感冒清熱顆粒中藥渣中試規(guī)模循環(huán)流化床氣化實(shí)驗(yàn)

范鵬飛，李景東，劉艷濤，董玉平，梁敬翠，蓋超，張彤輝

（1山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250061；2山東百川同創(chuàng)能源有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

感冒清熱顆粒中藥渣中試規(guī)模循環(huán)流化床氣化實(shí)驗(yàn)

范鵬飛1，李景東2，劉艷濤2，董玉平1，梁敬翠2，蓋超1，張彤輝1

（1山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250061；2山東百川同創(chuàng)能源有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

以感冒清熱顆粒中藥渣為原料，在雙回路循環(huán)流化床中試設(shè)備中進(jìn)行熱解氣化實(shí)驗(yàn)，研究原料含水率、原料粒徑以及空氣當(dāng)量比ER對其氣化特性的影響。結(jié)果表明:①隨著原料含水率的提高，爐內(nèi)平均溫度降低，產(chǎn)生的燃?xì)庵薪褂秃俊O2含量明顯提高；CO含量、氣體產(chǎn)率、碳轉(zhuǎn)化率顯著降低；H2含量、燃?xì)鉄嶂狄约皻饣示尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢。②原料粒徑越小，反應(yīng)爐內(nèi)平均溫度越高，燃?xì)庵薪褂秃吭降停細(xì)鉄嶂岛蜌怏w產(chǎn)率越高，氣化效率以及碳轉(zhuǎn)化率越高；H2、CH4、CO、CnHm含量增加，CO2含量減少。③隨著ER的增大，可燃?xì)怏w尤其是CO的濃度不斷降低，CO2含量不斷增加；爐內(nèi)平均溫度、氣體產(chǎn)率以及碳轉(zhuǎn)化率均逐漸增大；燃?xì)鉄嶂岛腿細(xì)庵薪褂唾|(zhì)量濃度逐漸減小；氣化效率則呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。④當(dāng)原料含水量＜9%、原料粒徑＜4mm以及ER在0.25～0.27時，氣化效率較高，具有較好氣化特性。

中藥渣；雙回路循環(huán)流化床；氣化；粒徑；含水率；空氣當(dāng)量比

中藥渣是中藥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種典型工業(yè)生物質(zhì)廢棄物，目前中藥渣一般采用直接填埋和焚燒方式處理，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，且處理成本高昂。由于中藥渣具有產(chǎn)量大、排放集中等特點(diǎn)，適用于規(guī)模化、集中化的開發(fā)利用。因此，如何有效地對中藥渣資源進(jìn)行清潔利用已成為眾多學(xué)者研究熱點(diǎn)問題之一[1-4]。

將中藥渣進(jìn)行熱解氣化制備清潔燃?xì)猓粌H解決了環(huán)境污染問題，且大大降低了處理成本，是中藥渣高效利用最重要的方式之一，目前國內(nèi)對中藥渣熱解氣化已有一定基礎(chǔ)研究[5-8]。冼萍等[9]以兩面針?biāo)幵鼮槔瑢δ举|(zhì)中藥渣進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析、灰渣特性分析、TG-DTA分析等，驗(yàn)證了木質(zhì)中藥渣通過熱解氣化法制取清潔燃?xì)饪尚行浴Ｍ粲〉萚10]以中藥渣為原料，深入研究了中藥渣的熱解特性，包括熱解產(chǎn)物分布、熱解半焦和焦油的特性。但目前文獻(xiàn)報(bào)道的研究尚停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模測試階段。本文采用感冒清熱顆粒中藥渣為原料，在雙回路循環(huán)流化床中試設(shè)備中進(jìn)行工業(yè)放大實(shí)驗(yàn)，深入研究了在中試規(guī)模實(shí)驗(yàn)中原料粒徑、含水率以及空氣當(dāng)量比（ER）對中藥渣熱解氣化特性的影響，為中藥渣無害化和資源化利用提供工業(yè)化技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)選用感冒清熱顆粒中藥渣，采用工業(yè)分析儀和元素分析儀對原料進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，并測試其低位熱值，分析結(jié)果如表1所示，其中：Mar為含水率，Vd、Ad和Cd分別表示原料干基的揮發(fā)分、灰分和固定碳。相較于稻殼[11]和玉米秸稈[12]，中藥渣具有較低的灰分和較高的低位熱值，說明中藥煎煮過程中基本沒有造成藥材本身所含能量的減少。

1.1.1 不同含水率原料的制備

用粉碎機(jī)粉碎干燥的中藥渣物料，用篩子篩分出顆粒大小為4mm左右的物料，對粉碎篩選后的中藥渣物料進(jìn)行不同程度地加水調(diào)濕，利用LC濕度測量儀測量其含水率，制取含水率分別為5%、7%、9%、11%、13% 和15%的6組物料。

1.1.2 不同粒徑原料的制備

利用粉碎機(jī)與篩子對原料進(jìn)行粉碎篩選，制備6組物料粒徑分別為2mm、4mm、6mm、8mm、10mm和12mm的原料，經(jīng)調(diào)濕后含水率均為7%。

表1 感冒清熱顆粒中藥渣的工業(yè)分析和元素分析

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機(jī)、螺旋進(jìn)料裝置、雙回路循環(huán)流化床、空氣預(yù)熱器、除灰裝置、燃?xì)鈨艋c存儲裝置等組成，其中流化床主爐高11000mm、內(nèi)徑350mm。由風(fēng)機(jī)提供流化氣體，螺旋進(jìn)料裝置實(shí)現(xiàn)原料連續(xù)均勻供給。在主爐主要反應(yīng)區(qū)均布4個溫度測試點(diǎn)（T1～T4），在線檢測反應(yīng)爐內(nèi)溫度。在高溫燃?xì)夤艿捞幵O(shè)置空氣預(yù)熱器，利用燃?xì)庥酂岙a(chǎn)生熱空氣，可以為反應(yīng)爐提供溫度約200℃的流化氣體，提高氣化效率，達(dá)到高效節(jié)能的目的。

圖1 氣化系統(tǒng)流程圖

因?yàn)樵虾驶蛄讲煌瑫r，氣體停留時間和反應(yīng)爐內(nèi)時的溫度會隨之發(fā)生變化，本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)分析原料粒徑、含水率以及空氣當(dāng)量比對氣化指標(biāo)的影響，因此沒有對氣化爐內(nèi)溫度進(jìn)行相關(guān)分析研究。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本實(shí)驗(yàn)以雙回路循環(huán)流化床為實(shí)驗(yàn)平臺，200℃的空氣為氣化介質(zhì)，感冒清熱顆粒中藥渣為原料，進(jìn)料量為220kg/h，實(shí)驗(yàn)分析了原料粒徑、原料含水率、空氣當(dāng)量比3個因素對燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂怠t內(nèi)平均溫度、焦油質(zhì)量濃度、氣體產(chǎn)率、氣化效率等氣化特性的影響。氣化實(shí)驗(yàn)過程包括：①采用含水率不同、粒徑為4mm的原料，ER為0.26，其他條件相同的情況下進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn)，考察原料含水率對氣化特性的影響；②采用粒徑不同、含水率均為7%的原料，ER為0.26，其他條件相同的情況下，實(shí)驗(yàn)研究原料粒徑對氣化特性的影響。③采用粒徑為4mm、含水率均為7%的原料，在ER分別為0.20、0.23、0.26、0.29、0.32、0.35的條件下進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn)，考察ER對氣化特性的影響。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中，調(diào)節(jié)不同物料參數(shù)，等待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后在取樣測試點(diǎn)取樣，測試生成氣中燃?xì)饨M分和焦油含量，由燃?xì)饬髁坑?jì)得到氣體產(chǎn)量，同進(jìn)料量計(jì)算出氣體產(chǎn)率，并通過式（3）、式（4）計(jì)算氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率。燃?xì)馀c焦油取樣裝置如圖2所示，將燃?xì)馔ㄈ刖彌_瓶，燃?xì)庵械慕褂捅槐〗褂筒都课眨⑼ㄟ^氣體干燥瓶將燃?xì)飧稍铩Ｔ谌細(xì)獬隹谔庍B接Micro GC Agilent-3000氣相色譜儀檢測燃?xì)饨M分。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，在相同工況下每隔20min取樣一次，每個工況取樣3次，取其平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 燃?xì)馀c焦油取樣裝置

1.4 技術(shù)參數(shù)

（1）利用RE52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀揮發(fā)取樣得到的含焦油有機(jī)溶液，由FA2004A分析天平稱量剩余的焦油樣品質(zhì)量，按式（1）計(jì)算單位體積燃?xì)庵械慕褂唾|(zhì)量濃度[13]。

式中，λ為焦油和燃?xì)赓|(zhì)量體積比，g/m3；m為燃?xì)鈽悠分兴褂唾|(zhì)量，g；q為取樣燃?xì)怏w積，m3。

（2）燃?xì)鉄嶂凳侵冈跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，其中可燃物熱值的總和。對不同工況下測得的燃?xì)庵饕煞郑–O、H2、CH4、CnHm、CO2）的低位熱值的計(jì)算公式見式（2）[14]。

Qv=126.36CO+107.98H2+358.18CH4+629.09CnHm（2）

式中，Qv為燃?xì)獾臀粺嶂担琸J/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；CO、H2、CH4、CnHm分別為燃?xì)鈽悠分蠧O、H2、CH4和不飽和烴的體積分?jǐn)?shù)，%。

（3）氣體產(chǎn)率是指氣化1kg原料所得到的氣體燃料在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。

（4）氣化效率是指生物質(zhì)氣化后生成的燃?xì)獾目偀崃颗c氣化原料的總熱量之比，是衡量氣化過程的重要指標(biāo)，可按式（3）計(jì)算[15]。

式中，η為氣化效率，%；Vm為單位質(zhì)量藥渣的產(chǎn)氣量，m3/kg；Qv為燃?xì)獾牡臀粺嶂担琸J/m3；H為中藥渣原料的低位熱值，kJ/kg。

（5）碳轉(zhuǎn)化率是指生物質(zhì)燃料中的碳轉(zhuǎn)換為氣體燃料中的碳的份額，即氣體中含碳量與原料中含碳量之比。它是衡量氣化特性的指標(biāo)之一，見式（4）[14]。

式中，ηc為碳轉(zhuǎn)化率，%；Gv為氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）產(chǎn)率，m3/kg；C為生物質(zhì)原料中碳的含量，%；CO、CH4、CO2、CnHm分別為燃?xì)鈽悠分蠧O、CH4、CO2和不飽和烴的體積分?jǐn)?shù)，%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

生物質(zhì)氣化過程很復(fù)雜，基本反應(yīng)包括固體燃料的干燥、熱分解反應(yīng)、還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)4個過程。主要涉及以下幾種反應(yīng)，見式（5）～式（15）[14，16-18]。

2.1 原料含水率對氣化特性的影響

含水率是影響氣化特性的關(guān)鍵因素之一，生物質(zhì)中的水分蒸發(fā)會吸收熱量，損失部分汽化潛熱從而降低燃料熱值，同時水蒸氣參與氣化反應(yīng)時也吸收熱量，進(jìn)一步降低反應(yīng)爐內(nèi)的溫度，從而影響燃?xì)饨M分及燃?xì)馑鶖y帶焦油等副產(chǎn)物含量，并影響整體氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率等氣化特性[14，19]。實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)定原料進(jìn)料量為220kg/h，空氣當(dāng)量比ER為0.26，原料粒徑約為4mm，實(shí)驗(yàn)研究原料含水率對氣化特性的影響。

2.1.1 原料含水率對燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂档挠绊?/p>

原料含水率對燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂涤绊懭鐖D3所示，隨著原料含水率的增大，燃?xì)庵蠧O2含量不斷增加，CO的濃度逐漸減少，當(dāng)含水率＜9%時，H2的含量快速升高，含水率＞9%時，H2的含量不斷下降。另外，隨著含水率的增加，CH4的含量略微增加而后又逐漸減少，而不飽和烴的含量基本保持不變，燃?xì)鉄嶂惦S著原料含水率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)含水率為9%時，燃?xì)鉄嶂底罡摺?/p>

氣化過程中，原料中的水吸熱變成水蒸氣，部分水蒸氣參與反應(yīng)。原料含水率的增大，使得氣化爐中水蒸氣的含量增加，促進(jìn)了反應(yīng)式（7）、式（13）和式（14）的加強(qiáng)，其中有水蒸氣參與的反應(yīng)中，反應(yīng)式（14）為主要反應(yīng)，從而使CO含量減少，CO2和H2含量增加。H2含量增加后會促進(jìn)反應(yīng)式（10）的進(jìn)行，導(dǎo)致CH4含量的增加，但是水蒸氣的增加會導(dǎo)致反應(yīng)式（15）的增強(qiáng)，消耗CH4，因此燃?xì)庵蠧H4的含量呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象。含水率＜9%時，燃?xì)鉄嶂瞪呤且驗(yàn)镠2和CH4含量的增加；含水率＞9%后，H2和CO含量均呈下降趨勢，從而導(dǎo)致燃?xì)鉄嶂悼焖傧陆怠?/p>

2.1.2 原料含水率對爐內(nèi)平均溫度、焦油質(zhì)量濃度和氣體產(chǎn)率的影響

如圖4、圖5所示，隨著原料含水率的增加，反應(yīng)爐內(nèi)平均溫度逐漸下降，燃?xì)庵薪褂唾|(zhì)量濃度不斷增大，氣化產(chǎn)率則呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。原料含水率較高時，水分的氣化會吸收一部分熱量，導(dǎo)致反應(yīng)爐內(nèi)溫度下降，阻礙了反應(yīng)式（6）的向右進(jìn)行，導(dǎo)致焦油裂解不充分，因此燃?xì)庵薪褂秃枯^高；并且溫度的下降阻礙了大分子物質(zhì)裂解轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，導(dǎo)致氣體產(chǎn)率下降。

2.1.3 原料含水率對氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率的影響

圖3 含水率對燃?xì)饨M分、熱值的影響

圖4 含水率對爐內(nèi)平均溫度的影響

圖5 含水率對焦油質(zhì)量濃度和氣體產(chǎn)率的影響

原料含水率對氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率的影響如圖6所示，隨著原料含水率的增加，氣化效率先緩慢增大后快速減小。這是因?yàn)闅饣逝c燃?xì)鉄嶂岛蜌怏w產(chǎn)率均呈正比關(guān)系，當(dāng)含水率＜9%時，隨著含水率的增加，燃?xì)鉄嶂翟龃螅瑲怏w產(chǎn)率減小，但根據(jù)式（3）計(jì)算氣化效率仍呈緩慢上升趨勢。當(dāng)含水率＞9%時，氣體產(chǎn)率、燃?xì)鉄嶂稻S含水率的增加而減小，因此根據(jù)式（3）氣化效率隨含水率的增大而迅速降低。圖6還可看出，碳轉(zhuǎn)化率隨著含水率的增加不斷減小，這是因?yàn)樵虾试酱螅磻?yīng)爐內(nèi)溫度越低，原料反應(yīng)不充分，焦油焦炭產(chǎn)量增加，導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)化率逐漸下降。

圖6 含水率對氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率的影響

2.2 原料粒徑對氣化特性的影響

2.2.1 原料粒徑對燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂档挠绊?/p>

原料粒徑對燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂档挠绊懭鐖D7所示。隨著原料粒徑的增大，燃?xì)庵蠧H4、CO、H2和CnHm的含量不斷減少，CO2含量則不斷增加；并且燃?xì)鉄嶂惦S著原料粒徑變大呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢。當(dāng)粒徑＜6mm時，可燃?xì)怏w含量相對較高，燃?xì)鉄嶂翟?500kJ/m以上。

燃?xì)庵蠧O、H2、CO2的含量主要受反應(yīng)式（6）～式（9）影響，原料粒徑減小，比表面積增大，強(qiáng)化了反應(yīng)物間傳熱傳質(zhì)，而促進(jìn)反應(yīng)式（6）～式（9）向右進(jìn)行，因此隨原料粒徑的減小，燃?xì)庵蠧O、H2的含量不斷增加，CO2的含量不斷減少；燃?xì)庵蠧H4的含量主要受反應(yīng)式（10）～式（12）的影響，原料粒徑越小，CH4的生成量越多；隨著粒徑的減小，燃?xì)庵蠧nHm含量的變化主要受反應(yīng)式（5）的影響，粒徑越小，越有利于反應(yīng)式（5）向右進(jìn)行，從而使得CnHm的增加。呂鵬梅等[20]在流化床上實(shí)驗(yàn)研究了原料粒徑對燃?xì)鉄嶂档挠绊懀Y(jié)果表明原料粒徑由0.25mm變化到0.75mm時，相應(yīng)的燃?xì)鉄嶂涤?737kJ/m變化到6976kJ/m，與本研究結(jié)果相符。

2.2.2 原料粒徑對爐內(nèi)平均溫度、焦油質(zhì)量濃度和氣體產(chǎn)率的影響

原料粒徑對爐內(nèi)平均溫度、燃?xì)庵薪褂唾|(zhì)量濃度和氣體產(chǎn)率的影響如圖8、圖9所示，原料粒徑越大，反應(yīng)爐內(nèi)平均溫度越低，燃?xì)庵薪褂唾|(zhì)量濃度越大，氣體產(chǎn)率呈現(xiàn)逐漸減少趨勢。當(dāng)原料粒度＜6mm時，氣體產(chǎn)率＞2m3/kg；當(dāng)粒徑＜6mm時，隨著粒徑的增大，氣體產(chǎn)率下降的趨勢逐漸變大。

圖7 粒徑對燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂档挠绊憟D

圖8 粒徑對爐內(nèi)平均溫度的影響

圖9 粒徑對焦油質(zhì)量濃度、氣體產(chǎn)率的影響

這是因?yàn)樵谏镔|(zhì)熱解氣化過程中，粒徑較小的生物質(zhì)的熱解氣化主要是由反應(yīng)動力學(xué)控制，粒徑越小，生物質(zhì)的比表面積越大，化學(xué)反應(yīng)速率越快，反應(yīng)產(chǎn)熱越多，反應(yīng)爐內(nèi)溫度越高，越有利于生物質(zhì)熱解反應(yīng)式（5）和式（6）的進(jìn)行，原料分解越徹底，燃?xì)庵薪褂偷暮吭降停⑶以戏纸庠綇氐祝镔|(zhì)裂解氣化后生成的氣體燃料越多，氣體產(chǎn)率越高。粒徑較大的生物質(zhì)的熱解氣化主要受熱傳遞速率和氣體擴(kuò)散速率的控制，粒徑越大熱傳遞越慢，當(dāng)粒徑較大的生物質(zhì)顆粒被加熱時，顆粒表面的加熱速率遠(yuǎn)大于中心的加熱速率，這樣就會在顆粒中心發(fā)生低溫?zé)崃呀猓瑥亩鴷a(chǎn)生較多的碳，熱解反應(yīng)不徹底，產(chǎn)熱量減少，并且粒徑越大，熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分越難通過顆粒表面，反應(yīng)式（5）和式（6）進(jìn)行越不完全，產(chǎn)生的焦油、焦炭越多，導(dǎo)致生物質(zhì)熱解氣化產(chǎn)生的燃?xì)庾兩伲瑲怏w產(chǎn)率下降。羅思義[21]和呂鵬梅[20]等分別在固定床和流化床上實(shí)驗(yàn)研究了松木鋸末粒徑對氣體產(chǎn)率的影響。前者研究結(jié)果表明原料粒徑由小于0.075mm增加到0.6～1.2mm時，相應(yīng)的氣體產(chǎn)率由1.1m3/kg減小到0.6m3/kg。后者研究結(jié)果表明原料粒徑從0.2～0.3mm增加到0.6～0.9mm，氣體產(chǎn)率從2.57 m3/kg減小到1.53 m3/kg，減小了40.5%，可以看出原料粒徑對氣體產(chǎn)率具有一定影響。

2.2.3 原料粒徑對氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率的影響

原料粒徑對氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率的影響如圖10所示，氣體產(chǎn)率和碳轉(zhuǎn)化率均隨著原料粒徑的增大不斷減小。當(dāng)粒徑＜6mm時，氣化效率在70%以上，碳轉(zhuǎn)化率在90%以上。

由氣化效率式（3）可知，氣化效率與燃?xì)鉄嶂岛蜌怏w產(chǎn)率均呈正比關(guān)系，隨著粒徑的增加，燃?xì)鉄嶂岛蜌怏w產(chǎn)率均逐漸減小，因此氣化效率隨著粒徑的增加呈現(xiàn)下降趨勢。其次，由碳轉(zhuǎn)化率式（4）可知，碳轉(zhuǎn)化率受氣體產(chǎn)率以及CO2、CO、CH4和不飽和烴體積含量等的影響，這些影響因素共同導(dǎo)致了碳轉(zhuǎn)化率隨原料粒徑的增大而減小的趨勢；另外，粒徑越大，原料裂解越不徹底，產(chǎn)生的焦油、焦炭越多，從而導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)化率越小。羅思義等[21]實(shí)驗(yàn)研究原料粒徑對碳轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果表明在800℃反應(yīng)溫度下，原料粒徑從小于0.075mm增加到0.6～1.2mm時，相應(yīng)的碳轉(zhuǎn)化率由78%減小到54%。呂鵬梅等[20]研究結(jié)果表明，原料粒徑從0.2～0.3mm增加到0.6～0.9mm，碳轉(zhuǎn)化率從95.10%減小到77.62%。這與本文的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果較為一致。

圖11 ER對燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂档挠绊?/p>

2.3 空氣當(dāng)量比（ER）對氣化特性的影響

2.3.1 ER對燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂档挠绊?/p>

ER對燃?xì)饨M分、燃?xì)鉄嶂档挠绊懭鐖D11所示。隨ER增加，燃?xì)庵蠬2、CH4、CO和CnHm的含量不斷減少，CO2含量不斷增加；燃?xì)鉄嶂祫t隨著ER的增加逐漸減小。這是因?yàn)樘岣逧R后，反應(yīng)爐內(nèi)的供氧量增加，雖然有利于氣化反應(yīng)的進(jìn)行，但是部分CO與相對過量O2反應(yīng)生成CO2，使CO濃度降低，CO2含量增加；另外，ER增大，進(jìn)入反應(yīng)爐內(nèi)的空氣增多，N2在燃?xì)庵械南鄬γ芏仍黾樱M(jìn)一步降低了產(chǎn)氣熱值。

2.3.2 ER對爐內(nèi)平均溫度、焦油質(zhì)量濃度和氣體產(chǎn)率的影響

ER對爐內(nèi)平均溫度、燃?xì)庵薪褂唾|(zhì)量濃度和氣體產(chǎn)率的影響如圖12、圖13所示，ER越大，反應(yīng)爐內(nèi)平均溫度越高，燃?xì)庵薪褂唾|(zhì)量濃度越小，氣體產(chǎn)率越高。這是因?yàn)殡S著進(jìn)入反應(yīng)爐內(nèi)空氣含量增加，氧化反應(yīng)增加，釋放的熱量增加，爐內(nèi)平均溫度增加。ER越大，溫度越高，焦油裂解越完全，從而導(dǎo)致燃?xì)庵薪褂唾|(zhì)量濃度降低。隨著ER增加，氣體產(chǎn)率逐漸增加，這是因?yàn)殡S著ER增大，氣化溫度升高，原料熱解產(chǎn)生更多氣相產(chǎn)物，導(dǎo)致氣體產(chǎn)率隨之增加。

2.3.3 ER對氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率的影響

由圖14可看出，隨著ER逐漸增大，氣化效率先增大后減小，碳轉(zhuǎn)化率則逐漸增大；當(dāng)ER在0.25～0.27之間時，氣化效率在74%以上，達(dá)到最大值。這是因?yàn)椋S著ER的逐漸增大，燃?xì)鉄嶂抵饾u減小，氣體產(chǎn)率逐漸增大，根據(jù)氣化效率式（3），在燃?xì)鉄嶂岛蜌怏w產(chǎn)率的雙重作用下，氣化效率先逐漸增大后逐漸減小。另外，隨著ER的增大，反應(yīng)爐內(nèi)溫度升高，更多原料熱解后的焦油焦炭被燃燒分解，促使碳轉(zhuǎn)化率逐漸增加。

圖12 ER對爐內(nèi)平均溫度的影響

圖13 ER對焦油質(zhì)量濃度、氣體產(chǎn)率的影響

圖14 ER對氣化效率、碳轉(zhuǎn)化率的影響

3 結(jié) 論

本文以感冒清熱顆粒中藥渣為原料，在雙回路循環(huán)流化床設(shè)備上進(jìn)行中試規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)過程中保持原料進(jìn)料量為220kg/h，以200℃的空氣為氣化劑，得出如下結(jié)論。

（1）原料含水率是影響中藥渣氣化特性的關(guān)鍵因素之一，原料粒徑為4mm、ER為0.26時，隨著原料含水率的增大，反應(yīng)爐內(nèi)平均溫度降低，燃?xì)庵薪褂秃俊O2含量明顯提高，CO含量、氣體產(chǎn)率、碳轉(zhuǎn)化率顯著降低，H2含量、燃?xì)鉄嶂狄约皻饣示尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢。

（2）原料粒徑對中藥渣的氣化特性有顯著影響，原料含水率為7%，ER為0.26時，隨著原料粒徑的減小，反應(yīng)爐內(nèi)平均溫度升高，燃?xì)庵蠧O2含量和焦油含量降低，H2、CH4、CO、CnHm含量增加，燃?xì)鉄嶂岛蜌怏w產(chǎn)率增大，氣化效率以及碳轉(zhuǎn)化率也不斷增大。

（3）原料含水率為7%、粒徑為4mm時，隨空氣當(dāng)量比ER增大，H2、CH4、CO和CnHm的含量不斷減少，CO2含量不斷增加；燃?xì)鉄嶂岛腿細(xì)庵薪褂唾|(zhì)量濃度逐漸減小；爐內(nèi)平均溫度、氣體產(chǎn)率以及碳轉(zhuǎn)化率均逐漸增大；氣化效率則先增大后減小，當(dāng)ER在0.25～0.27時，氣化效率達(dá)到最大值。

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Experimental study of gasification of herb residues of Ganmaoqingre granules in pilot-scale dual-loop circulating fluidized bed

FAN Pengfei1，LI Jingdong2，LIU Yantao2，DONG Yuping1，LIANG Jingcui2，GAI Chao1，
ZHANG Tonghui1（1Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture，Ministry of Education，Shandong Universitry，Ji’nan 250061，Shandong，China；2Shandong Baichuan Tongchuang Energy Company Ltd.，Ji’nan 250101，Shandong，China）

The effect of properties of herb residue and air equivalence ratio on the gasification characteristics of Gangmaoqingre granules was investigated. Experiments were conducted in a pilot-scale dual-loop circulating fluidized bed. With the increase of water content，gasification temperature gradually decreased，the contents of tar and CO2increased，while CO content and carbon conversion rate decreased. Besides，H2content，gas calorific value and gasification efficiency increased first and then decreased. Smaller particle size contributed to lower tar content and gas calorific value. However，gas yield，gasification efficiency and carbon conversion increased gradually. With the decrease of particle size，H2，CH4，CO，CnHmcontents and gasification temperature increased while CO2content decreased. With the increase of air equivalence ratio，concentration of combustible gas，especially CO，gas calorific value and tar content gradually decreased. Besides，gasificationtemperature，gas yield and carbon conversion rate gradually increased. But gasification efficiency increased first and then decreased. When water content was smaller than 4% ，granularity was smaller than 4mm and air equivalence ratio was between 0.25 and 0.27，gasification efficiency would be higher，gasification result would be better.

herb residues；dual-loop circulating fluidized bed；gasification；granularity；water content；air equivalence ratio

TK 6

A

1000-6613（2014）08-1979-08

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.08.007

2013-12-10；修改稿日期：2014-02-25。

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃（2010BAC66B02）、2012年山東省重大專項(xiàng)（2012ZHZX1A0902）及國家引智項(xiàng)目（DZ20133701002）。

范鵬飛（1988—），男，碩士研究生。E-mail dafan1988@ 126.com。聯(lián)系人：董玉平，教授，博士生導(dǎo)師，長期從事生物質(zhì)能高效清潔轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究。E-mail dongyp@sdu.edu.cn。