生物质的等离子体气化研究

生物质的等离子体气化研究

1．前言

随着化石燃料大量利用带来的严重环境问题，世界各国研究者都在积极寻求开发新的替代能源。作为一种可再生能源，生物质不仅储量丰富，而且可实现CO2零排放，其应用能够大大减轻温室效应和环境污染而颇受关注。目前国内外有关生物质的高效能源利用研究通过热解气化技术来供热、发电和热电联供，该技术应用推广面临的主要问题是燃气热值较低，气化过程产生的焦油较多，造成燃气净化困难，并导致二次环境污染。由于碳化学合成技术的迅速发展，使合成气在制造石油化工化学产品具有广泛而重要的工业用途。在生物质气化过程中彻底消除焦油，同时提高热解气化的气体品位获得化学合成气，来合成新的液体燃料，是生物质能源高效洁净利用新的途径。

利用热等离子体技术进行生物质热转化利用，是一项完全不同于常规热解气化的新工艺。由于热等离子体能够提供一个高温、高能量的反应环境，不仅可大幅度提高反应速率，而且产生常温下不可能发生的化学反应。生物质中的高挥发份含量和氧含量，非常利于进行快速高温热解反应和化学合成气（CO+H2）的生成。另外生物质原料中的低 N、S含量和等离子体气化气体中低含量的CO2、CH4等杂质，也大大降低了气体精制费用。

目前等离子体热解气化的研究工作大多是针对煤的洁净转化和危险废弃物热处理开展的，利用等离子体技术进行煤的热解制取乙炔或通过气化获得化学合成气，加拿大、前苏联、波兰等国家在此方面研究颇多。国内有关的生物质热解气化研究大多是在中温(600—1000℃)热解气化方面制取可燃气，而在高温（>2000℃)、高升温速率（>10 3℃/3）条件下生物质快速热解气化制取化学合成气尚未见报道。在等离子体热解气化系统中，发生器的输入功率对反应器温度有明显的影响，而热解气化反应正需要足够的能量来完成相应的热化学转化，因此本文将开展生物质在氮气等离子体热解与气化研究，着重输入功率、水蒸气流量变化时，在等离子体反应器中的生物质热解气化转化率、气体产率及组成和固体残焦组成变化，为生物质的等离子体热解气化工艺提供相应的理论依据。

2.实验装置与方法

本实验装置主要包括等离子体发生器控制系统、螺旋进料器控制系统、气化反应器系统、水蒸气发生器、气体净化系统和取样分析系统等，如图1所示：

1．钢瓶 2．等离于体发生器控制系统 3．反应器 4．螺旋进料控制系统 5．料斗 6．气体取样系统 7．灰室 8．旋风分离器 9．过滤器 10．水洗槽 11．循环水冷却系统 12．U型管测压系统 13．电热水蒸气发生器

实验前首先启动电热水蒸气发生器，待其运行稳定时，调整水蒸气流量至实验设定值．用氮气先吹扫气化反应器几分钟，打开冷却水系统、工作电源和工作气体，设定实验所需的螺旋进料器的转速和运行时间。启动等离子体发生器系统进行反应器预热，系统运行稳定后，启动螺旋进料器，打开水蒸气调节问，调节载气流量，使通过螺旋进料器的物料喷人等离子体反应器内的电弧中进行快速气化，产生的气化气体依次经过冷却、旋风分离器、过滤和水洗系统后排空。实验过程中从反应器取出一定量的气体经过水洗、

干燥后进人气相色谱分析。收集实验中产生的固体残渣进行相应的分析测试。

本实验选用生物质（杉木粉，颗粒粒度：22—60目）为原料（实验前必须先干燥），其工业分析和元素分析数据见表1。（注：O含量由差减法得到） 采用岛津GC－208分析仪进行分析热解气化产生的气体中HZ、CO、COZ、CH4、CZH6、CH4、C2H2 等，其检测系统为热导池（TCD）检测器。（注：以下实验数据中的气体组分体积均已扣除氮气组分）。 表1原料的工业分析与元素分析 工业分析（wt%） 元素分析（wt%） 热值（KJ/Kg） 挥发份 固定碳 灰份 C H O N S 杉木 87.31 11.60 1.09 48.81 7.24 42.26 0.23 0.37 18619.25 等离子体反应器工作参数：工作气体N2 主气流量 3.om3/h 副气流量2.om3/h 载气 N2 载气流量 2.0 m3/h 工作压力 常压工作电流 120A—220A 工作电压240V

螺旋进料器进料速率35g/min

水蒸气发生器流量 0．6～2．ZKg/h

（注：直流电弧等离子体发生器工作气体与进料所用的载气均为工业用氮气）

3．实验结果与分析

3．1生物质等离子体热解研究 生物质热解气化是一个非常复杂的热化学转化过程，主要包括高温下挥发份的析出和分解以及固定碳的气化反应，其中热解是生物质气化过程中的重要步骤。反应温度对生物质热解气化的产物分布及组龈决定性的作用，而等离子体输人功率对反应器的温度场分布影响最为明显，因此本实验将着重考察生物质在不同输人功率下的等离于体热解变化情况。保持进料速率(35g/min)、物料颗粒粒度（20—60目）不变的条件下，改变等离于体发生器的输人功率，考察其对杉木粉在氮气等离于体形成的高温反应器内的快速热解气体产物组成、气体产率与HZ/CO比率、气体热值与碳气相转化率和固体残渣组分的影响，相应的实验结果分别见图2（a）．一（d）。

从图2（a）中可看出：在杉木粉的等离子体热解反应中，热解产物由气体和固体残焦组成，无焦油出现。H2和CO是气体产物的主要成分，占气体总体积的90％以上，由于高温裂解导致少量的CZHZ、C2H4等不饱和烃存在。随着等离子体反应器的输入功率增加，HZ和 CO的含量之和可高达 98％，H2/CO比率保持在 0．85以上。气体产率在1.3L/g以上，远高于传统热解的体积471．88ml/g（热解温度950℃），见图2(b)。当输人功率从26.4KW增加到48.4KW时，图2（c）表明：热解反应中碳的气相转化率增加不多（89％左右），而气体热值却由 13973．56 KJ/Nm3降低至 12326．58KJ/Nm3。由于高温热分解时原料中的挥发份析出比较完全，促使其中的H、O含量大大降低，固体残焦产物分析结果（图2（d））：在输人功率为48.4KW时，H/C O/C分别为0．04和0．02（表1中原料杉木粉的H/C、O/C（摩尔比）分别为 1．78和 0．65），固体残焦的灰分含量基本在12％左右。相对于常规慢速热解反应，固体残焦结构基本保持不变，而在等离子体热解反应中，由于高温快速热分解反应的剧烈进行，导致残焦的形貌发生则明显变化，原有结构彻底破坏，颗粒粒度也大大减小，见图 3（a）（b）。

3．2生物质等离子体水蒸气气化研究

生物质气化过程的另一重要阶段是固定碳的气化反应。从上述等离子体热解结果可知：气体产物中CO2含量很低，H2/CO比率不高。为此，在等离子体热解的同时引入

气化剂水蒸气，来调整化学合成气的比率和促进碳的转化。保持进料速率（35g/min）、物料颗粒粒度（20－60目）、输入功率（35.2KW）不变的条件下，输人不同流量的水蒸气，分析其对杉木粉等离子体气化的产物及组成的影响，图4（a）一（d）是相应的实验结果。

不同于热解反应，水蒸气的引入，气化反应的进行导致气体产物中H2含量增加，而CO 含量逐渐下降，co2含量稍有增加，其它气体含量仍保持很低，其反应机理如下： C＋H2O->CO＋H2（1） CO+H2O->CO2+H2（2） 由图4（a）和（b）可知：增加水蒸气流量，气体产物中H2和CO的含量之和保持在95 ％左右，而 H2/CO比率增加，可达到1.15，气体产率也一直增加，相对比于等离子体反应器内无水蒸气存在时，气体产率增加约 46％，高达 2.0L/g。图 4（c）表明：等离子体气化反应中，碳的气相转化率可高达100％，实现碳的完全转化，但气体的热值有所降低。气化反应的进行促使固体残焦中的灰分含量明显增加，当水蒸气流量为 2.12g/g C时，相应的灰分含量可达51.07％（图4（d））．

4．结论

（1）等离子体热解产物由固体残渣和气体组成，无焦油存在。气体中主要以化学合成气（H2 和CO）为主，输入功率的增加，H2和CO的含量之和可高达98％，H2/CO比率保持在0．85 以上，而气体热值逐渐降低。

（2）在等离于体气化过程，提高水蒸气流量，H2和 CO含量之和均在 96％以上，且 H2/CO 比率增加至 0．90～1.15之间，气体产率达到 2.2L/g，碳的高转化率促固体残焦中的灰分含量明显增加。