生物質快速熱解及水蒸氣氣化實驗研究

安明明，朱孟褀，周倫祎，彭元君，靳世平

（華中科技大學 中歐清潔與可再生能源學院，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境污染等問題，國內外學者們紛紛將生物質能的高效轉化利用技術作為研究課題。生物質氣化技術在近幾十年里有了重大的革新和發展。荷蘭能源研究中心、瑞典皇家工學院等機構都對生物質原料處理[1-3]進行了研究，其在常壓、無氧氣氛以及低加熱率的條件下對生物質原料進行烘焙處理，溫度在200～300℃，生物質原料在經過烘焙之后，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，同時一定程度上降低了破碎成本。意大利比薩大學的Biagini.E[4]等人在小型實驗臺架上進行了無煙煤與生物質的氣化特性研究，使用氧氣作為氣化劑，同時設置較高的加熱速率，使用電鏡掃描等手段分析生物質在高溫氣流床中的反應特性，建立數學模型來模擬單一生物質顆粒沿軸向運動及化學反應特性。

國內研究方面，浙江大學的學者在生物質氣流床氣化方面做了大量研究，趙輝[5]，曹小偉[6]等搭建實驗臺架對生物質在氣流床中的熱解及氣化特性進行了實驗研究，其研究結果表明：反應溫度熱解氣化結果影響最大；在1 300℃、常壓工況下，最佳O/B范圍為0.2～0.3；溫度升高會導致合成氣中CH4含量降低；最佳停留時間為1.6 s；通入適量水蒸氣可增加產氣中H2/CO比值，過量通入水蒸氣會降低合成氣產率。梅勤峰[7]等進行了不同種類生物質純氧氣化實驗研究，研究結果表明，溫度升高能有效促進氣化過程的碳轉化率和冷煤氣效率，有利于獲得更高品質的燃氣。哈爾濱工業大學周勁松[8]、趙義軍[9]等進行了稻殼、鋸末在不同操作條件下的氣化特性實驗研究，研究結果表明，氣化溫度提高有利于提高產氣中的CO比例，當量比也是重要的影響因素，當量比過低時氣化反應進行不完全，碳轉化率和氣化效率較低，當量比過大會導致氣化產物中H2含量減少，在900℃時，最佳當量比為0.25。

本文介紹了華中科技大學熱能利用新技術研究所自行設計的單管氣化爐實驗系統，對實驗裝置，實驗步驟進行介紹，并簡要分析不同運行參數對氣化效果的影響。

1 生物質粉末物理特性

實驗原料為自華中科技大學附屬家具廠購置的鋸末粉末，其工業分析和元素分析見表1，原料經干燥、破碎后，用標準篩篩分為粒徑60～80目，80～100目，100目以上三組，每次實驗時重新裝料，并對給料裝置進行重新標定。

表1 生物質鋸末工業分析及元素分析結果 %

生物質煤粉的低位發熱量可以通過門捷列夫經驗公式計算[10]，公式如下：

式中：LHVb為生物質原料低位發熱量，C、H、O、N分別為元素分析結果中的各元素占比；M為生物質原料中的水分含量經過計算，生物質原料低位發熱量為16.63 MJ/kg。

2 實驗介紹

2.1 輸送系統的設計

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

圖1 小型生物質高溫氣流床氣化實驗臺架

圖2 小型生物質高溫氣流床氣化實驗臺架實物圖

圖3 氣體成分分析儀實物圖

2.2 實驗步驟

實驗時，首先對電爐程序進行設置，設置好加熱時間和最終溫度，開始加熱。同時更換生物質原料，對下料系統進行重新標定，將生物質顆粒進料速率固定為0.18 kg/h，待氣化爐加熱到指定溫度后，通入N2對整個系統進行清洗，排除殘余的氣體成分和空氣，然后打開下料器。熱解產物從反應爐底部出口排出，反應產生的固體顆粒成分（主要是焦炭）由底部旋風除塵器收集，需要時進行分析，為確保實驗結果的準確性，每個工況完成后需收集灰斗中產物同時對灰斗進行清理。氣體產物用氣袋收集，待幾組實驗完成后集中進行測試。

本次實驗過程中生物質進料量固定為3 g/min，載氣流量為0.5 L/min，為了更好地反映實驗反應本身的特性，在實驗結果處理的時候產氣組分計算只考慮CO2、CO、H2、CH44種氣體。

3 生物質快速熱解實驗

3.1 溫度對生物質快速熱解產物的影響

熱解過程主要是生物質中三大組分的分解，在1 200℃以上高溫條件下，三大元素才全部分解，因此溫度是生物質熱解過程的核心控制因素，研究表明[11]，高溫熱解有利于產生氣態產物及半焦，低溫熱解有利于產生生物質油等液態產物。

從圖4及表2中可以看出，熱解產氣中CO、H2為主要成分，其占比達到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，因為高溫促進水氣轉換反應，而高溫導致CH4含量逐漸下降，因為溫度達到600℃以上時，CH4會分解為炭黑，降低燃氣品質，CO和CH4含量的降低也導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氣率、碳轉化率、w（H2）/w（CO）、氣化效率不斷升高，但高溫下的溫度提高會大幅增加成本，因此在實際應用時要根據需要選擇合適的溫度工況。

圖4 主要氣體產物隨溫度變化圖

表2 60～80目的生物質顆粒在不同溫度條件下快速熱解評價指標參數

浙江大學陳超[12]等人研究中發現隨著溫度升高，產品氣中CO2含量降低，CO含量升高，與本次實驗結果相反，化學反應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，也有可能是因為實驗結果工況溫度較低，導致氣化反應產生過多焦油等副產物，影響結果準確性。

3.2 粒徑對生物質快速熱解產物的影響

粒徑是生物質氣流床氣化過程的關鍵因素，粒徑的大小會影響顆粒加熱速率，在相同的反應條件之下，顆粒粒徑越小，受熱比表面積越大，升溫速率越快，內部結構更容易進行徹底的熱分解，析出更多的揮發分物質，同時有利于焦油等進一步裂解產生氣體，產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物轉化為氣體產物。本次實驗選用60～80目、80～100目、100目以上三組鋸末原料在900℃的條件下進行熱解研究，圖5為不同粒徑實驗條件下的生物質快速熱解主要氣體成分隨粒徑變化圖。

圖5 主要氣體產物隨粒徑變化圖

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，產氣率有所提升，說明粒徑減小有利于生物質熱解產氣，但其他產物和評價指標隨粒徑變化不是很明顯，原因可能是本次實驗所選生物質顆粒粒度變化區間較小，傳熱傳質發生迅速而且徹底，其熱解、氣化過程主要是由反應動力學參數控制，沒有太大差異。

表3 不同粒徑生物質顆粒在900℃條件下快速熱解實驗結果

4 生物質水蒸氣氣化實驗

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

氣化反應中，通入的水蒸汽溫度比爐溫低的多，通入適量的蒸汽，有利于上述反應的進行，但過高的蒸汽量會使爐溫下降，阻礙CO2的還原和水蒸汽的分解反應，影響氣化過程，因此需選擇合適的S/B值。上述已經研究過爐溫和粒徑的影響，這里主要對不同S/B值工況下的水蒸氣氣化進行實驗，實驗溫度為900℃，所用生物質顆粒粒徑為80～100目。

由圖6和表4中數據可以看出，相比于熱解過程，水蒸氣的加入，使產氣中的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氣與水蒸氣發生重整反應，還原反應等，產生CO、CO2等氣體，適當的水蒸氣的通入能大量提高產氣中的H2、CO的占比，提高碳轉化率和w（H2）/w（CO），碳轉化率在S/B比為1.4時能達到96%，遠遠高于熱解時的結果。但水蒸氣的過量通入會導致各項評價指標均開始下降，可能原因是過量的水蒸氣會降低爐內的溫度，使揮發分析出、焦油裂解、重整反應和還原反應減弱，降低燃氣品質。

圖6 主要氣體產物隨S/B值變化圖

表4 不同S/B工況下生物質顆粒氣化實驗結果

5 小結

本文介紹了華中科技大學自行搭建的生物質氣流床氣化實驗系統，并進行了生物質快速熱解及水蒸氣氣化實驗的實驗研究。重點考察了溫度、粒徑對生物質氣流床快速熱解的結果影響和S/B對水蒸氣氣化結果的影響，實驗結果分析如下：

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

（2）顆粒粒徑是影響生物質熱解的另外一個重要因素，粒徑對氣化結果的影響實質上也是溫度和加熱速率對結果影響的證明，生物質顆粒粒徑越小，比表面積越大，顆粒升溫越快，到達的終溫越高，反應進行的越徹底；

（3）水蒸氣的加入能有效提高產氣中H2、CO的占比，大力提高生物質的碳轉化率、氣化效率、w（H2）/w（CO）等，但存在一個臨界S/B值，超過這個臨界值之后，過量的水蒸氣會降低爐內的溫度，使重整反應和還原反應減弱，降低燃氣品質，本次實驗中的臨界值為S/B=1.4。