基于生物质与煤共气化的系统模拟分析

郑 凯，贾 嘉

（1.国电集团宿州热电有限公司，安徽 宿州 234000；2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 102206）

基于生物质与煤共气化的系统模拟分析

郑 凯1，贾 嘉2

（1.国电集团宿州热电有限公司，安徽 宿州 234000；2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 102206）

对所构建的生物质与煤共气化系统进行了流程模拟，研究气化反应温度、生物质掺混比wbio和水蒸气与生物质的质量比S／B对气化特性及热力学性能的影响规律。结果表明，提高气化反应温度和S／B将在一定程度上降低气化合成气的热值和气化效率，其主要原因是反应过程的热能消耗同步增加，即更多的原料化学能被释放出来。相对于煤单独气化过程，掺混一定比例的生物质会降低气化效率，但有利于提高合成气的热值，降低污染物的排放量。

生物质；煤；共气化；性能分析

面对日益增长的化石能源消耗和日趋严重的环境污染，提高现有的能源利用效率并大力开发利用清洁能源已成为当前亟待解决的问题，其中气化已作为煤等化石燃料高效及清洁利用的重要方式之一［1-3］。近年来，研究人员提出将生物质与煤进行共气化，不仅能将固体燃料转化为气体燃料，提高能源的利用效率，还能减少部分化石能源的消耗。生物质的能量密度较低，限制了生物质的应用，通过与煤进行同步利用，在一定程度上能够提高生物质的利用率。

通过将生物质与煤进行共气化，不仅能克服各自在进行单独气化过程中的不足，也有助于提高碳的反应性，抑制焦油的生成，并减少污染物的排放量。

宋新朝、张科达等人已分别借助热天平分析了生物质与煤在水蒸气氛围和CO2氛围下共气化的反应动力学特性［4-5］，同时宋新朝还利用流化床试验装置研究得出，生物质与煤共气化时的碳转化率、气体中可燃组分的体积分数均高于煤单独气化，气体中CO2的体积分数低于煤单独气化［6］。

另外，周金豪等人利用Aspen Plus软件对生物质与煤的气流床共气化工艺进行了模拟，确定生物质的质量分数为20%，氧碳摩尔比在1.1～1.3时的气化效果最佳［7］。王立群等人对生物质与煤的流化床水蒸气共气化过程开展了试验研究，针对选择的试样得出相应的最佳气化产氢条件［8］。车德勇等人通过试验研究得出，在掺混比例为50%时，松木屑和褐煤在流化床反应器中的共气化协同作用比较明显［9］。

1 反应试样及系统介绍

1.1 试样基础物性

生物质选自新疆库尔勒地区的棉花秸秆，煤样为内蒙乌拉盖褐煤，试样的低位发热量分别为17.57 MJ／kg和20.89 MJ／kg，工业分析和元素分析如表1、表2所示，灰熔融特性如表3所示。

表1 试样工业分析%

表2 试样元素分析%

表3 试样灰熔融特性℃

相对而言，生物质的挥发分含量较高，达80%左右，且在较低的温度（＜400℃）下能析出大部分的挥发分。同时生物质碳具有较好的反应性，能够在较高的温度下以较快的速度与CO2和水蒸气进行化学反应。

由表3可见，生物质灰的灰熔点要略高于褐煤，通过掺混一部分生物质能提高反应物的灰熔融温度，降低了在反应过程中出现结焦的可能性。

1.2 生物质与煤的共气化系统

本文借助商业流程模拟软件对生物质与煤的共气化过程进行模拟，为了避免原料中所含的水分对气化反应产生影响，生物质和煤均先通过预热装置去除水分，再送至气化反应器中。气化反应产生的粗合成气经过旋风分离器脱除灰分后，利用后部的余热锅炉来回收合成气的显热，同时也可利用这部分显热来生产高温蒸汽作为气化剂，最后经过冷凝净化后可制得合格的合成气，其可作为燃料送至燃气轮机或用于生产甲醇等清洁液体燃料。

1.3 评价指标

本文选定的气化压力为1.8 MPa，作为气化剂的水蒸气参数为1.8 MPa／210℃，气化反应器中的空气通入量根据热平衡进行核算。

生物质掺混比wbio是用来表征参与气化反应的生物质含量，计算公式如下：

式中：fbio、fcoal分别为生物质和煤的输入量，kg／s。

其它表征运行状态和用于评价气化效果的参数和变量如下：

空气当量比ER：

合成气的低位热值Qgas（MJ／m3）：

式中：Qi为各燃气成分的低位热值，MJ／m3；ω［CO］、ω［H2］、ω［CH4］、ω［CnHm］为CO、H2、CH4、CnHm在燃气中所占的体积百分含量，%。

气化效率η：

式中：Qgas和Ggas分别为标准状态下单位体积合成气的化学能和合成气的体积；Qbio和Qcoal分别为生物质和煤的热值。

由于气化反应是一个复杂的化学反应体系，对于模拟流程需进行以下假设：气化反应处于稳定状态下进行；生物质和煤中的H、O、N和S元素全部转化为气相；气相反应快速达到平衡状态。

2 结果分析

2.1 气化反应温度对共气化过程的影响

温度是气化反应过程的重要参数，较低的温度难以驱动原料与气化剂之间的非均相反应，而较高的反应温度虽然能够提高反应速率，但在一定程度上会降低气化过程的热力学性能。为此，本文将研究气化反应温度对气化反应过程的影响。

针对生物质掺混比wbio＝0.5，即生物质与煤按1∶1的质量比进行混合，在空气氛围下进行气化反应，在不同气化反应温度下所获得的合成气组分如图1所示。

图1 不同气化温度下的合成气组分

生物质具有良好的反应性，可在700～850℃开始进行气化反应，但褐煤的碳化程度相对较高，其反应起始温度也较高。在气化反应温度为700～1 500℃时，H2、CO和CO2的含量随着气化温度的升高而下降，其中H2含量的变化趋势较为明显，CO和CO2的降幅相对较小。以上3种组分的含量下降主要来自于2方面的影响，一是为了维持更高的气化反应温度，气化反应体系中的氧化反应需增强，为此生物质和煤中更多的化学组分将无法进行还原反应以得到H2和CO；二是达到更高的反应温度需通入更多的空气量，合成气中的其它组分将在一定程度上被N2稀释，因此除了N2和H2O外，其它组分的含量均随着反应温度升高而下降。

气化反应得到的合成气低位热值和气化效率如图2所示。在850℃及以上的反应温度下，所得到的合成气低位热值在3.5～6.3 MJ／m3，也随着气化反应温度的升高而降低，主要原因是更多的原料将参与氧化反应及N2的稀释作用。由于反应温度升高，原料的化学能未转化为合成气的化学能，而是通过氧化反应以热能的形式释放出来，更多的热能未能被有效回收利用，气化效率也具有下降趋势，热力学性能较差。因此，应在气化反应动力学和气化反应热力学性能之间寻求合适的平衡点。

图2 不同气化温度下的气化性能

2.2 wbio和S／B对气化反应的影响

根据反应器中的气化压力（1.8 MPa），通过回收合成气的显热来生产1.8 MPa／210℃的蒸汽，作为气化剂送入气化反应器中。

wbio分别取0、0.1、0.2、0.5和1.0，同时参与气化反应的S／B也从0升至1.0，不同工况下的气化效率如图3所示。提高S／B，即增大参与反应的水蒸气流量，将这些水蒸气加热至设定的气化反应温度需消耗更多的化学能，此时气化过程的ER值也随之增大，减少了合成气中的化学能，因此气化效率将随着S／B增大而下降。同时，提高生物质的掺混比wbio也将对气化效率产生不利影响，但在掺混比wbio较低时，对气化效率的影响较小。因此在生物质与煤共气化的反应中，需合理调节生物质的掺混比wbio。

图3 wbio和S／B对气化效率的影响

合成气热值在不同工况下的变化情况如图4所示，提高S／B将降低合成气的低位发热量，其原因主要是更多的原料被氧化以提供足够的气化反应热源以及N2的稀释作用。但在相同反应条件下，提高生物质的掺混比wbio能提高合成气的热值，有利于合成气的后续利用。

图4 wbio和S／B对合成气热值的影响

3 结论

a.提高气化反应温度和S／B，能够在一定程度上改善反应的性能，但同时气化过程的热能消耗也增加，即降低气化合成气的热值及气化效率。

b.增大共气化过程中的wbio，虽然降低了气化效率，但有助于提高合成气的热值，实现合成气的后续利用，同时通过替代部分化石燃料，也有利于减少CO2和各类污染物的排放量。

［1］ 张永兴，祁晓枫.电力节能减排的形势和对策［J］.东北电力技术，2007，28（11）：1-4，37.

［2］ 陈晓波，马 涛，高继录，等.IGCC多联产系统工艺路线选择研究［J］.东北电力技术，2014，35（8）：22-25.

［3］ 廖小花.IGCC特点及减排CO2方法［J］.东北电力技术，2010，31（9）：45-47.

［4］ 宋新朝，王芙蓉，赵霄鹏，等.生物质与煤共气化特性研究［J］.煤炭转化，2009，32（4）：44-46.

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［7］ 周金豪，陈雪莉，郭 强，等.基于ASPEN PLUS模拟生物质与煤气流床共气化工艺［J］.太阳能学报，2010，31（9）：1 112-1 116.

［8］ 王立群，陈兆生.煤与生物质流化床水蒸气共气化［J］.中南大学学报（自然科学版），2014，45（5）：1 692-1 698.

［9］ 车德勇，李 健，李少华，等.生物质掺混比例对煤气化特性影响的试验研究［J］.中国电机工程学报，2013，33（5）：35-40.

Simulation and Analysis on the Process of Co⁃gasification of Biomass and Coal

ZHENG Kai1，JIA Jia2
（1.Guodian Suzhou Power Plant Co.，Ltd.，Suzhou，Anhui 234000，China；2.China Datang Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 102206，China）

A co⁃gasification system for biomass and coal is developed in this work，and a commercial process simulated.The effects of gasification temperature，the blending ratio of biomass and the S／B on the gasification performance are investigated.The results indi⁃cate that the heat value of syngas and gasification efficiency will be reduced with the increase of the gasification temperature and the S／B，because more feedstock should be oxidized for providing sufficient reaction hear of co⁃gasification.Compared with the stand⁃only gasification of coal，the gasification efficiency will be decreased with the rise of the blending ratio of biomass，whereas the heat value of syngas will be improved to some extent.Additionally，the mitigation of CO2and other pollutant emission will be achieved，since a part of fossil fuel is substituted by biomass as renewable energy.

Biomass；Coal；Co⁃gasification；Performance evaluation

TK6

A

1004-7913（2015）03-0007-03

郑 凯（1986—），男，助理工程师，主要从事火力发电厂集控运行工作。

2014-12-09）