燃煤机组耦合农林生物质发电技术现状及展望

燃煤机组耦合生物质发电具有改造成本低、调峰灵活、运行安全等特点,是双碳形势下火电机组减少碳排放,提高可再生能源发电比例的有效途径。目前,我国燃煤机组耦合生物质发电技术的应用非常有限。为进一步发挥生物质等清洁零碳的可再生能源在我国新型电力系统中的作用,同时利用燃煤机组灵活可调度的优势,详细调研了我国生物质资源现状、燃煤机组和生物质的耦合方式、国内外典型燃煤机组耦合生物质发电项目的运行情况。指出我国生物质尤其是农林废弃物存在较大资源浪费,燃煤机组耦合生物质发电技术在国外尤其是欧洲国家已得到大规模应用,国内目前尚未应用于大型机组。梳理了燃煤机组直燃耦合生物质发电技术目前面临的挑战,主要包括稳定低成本的生物质原料供应和加工流程尚未形成、高比例掺烧缺乏成熟技术、受热面沾污腐蚀问题亟待解决、掺烧时生物质发电量的计量尚未形成标准等。为提高大型燃煤机组灵活性、降低CO₂排放量,未来需在以下几方面做出努力：通过在电厂周边或边际土地上种植某些能源作物保证生物质原料的相对单一性和稳定性,避免原料性质变化太大对机组运行的影响;发展高比例生物质耦合发电技术,保证煤与生物质掺混比例灵活可调;...     

3000kW生物质锥形流化床气化发电系统 工程设计及应用

本文主要论述了自主研发的3000 kW生物质锥形流化床气化发电机组工程,对气化发电系统的工艺过程、设备设计要点及系统运行情况分别进行了阐述。研究设计的气化发电系统工程运行结果表明锥形流化床气化炉操作弹性大,分布锥结构很好地改善了气体分布状况,最佳气化温度为710～740℃。系统运行数据表明:生物质耗量为1.77 kg/kWh,每公斤稻壳产气为1.62 Nm³,系统总效率为15%,发电机转化效率25%。     

3000kW生物质锥形流化床气化发电系统工程设计及应用

本文主要论述了自主研发的3000kW生物质锥形流化床气化发电机组工程，对气化发电系统的工艺过程、设备设计要点及系统运行情况分别进行了阐述。研究设计的气化发电系统工程运行结果表明锥形流化床气化炉操作弹性大，分布锥结构很好地改善了气体分布状况，最佳气化温度为710—740℃。系统运行数据表明：生物质耗量为1．77kg／kWh，每公斤稻壳产气为1．62Nm^2，系统总效率为15％，发电机转化效率25％。     

首个国家级燃煤耦合生物质项目全面施工

正日前,由哈电锅炉总承包的大唐长山热电厂燃煤耦合生物质发电国家首台示范项目第一支混凝土桩开始试压,标志着该项目正式步入全面施工阶段。据了解,大唐长山热电厂燃煤耦合生物质气化发电项目位于吉林省长山镇,该工程将在1号机组现有场地建设1台发电功率为20MW等级的生物质气化发电项目,采用循环流化床微正压气化技术     

整体式新型生物质气化催化反应器的实验研究

在现有生物质气化反应器及焦油处理方法的基础上,开发出一种整体式新型生物质气化催化反应器,并对该反应器进行相关的实验研究。实验研究结果表明:当木粉进料速率为6.48 g/min,空燃比RE为0.23,气化温度在500—670℃,这种整体式新型生物质气化催化反应器内有、无催化剂时对木粉气化产生的燃气中焦油的含量以及气体组分有明显影响;当采用钴与氧化钴的质量分数为20%,氧化钙的质量分数为80%的钴基催化剂作为焦油裂解催化剂,裂解温度为800℃,标态下体积空时为1.8 s的情况下,燃气中夹带的焦油可完全被催化裂解,同时燃气中的气体成分氢体积分数可从无催化剂时的15%提高到有催化剂时的35%,净提高20%。同时也对使用前后的钴基催化剂进行了XRD表征分析,发现氧化钙在生物质气化过程中具有一定的CO2捕集能力。     

660 MWe机组煤粉炉耦合生物质气燃烧污染物排放分析

为分析煤粉炉掺烧生物质气对耦合锅炉运行性能的影响，基于660 MWe燃煤锅炉和30 t/h生物质气化炉，搭建生物质气化耦合燃煤锅炉系统模型。在额定工况下，选取松木、木屑、污泥3种生物质，研究气化过程；并将最佳气化条件下得到的生物质气引入锅炉进行混合燃烧，研究不同生物质气对锅炉运行及燃烧产物的影响规律。结果表明，生物质气化热效率在最佳空燃比下均可达90%以上。与纯煤燃烧工况相比，耦合工况的炉膛燃烧温度均有所下降，最高下降9.43℃;生物质气掺烧使锅炉效率略下降，而耦合系统的生物质利用效率均可达84%以上；且耦合燃烧减少了CO₂排放量，其中松木气掺烧时CO₂减排量最大，为2.62×10⁵ t/a。耦合系统中NO_x生成量与炉膛燃烧温度和生物质气中CH₄含量明显相关，其中木屑气耦合燃烧生成的NO_x质量浓度下降最多，为167.16 mg/m³;而SO_x生成与生物质成分密切相关，其中松木气耦合燃烧生成的SO_x     

日本开发生物质高效气化工艺用催化剂

日本筑波大学开发了可用于生物质高效低温气化工艺的新型催化剂,所得到的无焦油气体可用于燃气透平发电,或作为合成气以生产甲醇、二甲醚及液体燃料。据称,生物质通常通过部分氧化气化,无需采用催化剂,反应温度为900～1400℃,具体温度取决于氧化剂是空气还是氧气。传统工艺的缺点是不仅必须高温,而且生成大量焦油和焦炭。采用催化剂的工艺虽然可以减少焦油,但仍需要高温操作来     

流化床作为生物质气化反应器试验研究

在流化床生物质气化炉内 ,用空气进行气化生物质 (花生壳 )的试验研究 ,分析的参数是当量比ER 0 .2— 0 .4 5 ,气化床的温度 75 0— 85 0℃和加入二次风。当ER在 0 .2 5— 0 .33,气化燃气热值为 6 .2— 6 .8MJ/m3 ,气体产量在 2 6 0— 390m3 /h ,生物质燃烧时比气化产量在 1.2 8— 2 .0 3m3 /kg之间 ,炭转化率在 5 3%— 80 %。并对 7种农、林废弃物进行了初步气化试验研究 ,生成的燃气体积分数 :CO为 14 %— 18% ,H2 一般低于 6 % ,甲烷 4 %— 12 %。燃气热值在 4 70 0— 710 0kJ/m3 。试验结果表明 ,在流化床生物质气化炉中 ,通过在悬浮空间加入二次风 ,可使燃气热值得到提高。     

生物质高温水蒸气气化制备富氢燃气的研究

以木屑和稻壳为原料,在固定床反应器中进行生物质高温水蒸气气化制备富氢燃气的探索研究,以获得较高的产氢率。建立了一套集加热、反应、冷凝和气体检测于一体的生物质热解气化实验系统,详细介绍了高温固定床反应器、     

双流化床生物质气化的三维全循环数值模拟

基于多相质点网格方法 (multi-phase particle-in-cell,MP-PIC)对工业尺度的双流化床生物质气化过程进行了三维全循环数值模拟。其中,在拉格朗日框架下求解颗粒团运动,采用大涡模拟法(large-eddy simulation, LES)求解气相湍流,同时考虑复杂的气固耦合以及生物质的热解、气化、均相/异相反应。首先,通过独立性检验确定了计算所需的最佳网格数与计算颗粒数,且模拟结果和实验结果对比良好。其次,揭示了流化床内生物质气化过程中的气固流动特性及气体组分分布规律,研究了床内温度、生物质粒径、曳力模型等因素对产物气体组分分布的影响。结果表明:温度升高,出口处的CO摩尔分数增加,而其余组分都减小;较小生物质粒径的气化效果要优于较大的生物质颗粒粒径;曳力模型对各产物气体组分的摩尔分数几乎无影响。     

木屑炭水蒸气气化制备合成气

以木屑炭为原料,在上吸式固定床气化炉中进行水蒸气气化制备合成气,考察了温度和水蒸气流量对木屑炭水蒸气气化的产物分布、炭转化率、产气率、组成含量和H₂/CO值的影响。结果表明：升高温度有助于木屑炭气化,炭转化率和产气率分别在950 ℃下达到最大值99.2%和4.16 L/g,但温度升高会导致H₂从65.8%降至61.2%,同时H₂/CO也呈下降趋势,从10.3降至3.35;水蒸气流量的增加可提升H₂,从59.8%升至62%,但流量升至0.6 g/min时气化结果趋于稳定。水蒸气气化的最佳操作条件为900 ℃,水蒸气流量0.6 g/min,此条件下炭转化率、产气率和热值分别达到93.3%、4.06 L/g和9.04 MJ/m³,H₂/CO值为4.11,适合于合成甲烷。     

松木成型燃料水蒸气气化反应特性

采用自制蒸气气化炉试验系统,以废弃松木屑为原料制作成型颗粒燃料,采用高温水蒸气气化,考察不同气化温度及气料比（S/B）对生物质水蒸气气化反应的影响,利用XRD射线衍射和傅里叶红外图谱分别分析生物质反应残留物及气化焦油,反应残留物的比表面积及空隙特性由BET多点法和BJH法测得。结果表明,蒸汽流量和反应温度有利于促进蒸汽重整、碳还原、CO的变换反应,当S/B由0.5增加到1.5时,温度为900℃,H₂体积分数由52.32%增长到67.3%;随温度升高（750~950℃,S/B=1）,松木颗粒的失重率由82.91%升高到91.27%,其微孔结构充分发展,平均孔直径由20.96 nm降低到3.76 nm,焦油中脂肪烃含量增加,芳香烃因发生开环反应使其含量降低,有益于降低气化气中焦油含量。     

羧酸改性HKUST-1提高甲烷吸附容量

为提高吸附材料对甲烷的吸附容量,采用溶剂热法合成了金属有机骨架材料HKUST-1,并进行了改性研究。HKUST-1的优化合成工艺条件为：原料摩尔比n（Cu（NO₃）₂·3H₂O）：n（H₃BTC）：n（DMF）：n（C₂H₅OH）：n（H₂O）=1.7：1：46：60：100,晶化温度为80℃,晶化时间24 h。合成HKUST-1在25℃、3.5 MPa下的甲烷吸附容量为11.9 mmol/g。乙酸改性HKUST-1可以提高甲烷吸附容量,当反应母液中V_HAc/V_solvent=5.8%时,合成HAc-HK-1（5.8%）的甲烷吸附容量达到12.6 mmol/g。分子模拟结果表明,加入乙酸可以调控HKUST-1晶体孔道结构,增大比表面积和孔容,提高甲烷吸附容量。     

煤焦在气化合成气中高温气化反应特性

在固定床管式炉反应器中进行了煤焦在H₂O、CO₂、H₂和CO混合气氛中气化特性的实验研究,考察了反应温度、原料气组成和加煤量对产物气组成以及碳转化率的影响。实验结果表明,在各实验条件下,合成气与煤焦反应后CO流量均增加最多,H₂少量增加。煤焦与CO₂的反应受到明显抑制。混合气体通过与煤焦反应可以提高有效气（CO+H₂）的含量,实验条件下反应出口气体中有效气浓度比反应结束时最多提高3.3个百分点。反应速率受气化剂之间的竞争和气化产物的抑制作用较为明显,在1100℃和1300℃时,煤焦在相同气化剂流量的合成气中的最高反应速率分别只有在纯气化剂（水蒸气或CO₂）中最高反应速率的49%和69%。受到多种气体组分之间的相互影响,气体在孔道里的扩散和吸附对反应影响更加显著,随机孔模型可以较好地拟合此类反应,而不考虑孔结构的均相模型和缩芯模型拟合度较差。     

2~5 nm孔集中分布泥炭基中孔活性炭的制备

将泥炭破碎、粉磨、浸渍磷酸后,压块成型、再破碎,置于管式炉经不同活化温度、活化时间制得活性炭。对浸渍磷酸后的泥炭样品在氮气下进行热重分析;测定活性炭样品的碘吸附值、亚甲蓝吸附值和焦糖脱色率,利用气体吸附仪、激光拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜分别表征其孔结构、碳结构、表面化学和微观形貌。结果表明：泥炭在磷酸活化过程中发生了交联反应,炭化/活化最大失重温度从300℃附近降低至200℃附近;随着磷酸浸渍比和活化温度的升高,活性炭中的无规则石墨层增多、羟基含量减少;磷酸浸渍比增加时,孔隙逐渐发达、吸附性能增强、2~5 nm孔段孔容增大;活化温度升高时,孔隙先收缩(400~550℃)后发生破坏(600℃)、吸附性能下降、2~5 nm孔段孔容减小;随着活化时间延长,活性炭的羟基含量先大幅减小(120~150 min)后无规律变化,孔隙先扩大(120~180 min)后收缩(>180 min),吸附性能>180 min后迅速下降,碳结构和2~5 nm孔段孔容无显著变化。在磷酸浸渍比1.5、活化温度500℃、活化时间180 min条件下,制得活性炭的比表面积为678.52m²·g^-1,2~5 nm孔段的孔容达0.1475 cm³·g^-1、占总孔容比率为31.04%、占中孔容比率为70.24%。     

高温烟气中煤焦气化行为

针对高温烟气中煤焦的气化行为,本文采用FactSage 6.1计算了煤焦在高温烟气下的高温反应特性,并利用热重分析仪分析了煤焦气化行为。通过沉降炉实验进一步研究了不同温度、气体配比、粒径条件下气体产物的动态析出特性,同时计算了评价指标α、β、LHV值。结果表明：随着温度的升高,气体产物H₂和CO的含量增加,β、α、LHV值增大,CH₄和CO₂的含量下降。在温度为1200℃时,β、α值分别由CO₂/CO比为10∶70时的10.80%、5.21%增加到CO₂/CO比为50∶30时的24.71%、41.06%。同时,随着CO₂/CO比值的增大,高温烟气对煤焦气化反应抑制减弱。通过对比反应温度和粒径对煤焦气化反应的影响,得出反应温度远大于粒径对煤焦气化反应的影响。通过实验验证了向高温烟气中喷吹煤焦制备高品质可燃气体方法的可行性。     

Ce-Cu-Al-O复合金属氧化物吸附剂低温脱除H2S

用共沉淀法制备了一系列Ce-Cu-Al-O复合金属氧化物吸附剂,用于低温下脱除CO₂气体中的微量H₂S。采用XRD、N₂物理吸附、SEM及XPS等手段对脱硫前后的吸附剂结构进行表征。研究了Ce含量、煅烧温度、气体空速、杂质气体及吸附温度对吸附剂脱除H₂S性能的影响。结果表明,Ce-Cu-Al-O系列吸附剂在40℃条件下可有效脱除CO₂气体中的H₂S,Ce含量为10%的吸附剂（10Ce-Cu-Al-O）具有最大H₂S穿透吸附量,为94.1mg/g。研究发现,引入CeO₂能有效改善CuO的分散性,提高吸附剂的比表面积和孔容。提高煅烧温度,较大空速均不利于吸附剂的脱硫效果;平衡气CO₂会抑制H₂S的吸附;吸附温度不高于100℃时,10Ce-Cu-Al-O的穿透吸附量随温度升高而增加且不会生成COS副产物。表征结果显示,硫化后吸附剂的组分团聚导致了比表面积和孔容降低。此外,失活后的脱硫剂可在100℃用空气再生。     

H2O/O2气氛下胜利褐煤气化半焦的孔隙特性

采用实验室气流床反应器, 在H₂O、O₂及其混合气氛, 900℃条件下进行了胜利褐煤气化实验, 研究了气化半焦的孔隙结构特征。结果表明, 在所有气氛下, 半焦的吸附等温线均属于第II类型, 吸附回线为H3型, 褐煤气化半焦具有连续的较完整的孔体系, 孔隙结构类似。反应气氛影响气化半焦的孔径分布, 半焦中的大孔在3种气氛下均较少, 中孔从多到少的顺序是:H₂O > O₂ > H₂O+1%O₂, 微孔与之相反。在水蒸气气氛下, 随水蒸气浓度增加, 半焦的比表面积先增大后趋于稳定。添加1%O₂后, 比表面积提升30多倍。低浓度O₂气氛下, 随O₂浓度的增加, 比表面积呈线性增长。褐煤转化率与微孔容积和总孔容积的比值以及比表面积的关系式为X=0.196(V_m/V)+45.651, X=0.037S+48.066。     

硼碳氮多孔材料的制备及其吸附再生性能研究

硼碳氮(BCN)多孔材料因其具有高的比表面积、优异的化学稳定性而被认为是一种优异的吸附材料。本文以废弃椰壳、硼酸(H₃BO₃)和尿素(CO(NH₂)₂)为原料,采用冷冻干燥法制备多孔生胚,并在NH₃气氛下通过高温固相反应法在不同的反应温度下合成BCN多孔材料。结果表明,随着反应温度的升高,BCN多孔材料孔径逐渐变大,当反应温度为950 ℃时平均孔径为2.1 nm。将BCN多孔材料用于吸附水中孔雀石绿(MG)有机染料,其最大吸附量可达1 239.8 mg·g^-1,5次循环再生后吸附量平均值仍高达1 138.6 mg·g^-1,说明BCN多孔材料具有优异的循环吸附性能。采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型、准一级和准二级吸附动力学模型研究了浓度、吸附时间和平衡吸附量之间的关系。结果表明,BCN多孔材料的吸附与准二级吸附动力学模型吻合,其对MG的吸附属于均匀表面单层分子的Langmuir等温吸附。BCN多孔材料展现出优异的吸附能力,是一种非常有应用前景的新型吸附剂。     

钙基吸附剂循环吸附性能对增强式生物质气化制氢的影响研究

钙基吸附剂循环CO₂吸附性能对增强式生物质气化连续高效制氢起重要作用。采用将CaO颗粒分散在惰性载体中的方法并结合挤压成型技术制备了合成吸附剂颗粒。为了筛选循环吸附性能较好的吸附剂,在热重分析仪上进行了循环吸附性能测试。基于热重测试结果开展了吸附剂循环利用条件下的增强式生物质气化制氢实验。结果表明：添加惰性载体能延缓CaO烧结,提高吸附剂的循环吸附能力;挤压成型过程会破坏吸附剂原有孔隙结构,导致吸附剂颗粒吸附性能不同程度降低,其中CaSi75p、CaAl75p和CaY75p三种吸附剂循环性能较好;添加以上三种吸附剂颗粒均可显著提高生物质气化合成气中H₂浓度及产率,5次循环过程中气体成分和产率变化不大,表明吸附剂循环吸附能力和稳定性较好。