(chǎn)生的H2熱值較低，無法彌補(bǔ)這部分損失；

（2）顆粒粒徑是影響生物質(zhì)熱解的另外一個(gè)重要因素，粒徑對(duì)氣化結(jié)果的影響實(shí)質(zhì)上也是溫度和加熱速率對(duì)結(jié)果影響的證明，生物質(zhì)顆粒粒徑越小，比表面積越大，顆粒升溫越快，到達(dá)的終溫越高，反應(yīng)進(jìn)行的越徹底；

（3）水蒸氣的加入能有效提高產(chǎn)氣中H2、CO的占比，大力提高生物質(zhì)的碳轉(zhuǎn)化率、氣化效率、w（H2）/w（CO）等，但存在一個(gè)臨界S/B值，超過這個(gè)臨界值之后，過量的水蒸氣會(huì)降低爐內(nèi)的溫度，使重整反應(yīng)和還原反應(yīng)減弱，降低燃?xì)馄焚|(zhì)，本次實(shí)驗(yàn)中的臨界值為S/B=1.4。