煤和生物质共气化过程中物料/能量耦合方式及对产品组成调控规律研究

In pursuit of the maximum conversion efficiency of the mixture feedstocks of coal / biomass co-gasification, the reactor needs to have different reaction temperature / time windows to fit the two materials with the different energy density. Since the coal / biomass co-gasification process takes place in one reactor, two kinds of material must have the energy / elements mutual coupling and interaction during the energy and elements releasing. This coupling process makes the process much more complicated and hard to predict the products compositions accurately. The law of energy coupling and reactor design principle in such double raw materials are still under exploration. This proposal adopts the external-heated bench scale reactor and the internal-heated pilot scale of reactor to study the energy and elements coupling effects on the products compositions, the total carbon conversion and system energy efficiency. With the results of above mentioned, we expect to find the operation, optimization and scale-up rules of such reactors using feedstocks with different energy densities.

煤/生物质原料具有不同的能量密度，在同一反应器中为达到最佳的原料转化效果，需要不同的反应温度/停留时间窗口以适应两种物料。但反应器的唯一性使得两种物料在反应过程存在能量/元素的相互耦合并交互影响，导致自热式反应器内温度、元素转化率、产品组成并非简单的由二种物料经加权平均而来，由于能量密度不同而产生的能量耦合规律和相应的反应器设计方法目前仍在探索。本项目利用实验室规模的外热式反应器和中试规模的自热式反应器在能量耦合过程中的不同表现，通过不同能量密度物料的相互耦合过程对产品组成、总碳转化率、系统能量效率的影响进行对比研究，希望找出能量密度不同的物料混合对反应器温度、产品组成和系统效率间的递归影响规律，进一步得到能量耦合的调控方式以及实现系统效率最大化的原理，为该类反应过程的优化设计和反应器放大提供指导。

煤/生物质共气化一方面可以降低化石燃料的使用比例，减少CO2排放，另外一方面又可以利用生物质中赋存的水及碱金属，提高煤气化反应的速率，降低气化剂蒸汽耗量，而且还可以利用煤气化的高温提高生物质的转化效率，实现两种资源的可持续利用。但两种物料由于能量密度不同，使得在同一反应器内存在温度和反应窗口的不匹配，混合原料（煤和生物质）由于能量特性不同而影响到反应中能量/元素方面匹配。本项目利用实验和计算相结合的方法，通过对实验室规模外热反应器上不同气氛、进入位置/温度/时间窗口、以及不同操作环境对共气化反应器运行状况、产物组成等研究，得到共气化反应器内物料在反应器内的停留时间、浓度分布等参数，为共气化反应器的优化提供指导；在此基础上，利用数值模拟方法对自热式的共气化过程进行模拟计算，得到能量密度不同对原料-温度-反应之间的递归影响规律。外热式反应器上的研究结果表明，煤/生物质共气化过程中，当生物质进入反应器氧化环境中并和煤共气化时，生物质原料的燃烧使得共气化产品中的H2和CO含量分别由40.41%、36.39%下降到34.94%、30.05%；若生物质进入反应器中还原区中（反应区域只有生物质和水），生物质的介入使得煤气化产品中的H2和CO含量分别由40.41%、36.39%增加到45.35%、38.83%；当添加的生物质与煤的混合原料一起加入反应器，但生物质处在一个还原反应的区域（反应区域有煤、水和二氧化碳），混合物料气化产品气中H2和CO含量会随着生物质添加比例的增加而增大，CO2含量则随生物质添加比例的增加而降低；此外，随着还原区中水/碳比的增加，产气中H2含量增加，CO和CO2的含量降低；提高还原区的温度，则会提高产气中CO和H2的含量，降低了产气中CO2的含量；计算结果表明，生物质取代部分煤和煤进行共气化，无论添加方式如何，均会降低共气化反应器的温度，而且生物质参与气化的份额越大，产气中H2和CO含量升高、CO2含量降低。