基于合成气分流的双联流化床气化性能评价

郑漪琳，陈时熠，向文国，陈 程，吴 斌，肖 军

基于合成气分流的双联流化床气化性能评价

郑漪琳1，陈时熠1，向文国1，陈 程2，吴 斌2，肖 军2

(1. 东南大学能源与环境学院，南京 210096；2. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京 211102)

分流双联流化床；热量调控；气化性能；系统效率

气化是生物质最有前途的热化学转化技术之一．生物质气化可用于生产合成气，制备化学品，或发电、供热等．双联流化床气化将固体燃料的气化与燃烧过程解耦，避免了固体燃料与空气直接接触，从而获得高品质合成气．

在双联流化床系统中，两个反应器分别发生气化反应和燃烧反应，燃烧反应温度高于气化反应温度，燃烧产生的热量通过惰性载体传递给气化反应器．目前大部分双联流化床通过控制气化反应器进入燃烧反应器未转化碳的比例来维持系统的热平衡，但这在实际双联流化床的热量调控中存在一定难度，进入燃烧反应器的碳比例过低，燃烧反应器释放的热量不足以维持气化反应；碳比例过高，气化效率因燃烧热量分配过高而降低．为此，本文提出了一种新型的双联流化床热量调控方法，鉴于合成气的流量调节相对容易，在进入燃烧反应器未转化碳不足的基础上，分流部分合成气至燃烧反应器燃烧来维持系统热量平衡．虽然先前已有研究者提出合成气分流至燃烧反应器来实现热量调控的方法，但是缺少对此详细的系统气化性能和效率分析核算．为此，本文通过Aspen Plus软件建立了基于合成气分流的双联流化床模型，对比传统双联流化床，考察了两种模型在相同的气化参数下，合成气性能以及系统效率等差异，同时研究了在不同气化温度()、不同水蒸气和生物质质量比(＝S/B)下系统性能参数的变化．

1 研究方法

1.1 过程模拟

图1所示为双联流化床系统示意图，生物质和水蒸气在气化反应器里进行气化反应，主要反应如下：

C(固)＋H2O(气)→CO(气)＋H2(气)(1)

C(固)＋CO2(气)→2CO(气)(2)

CO(气)＋H2O(气)→CO2(气)＋H2(气)(3)

C(固)＋2H2(气)→CH4(气)(4)

CH4(气)＋H2O(气)→CO(气)＋3H2(气)(5)

气化反应器中未转化的碳和床料通过溢流槽进入燃烧反应器，并和空气发生燃烧反应，释放热量．热量被惰性床料吸收，燃烧产生的烟气携带惰性床料进入旋风分离器，经过分离，惰性床料重新进入气化反应器，为气化反应提供热量．为了提高系统效率，对合成气和烟气中的显热进行利用，烟气用来加热水产生过热蒸汽，作为气化介质送入气化反应器，合成气预热进入燃烧反应器的空气，从而使整个系统实现自热平衡．经过空气预热器换热后的合成气进入气体净化装置，进行除尘、脱硫、脱氮、干燥处理，得到最终产气．

双联流化床气化技术的关键核心点在于实现气化反应器与燃烧反应器之间的热平衡，使燃烧释放的热量能保证气化吸热的需要．本文考察了两种实现气化反应器供热的方式．第一种方式如图1(a)所示，通过调整气化反应器进入燃烧反应器的未转化碳的比例来实现气化供热，这是传统双联流化床的运行模式．另一种是本文提出的新型热量调控方式，如图1(b)，在进入燃烧反应器未转化碳不足的基础上，为满足气化反应的吸热要求，分流一部分最终产气，回收粗合成气显热加热至一定温度，而后进入燃烧反应器燃烧释放热量，通过调整合成气的分流率使气化反应器与燃烧反应器之间达到热量平衡．

图1 两种双联流化床系统示意

本文用Aspen Plus软件对系统进行建模和模拟．秸秆作为一种重要的生物质，在我国产量巨大，而玉米秸秆在秸秆中占比较大．本文选取玉米秸秆生物质，工业分析和元素分析以及热值如表1所示(干燥基)．输入的生物质为非常规组分，采用RYield模块先将其转化为C、S、H2、O2、N2、H2O和灰分等常规组分．气化反应和燃烧反应采用RGibbs模块，该模块基于吉布斯自由能最小化的原理进行多相平衡反应，气化产物有H2、CO、CO2、CH4、H2O、N2、NH3、H2S、COS、SO2．系统中的分离器部分使用SSplit模块，用于固相和气相之间的分离．空气预热器、合成气预热器以及产生气化水蒸气的省煤器、蒸发器和过热器使用HeatX模块．气体净化部分使用Sep和Heater模块，Sep模块分离合成气中的残余灰分、含硫含氮化合物以及水分，再通过Heater模块将合成气冷却到一定温度．

表1 玉米秸秆的工业分析和元素分析

Tab.1 Proximate analysis and ultimate analysis of corn straw

为简化模拟过程，假定以下几个条件成立：① 气化反应器与燃烧反应器均在稳定状态下进行反应，且反应最终都达到化学平衡和相平衡；②忽略气化反应器与燃烧反应器的压降；③忽略气化产物中微量的焦油产量；④灰分作为惰性物质，不参与反应；⑤忽略换热器冷端进出口以及热端进出口之间的压差．

1.2 参数范围

图1所示的两种双联流化床系统，生物质输入质量均为1kg/s，取值区间为0.4～1.0，气化温度区间为675～800℃，燃烧反应器温度为900～950℃，气化反应器与燃烧反应器压力均为常压(0.1MPa)；环境温度为25℃；空气预热器出口空气温度为600℃，分流合成气预热至200℃；给水压力0.5MPa，省煤器出口热水温度为100℃，蒸发器将热水加热到饱和蒸汽，过热器出口蒸汽温度为500℃；气体净化模块出口合成气温度为50℃．

1.3 计算方法

1.3.1 系统性能参数计算

有效气体产率计算方式如下：

式中：e为合成气的有效气体产率，m3/kg；v为合成气中H2、CO、CH4在标准状态下的总体积流量，m3/s；m为生物质输入质量，kg/s．

气体热值是指标准状态下单位体积产气所含的化学能，根据是否包含水蒸气气化潜热分为高位热值和低位热值，本文计算的是低位热值，计算公式如下[8]：

系统的热效率是合成气所含能量与生物质输入能量之比，是衡量气化效果的一个重要指标，计算公式如下：

式中：P为合成气总产率，m3/kg；ar,net为输入生物质的低位热值，MJ/kg．

Tab.2 Specific enthalpy and entropy at 298K and 0.1MPa，and standard chemical exergy values of some components

式中：C、H、O、N分别为生物质中碳原子、氢原子、氧原子、氮原子占生物质干基质量的百分比．

式中：syngas、m、water、air分别为合成气、输入生物质、输入水和空气的火用值，kJ/s．

2 结果和讨论

2.1 模型验证

根据文献[13]，对图1(a)模型输入相应参数，得到的合成气气体组分体积分数的模拟结果(实线)与文献[13]的实验结果(虚线)的对比如图2所示．模拟结果中H2、CO、CO2、CH4的体积分数变化趋势与实验值一致，其中H2体积分数的模拟值要大于实验值，CH4体积分数的模拟值要小于实验值，这是由于实际中CH4与水蒸气的重整反应受到时间和反应条件限制，并没有达到完全平衡，所以在模拟结果中H2体积分数偏高，CH4体积分数偏低[14]．但二者误差在允许范围内，因此图1(a)系统模拟结果可信，图1(b)系统是在图1(a)系统的基础上增加了分流合成气在燃烧反应器中的燃烧，气化反应器的设置条件不变，故图1(b)系统的模拟结果可信．

图2实验结果[13]与模拟结果对比

2.2 气化温度的影响

在燃烧温度为900℃，值恒定(0.75)时，系统输入的空气量保证了燃烧炉中的氢气、未转化碳等燃料完全燃烧．图3所示为气化温度对系统合成气组分体积分数的影响，在区间内的任一气化温度下，相比传统双联流化床，分流双联流化床合成气的CO和CH4体积分数更高，H2和CO2体积分数更低，两种系统合成气的各气体组分随着气化温度的增加呈现相同的变化趋势．H2体积分数呈现先增后减的趋势，当气化温度为675℃，传统双联流化床合成气的H2体积分数达到最大值58.4%；当气化温度为725℃时，分流流化床的H2体积分数达到最大值56%．CO体积分数随着气化温度的增加呈现递增的趋势．这是因为气化温度的增加有利于反应(1)、(2)和(5)的正向进行，合成气的H2和CO体积分数增加，当气化温度进一步升高，促进反应(3)的逆向进行，H2浓度减少．CO2体积分数不断降低．CH4体积分数略微下降后几乎不再发生变化．这是因为气化温度的提高促进了反应(2)的正向进行和反应(3)的反向进行，故CO2体积分数不断变低，同时甲烷的重整反应(5)不断加剧，甲烷体积分数下降，当气化温度进一步升高，气化反应器内反应基本达到平衡，甲烷的体积分数不再发生变化．

实线—传统双联流化床；虚线—分流双联流化床

图4所示为气化温度对有效气体产率和合成气热值的影响，由图4可见，随着气化温度的提高，两种系统的有效气体产率先增加后减少．当气化温度达675℃，传统双联流化床的有效气体产率达到最大值0.94m3/kg；当气化温度达700℃，分流双联流化床系统的有效气体产率达到最大值0.88m3/kg．原因是由于气化温度的增加导致气化反应器吸热量增加，燃烧反应器需要燃烧更多的燃料，因此对传统双联流化床，气化反应器进入燃烧反应器的碳比例增加；对分流双联流化床，分流至燃烧反应器的合成气流量增加，两种系统的合成气产率不断下降．有效气体产率一开始会因为CO2体积分数的下降略有提高，但最终会随着合成气产率的减少而减少．分流双联流化床的有效气体产率整体上低于传统双联流化床，原因是在相同的热量需求下，燃烧所需要的H2和CO的质量大于所需要的碳的质量，因此分流双联流化床的合成气分流率大于传统双联流化床中进入燃烧反应器的碳比例，故分流双联流化床的合成气产率偏低，有效气体产率也偏低．另一方面，两种系统的合成气热值随着气化温度的增加都呈现先下降后上升的趋势，气化温度为675℃时，传统双联流化床的合成气热值达到最低值8.4MJ/m3；气化温度为700℃时，分流双联流化床的合成气热值达到最低值9.26MJ/m3.合成气的热值与有效气体的体积分数变化密切相关，最开始合成气热值的降低主要是由于甲烷体积分数的降低，随着气化温度的增加，甲烷体积分数几乎不再改变，H2体积分数略有下降，但是CO体积分数明显上升，故合成气热值不断增加．在相同的气化温度下，分流双联流化床的合成气热值大于传统双联流化床，这是因为该系统合成气的有效气体体积分数更高.

图4 气化温度对有效气体产率和合成气热值的影响

图5 气化温度对系统热效率和效率的影响

2.3 r的影响

气化温度为800℃，燃烧温度为950℃时，随着值的增加，为了使燃烧反应器排出的烟气热量满足气化水蒸气的换热需求，系统输入的空气量也不断增加．图6所示为对合成气组分体积分数的影响．在区间内的任一下，相比传统双联流化床，分流双联流化床合成气的H2和CO2体积分数偏低，CO体积分数偏高．随着的增加，两种系统合成气的各气体组分体积分数呈现相同的变化趋势，H2体积分数明显增加，CO体积分数不断降低，CO2体积分数不断上升．传统双联流化床合成气的H2体积分数的区间为54.8%～58.7%、CO体积分数区间为15.5%～26.9%、CO2体积分数区间为17.8%～25.3%，分流双联流化床合成气的H2体积分数在52%～57%、CO体积分数区间为23.2%～37%、CO2体积分数区间为10.5%～19.4%．在生物质输入量保持不变的情况下，随着的增加，水蒸气流量不断增加，促使反应(1)、(3)和(5)正向进行，反应产物H2体积分数增加，另外水蒸气流量的增加使得反应(1)的产物CO体积分数升高，但反应(3)又使得CO不断转化为CO2和H2，故CO体积分数不断降低，CO2体积分数不断上升．合成气的CH4体积分数一直保持在较低水平，几乎不变．

实线—传统双联流化床；虚线—分流双联流化床

图7所示为对有效气体产率和合成气热值的影响．由图7可见，两种系统的有效气体产率都随着的增加不断下降．水蒸气流量的增加促进了反应(1)、(3)和(5)的正向进行，使得合成气流量增加，但CO2体积分数的不断上升使得合成气中的有效气体流量降低．在相同的操作参数下，分流双联流化床系统的有效气体产率低于传统双联流化床系统，原因同2.2节所述一致，这里不再赘述．随着的增加，两种系统的合成气热值呈现下降趋势，分流双联流化床系统的合成气热值整体上高于传统双联流化床系统的合成气热值，这是因为分流双联流化床的有效气体组分更高．

图7 r对有效气体产率和合成气热值的影响

图8 r对系统热效率和效率的影响

3 结 论

本文针对双联流化床气化反应器与燃烧反应器之间的热量平衡问题，提出了一种切合实际工程运用的热量调控方式．利用Aspen Plus软件搭建了合成气分流至燃烧反应器的双联流化床系统模型，基于质量平衡和热量平衡开展模拟，对比传统双联流化床系统，研究了合成气分流至燃烧反应器对双联流化床系统的影响规律，分别获得了气化温度、对改进前后系统热力学性能的影响．

综上，利用合成气分流实现热量平衡的双联流化床系统生成的合成气具有更高CO体积分数和热值，该方式为气化生成民用煤气等对合成气热值要求较高的气化生产工艺过程提供了一条可行途径．

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Gasification Performance Evaluation of Interconnected Dual Fluidized Beds with Syngas Recycling

Zheng Yilin1，Chen Shiyi1，Xiang Wenguo1，Chen Cheng2，Wu Bin2，Xiao Jun2

(1. School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China；2. Jiangsu Power Design Institute Co.，Ltd，China Energy Engineering Group，Nanjing 211102，China)

To balance the heat of interconnected dual fluidized beds，a dual-bed gasification system which recycles a portion of the syngas to the combustion reactor is designed in this paper. The system is modelled using Aspen Plus software. Its gasification performances，such as gas compositions，the lower heating value，effective syngas yield and system efficiency，are evaluated and compared with those of the traditional interconnected dual fluidized beds，and the influences of gasification temperature()and the ratio of steam vapor to biomass(＝S/B)on the thermodynamic performances of these two systems are studied as well. Results show that the lower heating valueof syngasis increased with the recycling syngas to the combustion reactor，while effective gas yield，thermal efficiency and exergy efficiency are lower than those of the traditional interconnected dual fluidized beds. The thermodynamic performances of the two systems show similar trends with the increase of gasification temperature and. Both of the thermal efficiency and exergy efficiency of these two systems decrease with the rise of gasification temperature and，and the system’s maximum thermal efficiency and maximal exergy efficiency are as high as 74.1% and 54.4%，respectively.

interconnected dual fluidized beds；heat balance；gasification performance；system efficiency

TK1

A

1006-8740(2022)02-0183-07

10.11715/rskxjs.R202106011

2021-06-22．

江苏省创新能力建设专项基金资助项目(BM2019001).

郑漪琳（1998—  ），女，硕士研究生，3331075927@qq.com.

向文国，男，博士，教授，wgxiang@seu.edu.cn.

(责任编辑：武立有)