浅析流化床生物质与煤共气化技术方案

浅析流化床生物质与煤共气化技术方案

毕可军;毛少祥;孔北方;柏林红

【摘要】In allusion to problems that the biomass was difficult to gasity independently, author has discussed the co-complemented technical scheme of biomass with coal co-gasification; has introduced the physical property of biomass and its gasification features; has discussed the technical features and process flow for pulverized coal gasification technology with fluidized bed of ash meh collection ; has presented the technical scheme to make co-gasification of biomass with coal on basis of pulverized coal gasification technology with fluidized bed of ash meh collection ; and also has presented the relative solution measures for existing problems.%针对生物质能源难以单独气化的问题，探讨了生物质与煤共气化的互补性技术方案；介绍了生物质的物理性质和气化特性；论述了灰融聚流化床粉煤气化技术的特点和工艺流程；提出了在灰融聚流化床粉煤气化的基础上进行生物质与煤共气化技术方案，对存在的问题提出了相关解决措施。

【期刊名称】《化肥设计》

【年(卷),期】2012(050)001

【总页数】4页(P29-31,36)

【关键词】生物质;煤;灰融聚;流化床;共气化

【作者】毕可军;毛少祥;孔北方;柏林红

【作者单位】陕西华祥能源科技集团有限公司,陕西西安710075;陕西华祥能源科技集团有限公司,陕西西安710075;陕西华祥能源科技集团有限公司,陕西西安710075;陕西华祥能源科技集团有限公司,陕西西安710075

【正文语种】中文

【中图分类】TQ546.2

目前，我国能源消费过于倚重于煤炭。煤炭占我国1次能源消费的69%，而新能源和可再生能源在我国能源消费结构中所占比重过低，仅达到9%，与世界平均水平相差甚远。因此，加快以水电、核电、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能等为主的新能源和可再生资源的发展，是我国能源结构调整的战略重点。

我国生物质能源具有巨大的潜力。据统计，全国近年秸杆年产量约6亿t，薪柴年产量(包括木材砍伐的废弃物)约为2亿t，还有大量的人畜粪便及工业排放的有机废料、废渣，每年生物质资源总量折合标煤约为2～4亿t［1］。长期以来，我国生物质能源的开发和利用以传统的燃烧技术为主，目前正在逐渐发展生物质能源的气化、液化、固化成型等技术。其中，生物质气化是生物质能源清洁利用的一种主要形式，具有广阔的发展前景。

1.1 体积密度和能量密度低

大多数生物质的体积密度远低于煤炭的体积密度。例如，稻草和稻谷壳的体积密度分别约为50 kg/m3和122 kg/m3，而褐煤和烟煤的体积密度分别为560～600 kg/m3和800～900 kg/m3，无烟煤可高达1 400～1 900 kg/m3。生物质的能量密度也大幅低于煤炭，热值从7 000 kJ/kg(牛粪)～21 000 kJ/kg(废弃木料)不等，而煤炭的热值从褐煤到无烟煤热值范围为20 000～33 000 kJ/kg。由于生物质的低体积密度特性，使其运输费、储存费用相对较高，一般认为生物质的利用半径仅为80～120 km，这极大地限制了生物质能的有效利用［2］。由于生物质的

能量密度低，单独气化温度较低，气化时生成的焦油较多，不仅降低了生物质能的利用效率，而且对气化过程的稳定运行造成影响。此外，由于生物质体积密度和能量密度低，导致生物质气化时对生物质原料的贮存量和需求量巨大。

1.2 生物质组成性质差异大

生物质在水分含量、挥发分含量、热值和灰分化学组成上差异巨大。生物质气化要求提供组成性质相对稳定的生物质，当生物质的原料种类发生变化时，气化气体组成就会受到影响。例如，稻壳和稻草的气体产物中CO体积分数为10%～20%，

而木屑和玉米杆的气体产物中CO体积分数仅为5%～10%［3］。

1.3 水分含量

大多数生物质水分含量并不高，但某些生物质如蔗渣、下水道污泥和牲畜粪便水分含量可高达40%～50%。水分含量高的生物质在气化时会面临点火性能恶化、降

低气化操作温度等问题，从而影响气化效率和质量。

1.4 灰成分

生物质灰分较低(0.1%～3%)，且灰分中碱金属、硅和氯含量高。灰分低的生物质

在单独进行流化床气化时出现床层难以建立、操作难度增加等问题。灰分中碱金属、硅和氯含量高，在生物质流化床气化时，碱金属与硅等形成低共熔点化合物，会引起床料粘结和后续废热回收设备的结垢、腐蚀等问题。

1.5 生物质供应和价格不稳定

由于受季节因素影响，生物质供应不稳定，其单独气化的规模亦受到限制。同时受播种面积和其他利用方式竞争的影响，生物质的价格不稳定，加大了工业利用的经营风险。

由生物质的物理性质和气化特性可知，生物质单独气化存在一些问题，为此，国内外学者提出了流化床生物质与煤共气化的改进方案，并进行了研究。

2.1 生物质与煤共气化的互补性

将生物质与煤在流化床中共气化具有互补性技术优势，具体如下。

2.1.1 产生协同作用

煤与生物质的共气化反应是木质生物质有机物质中最弱的共价键发生热裂解，形成的挥发分分解形成很多自由基，这些自由基增加了煤的氧化分解。木质生物质是富氢物质，脱挥发分过程中产生的氢与煤自由基反应，阻止了二次焦的形成。木质生物质中的碱金属是煤气化的有效催化剂，促进了煤的催化气化反应。

2.1.2 提高气化温度

由于煤热值高，气化温度可达到1 000℃以上，因此煤气中几乎不含焦油。生物质热值低，气化温度为700～750℃，煤气中焦油含量高，这是生物质气化亟待解决的问题［4］。将生物质与煤在流化床中共气化，可以形成温度较高的稳定料层，不仅可以保证运行稳定，且在蒸汽气化剂的作用下，可以加速焦油的热裂解，使焦油含量减少，煤气热值提高。

2.1.3 有利于床层建立

生物质灰分含量小，单独进行流化床气化难以形成床层，流化特性较差。生物质与煤流化床共气化，煤作为生物质的流化媒体，可形成流化气化稳定的密相床层。由于密相床层蓄热量大，且床层内传热传质剧烈，能够为高水分低热值的生物质提供稳定的气化温度(900～1 000℃)。

2.1.4 解决生物质供应的季节性问题

由于生物质受季节因素影响，供应不稳定，生物质与煤共气化可以解决生物质供应的季节性问题。在生物质资源丰富时可以提高生物质的比例，而在生物质资源供应不足时提高煤的比例，以降低生物质工业利用的经营风险。

2.2 生物质与煤流化床共气化技术发展建议

目前，国内外对生物质与煤共气化的研究仍停留在热天平和实验室规模的小型流化床气化炉的研究状态［5］，尚无生物质与煤共气化的工业化示范装置的运行经验。