生物质快速热解及水蒸气气化实验研究

安明明，朱孟褀，周伦祎，彭元君，靳世平

（华中科技大学 中欧清洁与可再生能源学院，湖北武汉430074）

为缓解化石燃料过度使用带来的能源短缺和环境污染等问题，国内外学者们纷纷将生物质能的高效转化利用技术作为研究课题。生物质气化技术在近几十年里有了重大的革新和发展。荷兰能源研究中心、瑞典皇家工学院等机构都对生物质原料处理[1-3]进行了研究，其在常压、无氧气氛以及低加热率的条件下对生物质原料进行烘焙处理，温度在200～300℃，生物质原料在经过烘焙之后，更易于破碎且具有更好的流化特性，有效地减少了给料中的能量消耗和故障率，同时一定程度上降低了破碎成本。意大利比萨大学的Biagini.E[4]等人在小型实验台架上进行了无烟煤与生物质的气化特性研究，使用氧气作为气化剂，同时设置较高的加热速率，使用电镜扫描等手段分析生物质在高温气流床中的反应特性，建立数学模型来模拟单一生物质颗粒沿轴向运动及化学反应特性。

国内研究方面，浙江大学的学者在生物质气流床气化方面做了大量研究，赵辉[5]，曹小伟[6]等搭建实验台架对生物质在气流床中的热解及气化特性进行了实验研究，其研究结果表明：反应温度热解气化结果影响最大；在1 300℃、常压工况下，最佳O/B范围为0.2～0.3；温度升高会导致合成气中CH4含量降低；最佳停留时间为1.6 s；通入适量水蒸气可增加产气中H2/CO比值，过量通入水蒸气会降低合成气产率。梅勤峰[7]等进行了不同种类生物质纯氧气化实验研究，研究结果表明，温度升高能有效促进气化过程的碳转化率和冷煤气效率，有利于获得更高品质的燃气。哈尔滨工业大学周劲松[8]、赵义军[9]等进行了稻壳、锯末在不同操作条件下的气化特性实验研究，研究结果表明，气化温度提高有利于提高产气中的CO比例，当量比也是重要的影响因素，当量比过低时气化反应进行不完全，碳转化率和气化效率较低，当量比过大会导致气化产物中H2含量减少，在900℃时，最佳当量比为0.25。

本文介绍了华中科技大学热能利用新技术研究所自行设计的单管气化炉实验系统，对实验装置，实验步骤进行介绍，并简要分析不同运行参数对气化效果的影响。

1 生物质粉末物理特性

实验原料为自华中科技大学附属家具厂购置的锯末粉末，其工业分析和元素分析见表1，原料经干燥、破碎后，用标准筛筛分为粒径60～80目，80～100目，100目以上三组，每次实验时重新装料，并对给料装置进行重新标定。

表1 生物质锯末工业分析及元素分析结果 %

生物质煤粉的低位发热量可以通过门捷列夫经验公式计算[10]，公式如下：

式中：LHVb为生物质原料低位发热量，C、H、O、N分别为元素分析结果中的各元素占比；M为生物质原料中的水分含量经过计算，生物质原料低位发热量为16.63 MJ/kg。

2 实验介绍

2.1 输送系统的设计

自行搭建的生物质气流床气化系统如图1所示，系统由进料装置，气化炉体，加热电炉，合成气后处理系统，气体成分检测系统组成。气化炉由电加热器加热，生物质粉末由螺旋给料装置给出（见图2），和预热后的载气以及蒸汽混合后输送到气化炉内进行气化反应，气化产气以及灰渣从下方离开反应炉，经过旋风除尘，冷却，干燥后用气袋收集，然后通入气体成分分析仪进行成分分析（见图3）。

图1 小型生物质高温气流床气化实验台架

图2 小型生物质高温气流床气化实验台架实物图

图3 气体成分分析仪实物图

2.2 实验步骤

实验时，首先对电炉程序进行设置，设置好加热时间和最终温度，开始加热。同时更换生物质原料，对下料系统进行重新标定，将生物质颗粒进料速率固定为0.18 kg/h，待气化炉加热到指定温度后，通入N2对整个系统进行清洗，排除残余的气体成分和空气，然后打开下料器。热解产物从反应炉底部出口排出，反应产生的固体颗粒成分（主要是焦炭）由底部旋风除尘器收集，需要时进行分析，为确保实验结果的准确性，每个工况完成后需收集灰斗中产物同时对灰斗进行清理。气体产物用气袋收集，待几组实验完成后集中进行测试。

本次实验过程中生物质进料量固定为3 g/min，载气流量为0.5 L/min，为了更好地反映实验反应本身的特性，在实验结果处理的时候产气组分计算只考虑CO2、CO、H2、CH44种气体。

3 生物质快速热解实验

3.1 温度对生物质快速热解产物的影响

热解过程主要是生物质中三大组分的分解，在1 200℃以上高温条件下，三大元素才全部分解，因此温度是生物质热解过程的核心控制因素，研究表明[11]，高温热解有利于产生气态产物及半焦，低温热解有利于产生生物质油等液态产物。

从图4及表2中可以看出，热解产气中CO、H2为主要成分，其占比达到70%左右，H2含量随着温度升高逐渐升高，CO含量随着温度升高逐渐降低，因为高温促进水气转换反应，而高温导致CH4含量逐渐下降，因为温度达到600℃以上时，CH4会分解为炭黑，降低燃气品质，CO和CH4含量的降低也导致了合成气热值的不断下降。表2中还可以看出温度升高使产气率、碳转化率、w（H2）/w（CO）、气化效率不断升高，但高温下的温度提高会大幅增加成本，因此在实际应用时要根据需要选择合适的温度工况。

图4 主要气体产物随温度变化图

表2 60～80目的生物质颗粒在不同温度条件下快速热解评价指标参数

浙江大学陈超[12]等人研究中发现随着温度升高，产品气中CO2含量降低，CO含量升高，与本次实验结果相反，化学反应速率变化受众多因素影响，分析原因可能是原料含水率、含碳量差异，也有可能是因为实验结果工况温度较低，导致气化反应产生过多焦油等副产物，影响结果准确性。

3.2 粒径对生物质快速热解产物的影响

粒径是生物质气流床气化过程的关键因素，粒径的大小会影响颗粒加热速率，在相同的反应条件之下，颗粒粒径越小，受热比表面积越大，升温速率越快，内部结构更容易进行彻底的热分解，析出更多的挥发分物质，同时有利于焦油等进一步裂解产生气体，产品气的生成速率越高，Zanzi.R[13]等的研究表明，较小的颗粒粒度有利于焦炭等产物转化为气体产物。本次实验选用60～80目、80～100目、100目以上三组锯末原料在900℃的条件下进行热解研究，图5为不同粒径实验条件下的生物质快速热解主要气体成分随粒径变化图。

图5 主要气体产物随粒径变化图

从图5及表3可以看出，随着颗粒粒径的减小，H2含量有所增加，产气率有所提升，说明粒径减小有利于生物质热解产气，但其他产物和评价指标随粒径变化不是很明显，原因可能是本次实验所选生物质颗粒粒度变化区间较小，传热传质发生迅速而且彻底，其热解、气化过程主要是由反应动力学参数控制，没有太大差异。

表3 不同粒径生物质颗粒在900℃条件下快速热解实验结果

4 生物质水蒸气气化实验

在生物质气化过程中通入水蒸气能向系统中补充大量的氢源，能有效提高产品气中的H2和烃类化合物的比例，提高产品气的品质，具体反应如下所示[14-15]：

气化反应中，通入的水蒸汽温度比炉温低的多，通入适量的蒸汽，有利于上述反应的进行，但过高的蒸汽量会使炉温下降，阻碍CO2的还原和水蒸汽的分解反应，影响气化过程，因此需选择合适的S/B值。上述已经研究过炉温和粒径的影响，这里主要对不同S/B值工况下的水蒸气气化进行实验，实验温度为900℃，所用生物质颗粒粒径为80～100目。

由图6和表4中数据可以看出，相比于热解过程，水蒸气的加入，使产气中的H2、CO、CO2等气体成分显著增加，CH4成分有所降低，这是由于水蒸气的加入使热解产气与水蒸气发生重整反应，还原反应等，产生CO、CO2等气体，适当的水蒸气的通入能大量提高产气中的H2、CO的占比，提高碳转化率和w（H2）/w（CO），碳转化率在S/B比为1.4时能达到96%，远远高于热解时的结果。但水蒸气的过量通入会导致各项评价指标均开始下降，可能原因是过量的水蒸气会降低炉内的温度，使挥发分析出、焦油裂解、重整反应和还原反应减弱，降低燃气品质。

图6 主要气体产物随S/B值变化图

表4 不同S/B工况下生物质颗粒气化实验结果

5 小结

本文介绍了华中科技大学自行搭建的生物质气流床气化实验系统，并进行了生物质快速热解及水蒸气气化实验的实验研究。重点考察了温度、粒径对生物质气流床快速热解的结果影响和S/B对水蒸气气化结果的影响，实验结果分析如下：

（1）温度是控制生物质气化效果的核心因素，温度升高能有效提高生物质热解产生更多的气体产物，同时提高气化过程中的碳转化率和气化效率，但温度生物对产气热值的提高有负面作用，可能原因是温度升高促进了水气变化反应和甲烷重整反应，降低了产气中的CO和CH4的比例，产生的H2热值较低，无法弥补这部分损失；

（2）颗粒粒径是影响生物质热解的另外一个重要因素，粒径对气化结果的影响实质上也是温度和加热速率对结果影响的证明，生物质颗粒粒径越小，比表面积越大，颗粒升温越快，到达的终温越高，反应进行的越彻底；

（3）水蒸气的加入能有效提高产气中H2、CO的占比，大力提高生物质的碳转化率、气化效率、w（H2）/w（CO）等，但存在一个临界S/B值，超过这个临界值之后，过量的水蒸气会降低炉内的温度，使重整反应和还原反应减弱，降低燃气品质，本次实验中的临界值为S/B=1.4。