生物质气化制备燃气过程的_分析_王立群

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E = E + E + E x out
xprodg
xun
xflue
（ 3）
( ) ( ) 式中
∑ ∑ ·
Ex 、
·
Ex ———入口、出口的
in
out
流率
( ) ∑· Ex
———反应器单元的 损
dest
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Exsteam ———水蒸气的 流率
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Exbiomass ———生物质（ 玉米芯） 的 流率
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图 1 单一流化床两步气化工艺示意图 Fig． 1 Process of single fluidized bed and two-stage
gasification technique
1． 生物质料斗 2． 螺旋给料机 3． 流化床 4． 煤给料装置 5． 空气分配器 6． 风室 7． 旋风分离器 8． 灰收集器 9． PID 控制柜 10． 管式热交换器 11． 软水泵 12． 软水箱 13、20． 湿 式洗涤塔 14． 储气柜 15． 燃气收集袋 16． 烟囱 17． 蒸气流 量计 18． 空气流量计 19． 罗茨鼓风机
βcoal = 1. 043 7 + 0. 188 2H / C +
0. 066 1O / C + 0. 040 4N / C
（ 6）
βbiomass =
1. 044 + 0. 016 0H /C － 0. 349 30O /C（ 1 + 0. 053 1（ H /C） ） + 0. 049 3N /C 1 － 0. 412 4O /C
基于上述原因，本文采用单一流化床两步气化 方法，以煤作为热载体与发热体，水蒸气作为气化介 质，在流化床热态装置上对玉米芯气化制取燃气进 行研究，探讨反应温度和水蒸气与玉米芯的质量比 u 对燃气化学 、物理 、 效率和未反应碳剩余率 等的影响。
多数水蒸气气化反应是强吸热反应，则床层温度一 段时间后会下降，下降到预定温度时，停止向炉中加 入生物质，关闭 2-1 水蒸气换向阀，延迟 5 s 关闭燃 气换向阀 2-2，气化阶段结束。然后又进入燃烧阶 段，开启空气换向阀 1-1 和烟气换向阀 1-2。这两个 阶段依据两对换向阀，根据温度设定，交替往复进行 工作。
燃烧阶段所用煤的低位热值为 23 120 kJ / kg，气 化阶段所用的生物质为玉米芯，取自江苏省镇江市， 其含水率和低位热值分别为 6. 2% 和 17 245 kJ / kg， 元素 组 成 中 的 C、H、O 和 N 质 量 分 数 分 别 为 47. 63% 、4. 91% 、37. 72% 和 0. 85% 。
Excoal ———煤的 流率
增刊 1
王立群 等： 生物质气化制备燃气过程的 分析
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Exair ———空气的 流率
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Exprodg Βιβλιοθήκη ——燃气的 流率·Exflue ———烟气的 流率
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Exun———未反应碳的 流率 1. 2. 1 煤和玉米芯
煤和玉米芯的 流率可分别用统计关联式来计 算［14］，即
Abstract： Biomass gasification was performed on a fluidized bed reactor with steam as gasifying agent． Two-stage gasification processes in a fluidized bed were adopted． This research aimed to determine the effects of reaction temperature and steam-to-biomass ratio （ u） on exergy distribution，chemical exergy， physical exergy and exergy efficiency of the product gas，and residual ratio and exergy efficiency of the unreacted carbon，etc． Over the ranges of the test conditions used，chemical exergy varied from 10 832. 13 kJ / kg to 16 510. 54 kJ / kg，physical exergy ranged between 685. 05 kJ / kg and 1 146. 71 kJ / kg chemical exergy / physical exergy ratio varied from 13. 5 to 17. 7，and exergy efficiency of product gas ranged between 35. 52% and 60. 78% ． The results showed that the top two contributions of gas component to exergy value were H2 and CO． With the increase of reaction temperature，chemical exergy， physical exergy and exergy efficiency of the product gas increased，whilst chemical exergy / physical exergy ratio，and residual ratio and exergy efficiency of the unreacted carbon decreased correspondingly． The exergy value and efficiency of the product gas first increased and then decreased with the increase in u． An optimal value of u should be chosen between 1. 2 and 1. 6． Key words： Biomass Gasification Gas Exergy analysis
引言
生物质气化技术是合理利用生物质的一种有效
方法。气化就是利用气化介质将含碳物料转化成 H2 、CO2 、CO 和 CH4 等气体的一个过程。根据不同 的气化介 质，气 化 可 分 为 空 气 气 化［1 ～ 3］、水 蒸 气 气
收稿日期： 2013-05-24 修回日期： 2013-07-06 * 科技部农业成果转化资金资助项目（ 2008GB2C100099） 、江苏省科技支撑计划资助项目（ BE2008051） 和江苏省动力机械清洁能源与应
气化反应器是整个气化系统中的核心单元，但 同时也是整个气 化 系 统 中 效 率 最 低 的 单 元［12］。 因 此，气化反应器效率的提高能改善整个气化系统的 能源转化过程，而传统的效率分析是基于热力学第 一定律的能量定律。一个绝热气化反应器，在忽略 热量损失时，其能量效率能够达到 100% ，而此时 效率仅为 79% 。所以，许多学者建议用 分析补充 甚至代替传统的能量分析，以便达到更加合理的评 价效果［13］。
用重点实验室资助项目 （ QK09005） 作者简介： 王立群，副研究员，主要从事煤与生物质热化学转化研究，E-mail： thulq2000@ 163． com
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农业机械学报
2013年
化［4 ～ 5］、空气-水蒸气气化［6 ～ 8］等； 根 据 气 化 反 应 器 的不同，气 化 又 可 以 分 为 流 化 床 气 化［9］、固 定 床 气 化［10］、移动床气化［11］等，其中流化床水蒸气气化因 为能够获得较高品质的燃气而备受关注。
（ 7）
式中，C、H、O 和 N 为元素分析中碳、氢、氧和氮的摩
尔分数。
1. 2. 2 气体 流率
一般气体 流率
··
·
Ex = Exch + Exph
（ 8）
··
式中 Exch 、Exph ———气体化学和物理 流率
流化床水蒸气气化过程是强烈的吸热过程，需 要向流化床反应器提供热量。在同一流化床中，用 煤燃烧所放出的热量来为生物质水蒸气气化提供所 需要热量的方法被称为单一流化床二步气化法。即 在同一流化床中将生产过程分成相互耦合的燃烧和 气化两个阶段。燃烧阶段用于煤燃烧，气化阶段利 用燃烧阶段放出的热量，用于生物质的水蒸气气化。 目前基于该气化方法的煤气化技术处于产业化阶 段，而基于该方法的生物质气化尚处于试验机理研 究阶段。
1 方法
1. 1 单一流化床两步气化法 单一流化床两步气化方法，也称间歇气化方法，
它将生产过程分为相互耦合的燃烧和气化两个阶 段。这两个阶段通过两对换向阀（ 1-1 空气换向阀、 1-2 烟气换向阀和 2-1 水蒸气换向阀、2-2 燃气换向 阀） 来控制（ 图 1） 。在燃烧阶段，空气换向阀 1-1 和 烟气换向阀 1-2 开启，向炉内供应空气和煤，使煤在 流动状态下燃烧，炉中床层温度迅速升高，所产生的 烟气从烟气通道排除，当温度上升到预定温度并基 本保持稳定时，停止向炉中供应煤，关闭 1-1 空气换 向阀，延迟 5 s 关闭 1-2 烟气换向阀，燃烧阶段结束。 此时开启水蒸气换向阀 2-1，同时向炉内供应生物 质（ 玉米芯） ，燃气换向阀 2-2 开启，则生物质在流化 状态下和水蒸气发生一系列的反应，产生了含有少 量 N2 的燃气，经除尘净化后进入储气柜中，由于大
1. 2 分析
基于热力学定律，对气化反应器（ 流化床） 进行
了 分析，其 平衡方程为
( ) ( ) ( ) ∑ ∑ ·
·
Ex －
Ex
∑·
=
Ex
（ 1）
in
out
dest
( ∑ )·
·