您好,欢迎来到知库网。
搜索
您的当前位置:首页石油焦对生物质气化中焦油裂解的影响

石油焦对生物质气化中焦油裂解的影响

来源:知库网
第61卷第9期 化工 学报 Vol_61 No.9 September 2010 2010年9月 CIESC Journal 石油焦对生物质气化中焦油裂解的影响 柳 宇,许桂英,宋健斐,吴桂英,孙国刚 (中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室,北京102249) 关键词:气化;生物质;酒糟;石油焦;焦油 中图分类号:TK 6 文献标识码:A 文章编号:0438—1157(2010)09—2494—05 Effect of petroleum coke on tar cracking in biomass gasi fication process LIU Yu。XU Guiying,SONG Jianfei。WU Guiying,SUN Guogang (State Key Laboratory 0l『Heavy Oil Processing,China University of Petroleum,Beijing 102249,China) Abstract:To explore an effective method for reducing tar yield in biomass gasification,effects of petroleum coke on tar cracking during the gasification process of lees were examined.The influences of petroleum coke feeding mode and particle size,water content in lees were tested in an electrically heated fixed bed tubular reactor at 700℃under atmospheric pressure.Results show that the petroleum coke obviously affects the tar cracking in biomass gasification.Entering petroleum coke before lees into the reactor and using small petroleum coke particles are favorable for the tar cracking.The water content in lees also promotes the tar cracking and the yields of H2 and CO,however has little impact on the productions of CH4.The results are helpful tO the research and development of the new co—gasification process of high water content biomass and petroleum coke. Key words:gasification;biomass;lees;petroleum coke;tar —L 除焦油的方法多为催化裂解法,以白云石和镍基催 口 化剂最为常用 ],虽然它们都有较高的焦油裂解 率,但存在磨损、失活、成本较高等问题。王磊 等[93和许桂英等 叩分别使用木炭和生物质半焦催 生物质作为一种清洁可再生能源正在受到世界 各国的重视。生物质气化是生物质高品位利用的一 种主要技术,但在气化过程中产生的焦油对装置的 长周期平稳运行有严重危害,一方面低温时焦油易 化裂解焦油,其成本较低且裂解焦油效果较好,但 木炭和半焦需要专门制备,本身也会参与气化反 应,气化过程中需不断添加。石油焦是炼厂焦化装 凝结为黏稠的液体,与灰粒一起堵塞输气管道;另 一方面焦油的存在还会降低气化效率|1 6,这在一 置的副产物,是重质油经高温(约500℃)热裂解 和缩合反应而成,其颗粒和生物质半焦一样具有多 孔隙结构[11 13],主要元素为碳,占8O (质量) 定程度上影响了生物质气化技术的推广应用,因此 有必要采取措施降低气化气中的焦油量。目前,去 2010 O4 28收到初稿,201O一06—11收到修改稿。 联系人:孙国刚。第一作者:柳宇(1985),男,硕士研 究生。 Received date:2010…04 28. Corresponding author:Prof.SUN Guogang,ggsunbj@163 com 基金项目:国家自然科学基金项目(20776158)。 Foundation item:supported hy the National Natural Science Foundation of China(207761 58). 第9期 柳宇等:石油焦对生物质气化中焦油裂解的影响 ・2495 ・ 以上,其余为H、O、N、S和金属元素u ;也存 在用于生物质气化焦油裂解的可行性,但国内外尚 未见相关的研究报道。此外,石油焦量大易得、价 砂床料,高度60 I1"1i3"1;再在加料斗中装一定量的 反应物。然后通氮气将反应器内空气排净;以25~ 3O℃・min 加热速率电加热反应器至指定温度, 格便宜、热值高,可在气化过程中燃烧供热,在高 水分生物质气化中可弥补反应过程中总热量的不 足,且不会影响石油焦的最终利用价值。基于上述 考虑,本文在实验室自制的气化反应装置上,采用 酒糟为生物质原料,研究石油焦对酒糟气化中焦油 裂解效果的影响。 将通入反应器中的氮气切换为氮气和氧气的t昆合气 之后,打开加料斗阀门,使反应物料快速落入反应 器中热石英砂颗粒表面进行气化反应并记录反应时 间。气化生成气由上部排气口排出,经恒温冷凝器 冷凝、丙酮/水洗、纤维过滤器过滤、硅胶干燥后 一部分由气袋收集,送气相色谱离线分析,另一部 只通氮气置换反应器内残余气化气、冷却反应器, l 实验部分 1.1 实验原料 分通过旁路点燃排空。待反应结束,关闭氧气阀, 最后取出冷却的反应器,称量固体床料增重并筛出 气化后反应物焦渣以计算半焦量。再将冷凝器和有 冷凝物的连接管用丙酮清洗,收集清洗液和洗气瓶 实验用生物质选用北京昌平区某酒厂酒糟,粒 径1.25~2.5 lnm,石油焦为石家庄炼油厂延迟焦 化装置生产。酒糟和石油焦的元素分析及工业分析 见表1。 中的丙酮溶液,在40℃的旋转蒸发仪中进行分馏, 称量收集的焦油量与纤维过滤器实验前后的增量, 两者相加即为本次气化实验所产生的总焦油量。同 一1.2实验装置与方法 图1为实验装置示意图,主要包括进气系统、 条件下的实验重复一次,结果取两次实验的平均 加料系统、高温反应器系统和离线检测系统。实验 用反应器反应部分内径50 Film,总高约1 m。实验 时,首先在反应器内放人0.18~0.25 mm的石英 值。本文所有实验的气化温度均固定为700℃,载 气均为氮气[含4 (体积)的氧气],总流量3 L・min 。实验中酒糟、石油焦加料量均固定为5 g。 表1 石油焦和干酒糟的工业分析与元素分析 Table 1 Proximate and ultimate analysis of dried lees and petroleum coke 图1生物质气化流程图 Fig.1 Process flow diagram of biomass gasification 1--nitrogen bottle;2--oxygen bottle;3,4一一mass flow controller;5 furnace;6--thermocouple;7 reactor; 8 PID temperature controller;9一cotton wool filter;1o,11,12 ice/water condensers;13,14,1 5 impinger bottles 1 6,1 7 drying bottles;1 8 wet volume gas meter;1 9 gasbag;20一gas chromatography ・2496・ 化工 学报 第61卷 每次反应时间固定为30 min。除在考察水分影响 的实验中使用含水酒糟外其余实验中均用无水 酒糟。 1.3数据处理 焦油产率y 定义为 y 一而W O×100 (1) 石油焦对生物质(酒糟)气化中焦油的裂解率 的定义为 c一—W 0 --Wl×100 (2) 一— ~ 0 ( y 0 式中 M为加入反应器的生物质原料质量,g; y 为气化过程中焦油产率, ;C为共气化过程中 焦油裂解率, ;W。为不添加石油焦气化时的产 焦油质量,g;W 为添加石油焦气化时的产焦油 质量,g。 2 实验结果与讨论 2.1 酒糟、石油焦单独气化的产物分布 表2是酒糟和石油焦分别在7oo ̄C条件下单独 进行实验得到的产物分布。表中的气液固产物产率 均采用两次实验的平均值。由表2可见,实验前后 物料基本平衡,产物收率可达98 。该数据还表 明,在本实验条件下,石油焦不产生焦油等液体产 物,只有酒糟在气化过程中有焦油生成,故在焦油 产率计算时原料只取加入反应的酒糟质量。石油焦 产生的气体主要为缺氧燃烧生成的CO和CO。。图 2是酒糟和石油焦单独气化的产物组成及分布。 表2实验过程物料衡算 Table 2 Product yields of various fuels/%(mass) 2.2反应时间对气体产物的影响 将酒糟与石油焦混合均匀后加入反应器。石油 焦的粒径为0。9~1.25 mm。图3为气化气体产物 产率随反应时间的变化情况。由图可见,除CO 外,物料加入气化器后,cO、H:、CH 的产率迅 速增加,达到一最大值后快速下降,在15 min左 右,H 、CH 便基本上释放完毕,因此可以认为 此时酒糟的气化反应已经完成,可将完全反应所需 的时间定为15 min。为留有充分裕量,本实验取 反应物料加入30 min后结束实验。 80 60 60 45 器 量 3O 40鋈 詈 15 0 一圉广圉『_ 图 20 0 图2酒糟、石油焦分别单独实验的产物组成和组分 Fig.2 Product constitution of lees and petroleum coke 图3气体成分与反应时}司的关系图 Fig.3 Production of different gases at different time 2.3石油焦与酒糟混合方式的影响 为考察石油焦与酒糟混合方式对焦油产率的影 响,采用两种加料模式,模式一将石油焦与酒糟混 合均匀后同时加入到反应器中,反应温度700℃; 模式二将石油焦先加入到700 ̄C的反应器中,待温 度恢复至700 ̄C后再加入酒糟;对于上述两种模 式,石油焦粒径均为0.9~1.25 mm。表3为石油 焦与酒糟这两种混合加入方式对气化焦油产率影响 的比较。模式二中焦油的裂解率达到61.75 ,模 式一中焦油的裂解率为43.75 ,两者相差18 , 可见模式二中焦油裂解的效果要优于模式一。这是 因为先加石油焦,使石油焦提前预热,酒糟一加入 就与炽热的石油焦接触反应,焦油一旦生成就很快 被裂解,焦油裂解反应进行得较为充分,因而焦油 量较少。 2.4石油焦粒径的影响 为考察石油焦粒径对酒糟气化中焦油裂解的影 响,分别采用了0.9~1.25和1.25~2 mm两种粒 第9期 柳宇等:石油焦对生物质气化中焦油裂解的影响 ・2497・ 一一。A) \ 表3石油焦添加方式对焦油产率和裂解率的影响 Table 3 Effect of feeding mode of petroleum coke on tar yield and tar cracking rate 度范围的石油焦进行研究,结果如表4所示。粒径 0.9~1.25 mm的石油焦对焦油的裂解率为 61.75 ,1.25~2 mm石油焦对焦油的裂解率为 5o.54 ,石油焦粒径越大,焦油产率越高,这说 明较小的石油焦粒径有利于生物质焦油的裂解。因 为石油焦颗粒越小,比表面就越大,接触越充分, 就可促进焦油裂解。此外,粒径大还会存在加热效 应,也会影响焦油的裂解,故石油焦粒径增大,焦 油的裂解率降低。因此,生物质气化焦油裂解宜采 用较小粒径的石油焦颗粒。图4是先加入不同粒径 的石油焦对酒糟气化气组分的影响。石油焦粒径 小,H 、CH 的含量增加,CO、CO 的含量略有 减少,但变化不显著。 表4石油焦粒径对焦油产率和裂解率的影响 Table 4 Effect of petroleum coke size on tar yield and tar cracking rate l  1.25 2mm n q 2 mm ≯ x 。 l_ …^ H H 2 CO2 CO CH 4 gas species 图4石油焦粒径对气体成分的影响 Fig.4 Effect of petroleum coke size on gas content 2.5 生物质水分的影响 生物质一般都含有一定量的水分,水分受热转 变为水蒸气,在气化过程中这部分水蒸气会参与气 化反应。因此,本实验还进一步考察了水分对气化 结果的影响。表5和图5是酒糟含水量分别为 ∞ 如 40 9/6(质量)和6O (质量)两种情形下气化的 焦油产率和气体组分。实验的石油焦粒径为0.9~ 1.25 mm,先加入700℃的反应器。由表5可见, 酒糟含水量增加,焦油产率下降;含水量越高,焦 油产率降幅越大。和无水酒糟气化相比,含水量 4O (质量)时焦油降幅为21.23 ,60 (质 量)时降幅为28.o5 。这主要是因为含水量的增 加促进了焦油重整反应C H +nH:O—nCO+ ( +m/2)H ,从而降低焦油产率。同时表5还表 明酒糟水分由40 (质量)增至6O (质量)时, 焦油产率降幅变化仅为6.82 ,考虑增加含水量 会影响气化系统的热效率u ,因此气化中酒糟水 分含量不宜过高,适宜控制在40 (质量)以下。 图5为酒糟含水量对产气组分的影响。如图5所 示,含水量由40 (质量)增至6O (质量),气 化气中H 、cO含量升高,CH 含量无明显变化, CO。浓度显著降低。原因分析为,气化反应过程中 主要发生了以下反应C+H O—C()+H ,C H + H 20— nC0+( +m/2)H2,CO+H 2O—Co2+ H。,2C+O 一2C0,C+02一CO。,CO2+C— 2C0,在水蒸气存在的情况下,水蒸气和o。同 时与c发生竞相反应,水蒸气含量的增加相当于 提高了蒸汽反应的竞争力,促进水煤气反应的进行 表5 生物质水分对焦油产率的影响 Table 5 Effect of water content in fuel on tar yield 图5生物质水分对气体成分的影响 Fig.5 Effect of water content in fuel on gas content 加・2498・ 化工学报 第61卷 C+Hz O—CO+H。,生成更多的H。、CO,相应 降低了CO 在气化气中所占的百分含量。 3 结 论 (1)石油焦可以用于生物质气化中焦油的裂 解,且石油焦粒径大小、石油焦与生物质混合加 入反应器的方式对焦油裂解率有影响。石油焦粒 径越小和越早加入反应器中,对焦油的裂解越 有利。 (2)生物质中水分能够抑制焦油的生成,酒糟 含水量分别为40 (质量)和6O (质量)时的 焦油生成量相对无水酒糟的焦油生成量分别减少 21.23 和28.05 。酒糟含水量由40 (质量) 增至6O (质量),气化焦油产率降幅由21.23 增至28.O5%。同时还可使气化气中H 、CO含量 分别增加2.45 和2.53 。 (3)石油焦原料广泛、使用方便、热值高,可 在高水分生物质气化过程中降解焦油并提供热量, 有较高的实用价值,值得进行进一步研究开发。 References [1] Jiang Jianchun(蒋剑春).Prospect on research and development of biomass energy utilization.Chemistry and Industry of Forest Products(林产化学与工业),2002,22 (2):76-80 Eel Dong Yuping(董玉平),Deng Bo(邓波),Jing Yuanzhuo (景元琢),Qiang Ning(强宁),Shen Shuyun(申树云). A review of the research and development of biomass gasification technology in China.Journal of Shandong University:Engineering Science(山东大学学报:工学 版),2007,37(2):1-7 [3] Zhang Quanguo(张全国),Kong Shuxuan(孔书轩),Liu Shengyong(刘圣勇).Study of the purifier of biomass gasification system.China Biogas(中国沼气),2000,18 (1):43-45 54] Yokoyama S Y,Ogi T,Nalampoon A,et a1.Biomass energy potential in Thailand.Biomass and Bioenergy, 2000,18(5):405 410 E5] Cook J,Beyea J.Bioenergy in the United States:progress and possibilities.Biomass and Bioenergy,2000,18(6): 441-455 [6] Lai YanHua(赖艳华).Research on tar-producing mechanism and de-tar in biomass heating-dissolution gasification gas.Rural Energy(农村能源),2001,98 (4):l 6—1 9 [7] Zhou Jinsong(周劲松),Wang Tiezhu(王铁柱),Luo Zhongyang(骆仲泱),Zhang Xiaodong(张晓东),Wang Shurong(王树荣),Cen Kefa(岑可法).Catalytic cracking of biomass tar.Journal of Fuel Chemistry and Technology(燃料化学学报),2003,31(2):144—148 E83 Pfeifer C,Hofbauer H.Development of catalytic tar decomposition downstream from a dual fluidized bed biomass steam gasifier.Powder Technology,2008,180(1-2):9-16 [9] Wang Lei(王磊),Wu Chuangzhi(吴创之),Chen Ping (陈平),Yin Xiuli(阴秀丽),Xie Jun(谢军).Biomass gasification tar destruction in a high temperature charcoal bed.Renewable Energy(可再生能源),2005,123(5): 30—34 [10] Xu Guiying(许桂英),Hu Jinghui(胡景辉),Sun Guogang(孙国刚),Xu Guangwen(许光文).Catalytic cracking of the tar from biomass’s gasification with biomass carbon.Chemical Industry and Engineering Progress(化 工进展),2008,27(27):204—209 [11] Shen Boxiong(沈伯雄),Yao Qiang(姚强),Liu Dechang (刘德昌),Chen Hanping(陈汉平).Changes of specific pore surface area and pore volume of petroleum coke during combustion.Journal of Chemical Industry and Engineering (China)(化工学报),2000,51(6):784—787 [12] Ll Qingfeng(李庆峰),Fang Yitian(房倚天),Zhang Jianmin(张建民),Wang Yang(王洋),Shi Mingxian (时铭显),Sun Guogang(孙国刚).Gasification reactivity of petroleum coke with steam and carbon dioxide.Journal of Combustion Science and Technology(燃料化学学报), 2004,l0(3):254 259 [13] Hu Song(胡松),Sun Lushi(孙路石),Xiang Jun(向 军),Qiu Jianrong(邱建荣),Xu Minghou(徐明厚). Physical structure evolution of rice husk particles during high speed pyrolysis.Journal of Chemical Industry and Engineering(China) (化工学报),2007,58(11): 2889 2894 [14] Wu Hongqing(伍宏青).Use of petroleum coke and process selection for delayed coking unit.Techno-economics in Petrochemicals(石油化工技术经济),2002,18(5): 44—48 [15] Xu G W,Murakami T,Suda T,et a1.Efficiency gasification of wet biomass residue to produce middle caloric gas.Particuology,2008,6(5):376—382 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- zicool.com 版权所有 湘ICP备2023022495号-2

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务