生物质高温气流床气化合成气制备及优化研究

摘要

生物质间接液化技术是生物质能利用最具有发展潜力技术之一，气化是其中的关键环节。由于生物质燃料含氧高、热值低、难于收集等特点，生物质气化特别是高温气流床气化过程中合成气制备规律、气化特性、碱金属析出及氮污染物析出与控制规律等还认识不足，尚待深入研究。本文依托国家重点基础研究发展973计划项目(2007CB210200)“生物质转化为高品位燃料的基础问题研究”及国家自然科学基金(90610035)“西部生物质高品位液化基础研究”，开展生物质高温气流床气化制备合成气及优化研究，对于发展生物质间接液化技术和内在规律研究具有重要意义。
　　本文提出采用生物质烘培预处理结合生物质高温气流床气化与净化的生物质合成气制备技术路线。分别开展了生物质高温气流床气化特性试验研究，烘焙预处理特性及其对气化影响研究和气化过程中污染物(碱金属和氮污染物)析出与抑制规律研究，通过建立生物质高温气化制备合成气验证系统，开展模拟研究，以优化技术途径，指导新型生物质气化合成气技术的开发。
　　在建立小型生物质气流床气化试验装置的基础上，开展了生物质高温热解、纯氧气化及纯水蒸气等气化特性试验研究，考察了热解/气化产物分布、合成气组分、碳转化率、C/H/O转化规律。研究结果表明：合成气焦油产量仅为3.2％、碳转化率达到了84％，与传统生物质气化炉相比有较大的提高：高温气化有利于提升生物质所含H转化为H2的转化率，气化温度1200℃时可达74％；水蒸气气化时可有利于进一步提高合成气中H2含量，气化温度1200℃，H2O/B=0.33时，合成气中H2/CO最高为2.51。
　　生物质烘培处理可降低合成气中CO2含量、提高原料能量密度并使其具有多孔结构，通过烘焙预处理特性及其对气化影响研究表明，生物质烘焙后可有助于气流床气化特性的改善，特别250℃时的烘焙气化效果最好，冷煤气效率被提升14.5％，H2和CO含量分别提高了25％和20％，而CO2含量仅为原来的22.7％。
　　针对碱金属含量和氮含量较高的秸秆类生物质，开展了生物质高温气流床气化条件下碱金属和氮污染物析出规律的研究，对合成气和残炭中的碱金属和含氮物进行采样分析，探讨了碱金属和氮污染的析出及抑制规律，可为合成气中碱金属和氮污染物控制方法的研究提供指导。
　　在以上研究基础上，搭建了与合成液化系统耦合的生物质高温气化制备合成气验证系统。利用流程模拟软件Aspcn Plus运用Gibbs自由能最小化方法，建立生物质气流床气化系统模型，开展采用生物质烘培预处理结合生物质高温气流床气化与净化的生物质合成气制备技术路线的热力学模拟和效率计算。模拟结果表明，该气化验证系统可获得兼具良好H2/CO比例与洁净度的合成气；高温气化在理想情况下并不降低系统效率，实际应用中需合理对余热进行利用以提高系统效率；高温氧气气化系统优于水蒸气气化系统；烘焙有利于冷煤气效率的提高，但需对烘焙的气体产物及焦油产物加以利用，才可提升具有烘焙预处理的气化系统效率。以上结果为提升生物质间接液化系统效率提供理论指导。