物质流化床气化机理与工业应用研究.pdf

中国科学技术大学 博士学位论文 生物质流化床气化机理与工业应用研究 姓名：陈平 申请学位级别：博士 专业：工程热物理 指导教师：陈勇;吴创之 20060501 生物质流化床气化机理与工业应用研究 摘要 作为生物质热化学转化技术中的一种，生物质气化的目标是尽可能多地得到 高品质燃气。在各种气化反应器中，由于流化床具有气固两相接触充分，传热传 质强烈，床层温度均匀，易于放大等特性而特别受到重视。生物质流化床气化反 应器被认为是最具开发前景的生物质气化反应装置之一。目前，生物质流化床气 化主要面临的问题有：燃气中焦油含量偏高且净化困难；燃气热值偏低( 特别是 空气气化) ：仍然缺乏一个系统完整的气化装置放大准则：模型模拟结果与试验 结果相差较大等，这些存在的问题直接影响了生物质气化技术的推广和应用。 为此，在国家8 6 3 基金资助下，围绕生物质流化床气化应用过程中的关 键问题，从工程应用角度出发，本文对冷态实验条件下生物质颗粒在流化床中的 流体力学特性、实验室规模生物质流化床气化特性、木炭床焦油高温催化裂解特 性进行了研究，论文还针对工业规模生物质流化床气化发电系统的运行特性进行 了分析，并基于得到的大量实验数据建立了关于生物质流化床气化特性的人工神 经网络模型。 通过对冷态实验条件下，多种生物质原料在不同尺寸流化床中的流化特性研 究发现：1 ) 纯生物质( 如木屑、稻壳) 也是可以实现良好流化的。2 ) 不同生 物质原料流化特性有着显著区别，木屑的流化质量较好，当气速超过充分流化速 度，可以观察到典型的鼓泡流化状态。稻壳的流化质量稍差，比较容易出现 沟流现象。3 ) 床层尺寸和料层高度对生物质颗粒的流化也有重要影响。当 流化床直径小于l o o m m 时，壁面效应会比较明显，流化床尺寸增大有利于改 善流化质量。料层高度与床径比( h d ) 超过3 0 ，容易出现节涌现象。4 ) 对处于快速流念化下的生物质循环流化床速度分布和空隙率分布的考察表明：在 生物质循环流化床中也存在着典型的环一核流动结构。速度在径向呈抛物 线型分布，空隙率沿径向分布则比较均匀。改变操作气速和循环流率都对速度 分布和空隙率分布有明显影响。5 ) 对生物质颗粒在l o o ps e a l 型返料器中的流 动特性研究表明：改变提升管的运行风速u 。对循环流率g 。影响不大；通过l o o p s e a l 的颗粒循环流率g ；随输送风量q l 和侧吹风量q 2 增加而增大：改变侧吹风 量q 2 对循环流率的影响要比改变q l 的影响大得多。根据王擎实验关联式得到的 摘要 改进关联式与实验结果吻合较好。 在内径8 。3 0 。3 m 实验痰浚摸生蘩震溅纯疼气讫试羧台上对本震瓣气琵特 性实验研究表明：气化当量比e r 在0 2 3 0 3 8 之间变化时，气化温度：6 8 9 8 2 0 ，燃气中焦油含量：3 4 4 5 9 2 4 7g n m 3 ，燃气热值：5 6 5 0 6 7 6 5k j n m 3 ，产 气率：l 。5 乏2n m 3 疼嚷，碳转纯率：6 8 。8 - 9 6 。5 ，气纯效率：5 7 9 8 5 3 。焦 油在术炭床中的高温裂解特性研究发现：随着裂解炉温艘的升高，焦油裂解率增 加，在裂解温度为1 0 5 0 时，焦油裂解率可达9 2 以上。对裂解前后的燃气 霸焦瀵成分鼹魄分褥发瑗，裂熊惹焦浊中芳餐烃增黧悉掇缝物疆少；餮解蜃臻气 中 i 2 的含量明照提高，而其它的碳氢化合物c h 4 ，c 2 h 2 ，c 2 h 4 ，c 2 h 6 的禽量均有不 同程度的下降。裂解后燃气的热值有所下降，平均降低了2 0 ，但仍保持在 5 m j m 3 左右，蒸零可戳瀵是发毫及安熬鼹燃气瑟囊豹要求。 对某商业运营的8 0 0 k 、巩稻壳气化发电站的运行特憔研究发现：由于流化速 度偏低，在床内密相区物料混合奶然不是很充分，存在局部氧化区和局部热解区， 容鬓窭褒弱部遥热葱结渣魏象。气纯滏度隧彗当量晓e r 缮热两透钕线往舞裹。 气体热值随着气化温度提高丽近似线形降低，而负荷变化对其影响不大。产气率、 碳转化率和气化效率则随着当攫比和负荷增大而提高。原料中的水分含建对气化 系绞静运行氇蠢夔要影响，当缀精懿东分离于1 5 ，将学致气曩二妒瓣瀵发属燕 波动。气化后的稻壳灰可作为保温材料、高强度水泥掺台料及钾肥等谶步利用。 对建予江苏省兴化市居蔚国内规模最大约生物质气化发电顼羁一4m w 。生 耪餍气纯一蒸汽熬俸联合循环发电示范电懿静初步测试缩祭表明，禳舔我国国 主 自主开发的生物质气化一内燃机一汽轮机联合循环发电路线是切实可行的。对 2 0 m w m 生物质c f b 气化炉测试结果发现：当气化温度运纷在7 0 0 8 0 0 。c 之间时， 气优炉产生燃气热值达到5 6 8 0 6 2 1 8k j n m 3 。在5 0 受赘条件下，当糯傈蒋在 0 2 2 - 0 3 5 范围变化时，最高碳转化率接_ i 琏9 0 ，气化效率达到8 0 。和8 0 0 k w o 稻巍气化发电系统相比，流化床气化装置从5 娜。放大到2 0 嬲。，燃气竣量不但没 有降低，反而略有提高。对囱8 3 0 0 型柴、漓发电机组改选黼成的鹜前豳内最大功 率4 5 0 k w 。低热能燃气发电机组测试结果表明，当机组相对负荷维持在0 7 - 0 9 左右对，枫组发电效率达到2 8 8 2 9 。7 ，魄原来的2 0 0 k w o 发电机组摁离1 6 。 依据人工神经网络原理，基于m a t l a b 神经网络工鼹箱，结合在窝验室规模 l l 生物质流化床气化机理与工业应用研究 和工业规模3 个不同气化反应装置上得到的1 0 3 组气化数据，初步建立了描述生 物质流化床气化特性的人工神经网络模型。对该模型训练后的泛化( 预测) 能力考 察发现，模型预测结果与试验值吻合良好，从而为生物质流化床气化过程的评价 和预测奠定了基础。 关键词：生物质气化流化床人工神经网络模型 l i i 摘要 r e s e a r c h e so np r i n c i p l ea n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f b i o m a s sg a s i f i c a t i o ni nf l u i d i z e db e d a b s 打a c t a so n ek i n do fb i o m a s st h e r m a lc h e m i s t r yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , b i o m a s sg a s i f i c a t i o n h a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n si nr e c e n ty e a r s i t sa i mi sa t t a i n i n gm o r ep o s s i b l e c o m b u s t i b l eg a s e s ( s u c ha sh e ，c o ，c i - he ta 1 ) d u et oa d v a n t a g e so fe x c e l l e n tg a s s o l i d m i x i n g ，u n i f o r mb e dt e m p e r a t u r e ，i n t e n s i v em a s sa n dh e a tt r a n s f e ra n de a s ys c a l e - u p ， f l u i d i z e db e dg a s i f i e ri st h o u g h ta st h em o s tp r o m i s i n gr e a c t o ra m o n ga l lk i n d so fb i o m a s s g a s i f i e na tp r e s e n t ，t h em a i np r o b l e m so fb i o m a s sg a s i f i c a t i o ni nf l u i d i z e db e da r et h e f o l l o w i n g s ：t h et a rc o n t e n ti nt h ep r o d u c tg a si sr a t h e rh i g ha n dt a rc o n v e r s i o no rr e m o v a li s r a t h e rd i f f i c u l t ；t h ep r o d u c tg a sh e a t i n gv a l u ei st o ww h e na i rw a su s e da sg a s i f i c a t i o na g e n c y ； t h es c a l e - u pr u l eo ff l u i d i z e db e dg a s i f i e rh a s n tb eb u i l tu pu n t i ln o w ；t h es i m u l a t i o nr e s u l t s o fm o d e l i n go fb i o m a s sg a s i f i c a t i o ni nf l u i d i z e db e di sv e r yp o o r t h e s ep r o b l e m sd i r e c t l ya n d s i g n i f i c a n t l yh i n d e rt h ea p p l i c a t i o no f b i o m a s sg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，f u n d e db yt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( t h e 8 6 3 p r o g r a m ) ，t h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f b i o m a s sp a r t i c l e si nac o l df l u i d i z e db e da n dac o l dc i r c u l a t i n gf i u i d i z e db e d ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fb i o m a s sg a s i f i c a t i o ni nal a b s c a l ef l u i d i z e db e dg a s i f i e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fh i g ht e m p e r a t u r et a rc r o c k i n gi nac a r b o nf u r n a c ea n dt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c e so f i n d u s t r i a lb i o m a s sg a s i f i c a t i o na n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m sw e r es t u d i e di nt h ep r e s e n t p 印n t h ef l u i d i z a t i o nh y d r o d y n a m i c so fd i f f e r e n tb i o m a s sp a r t i c l e sw e r ef i r s t l yi n v e s t i g a t e da t r o o mt e m p e r a t u r ei nd i f f e r e n td i a m e t e rf l u i d i z e db e d si nt h et h e s i s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h a v es h o w n ：1 ) t h ep u r eb i o m a s sp a r t i c l e s ( s u c ha ss a w d u s t r i c eh u s ke ta 1 ) a l s oc o u l db e f l u i d i z e d 2 ) t h ed i f f e r e n tb i o m a s sp a r t i c l e ss h o w e dd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ff i u i d i z a t i o n s a w d u s tp a r t i c l e sm o r ee a s i l ya c h i e v e dg o o df l u i d i z a t i o nt h a nr i c eh u s kp a r t i c l e s 、) l t l l e nt h e g a sv e l o c i t ye x c e e d e dt h ec o m p l e t ef l u i d i z a t i o nv e l o c i t yu c 6b u b b l i n gf l u i d i z a t i o nw a s o b s e r v e dw h e ns a w d u s tw a su s e da sb e dm a t e r i a l ，h o w e v e rc h a n n e l i n gw a so f t e no b s e r v e d w h e nr i c eh u s kw a sf l u i d i z e d 3 ) t h ed i a m e t e ro fb e da n dt h eh e i g h to fb e dm a t e r i a la l s oh a d s i g n i f i c a n te f f e c t so nf i u i d i z a t i o nq u a l i t y t h e w a l le f f e c t c o u l d n tb ei g n o r e dw h e nt h e d i a m e t e ro fb e dw a sl e s st h a no 1m ，t h eb i g g e rd i a m e t e rf a c i l i t a t e dt oi m p r o v ef i u i d i z a t i o n l v 生物质流化床气化机理与工业应用研究 q u a l i t y s l u g g i n gw o u l db ev e r ys e r i o u sw h e nh de x c e e d e d3 0 4 、t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s o fb i o m a s sp a r t i c l ei nf a s tf l u i d i z a t i o nc o n d i t i o ni na0 2 8m 0 d ) c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d h a v es h o w nt h a tt h e c o r e a n n u l u s f l o ws t r u c t u r eo fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dw a sa l s o o b s e r v e d t h ep r o f i l eo fp a r t i c l ev e l o e i t ya tr a d i a ld i r e c t i o ns h o w e d p a r a b o l i cc u r v e s h a p e ， h o w e v e rt h ep r o f i l eo fv o i d a g ea tr a d i a ld i r e c t i o nw a sr a t h e re v e n c h a n g i n gt h eg a sv e l o c i t y a n dc i r c u l a t i n gf l o wr a t eg sb o t hh a ds i g n i f i c a n te f f e c t so nt h ep r o f i l eo fv e l o c i t ya n dv o i d a g e 5 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ff l o wc h a r a c t e r i s t i c so fb i o m a s sp a r t i c l e si n al o o ps e a l a p p a r a t u sh a v es h o w e dt h a t ，g a sv e l o c i t yi nt h er i s e rh a dl i t t l ee f f e c to nt h ec i r c u l a t i n gf l o w r a t eg s ；t h eg 。i n c r e a s e dw i t ht h et r a n s p o r tg a sv o l u m ea n da u x i l i a r yg a sv o l u m e ；t h ev a r y i n g o fa u x i l i a r yg a sv o l u m eh a dm o r es i g n i f i c a n te f f e c t so ng st h a nt h a to f t r a n s p o r tg a sv o l u m e ； t h em o d i f i e de q u a t i o nf r o mw a n g sp r e d i c t e dt h eg si ng o o da g r e e m e n tw i 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m p e r a t u r e w a sa b o v e l 0 5 0 * c ，t h er a t i oo f t a r c r a c k i n ge x c e e d e d9 2 t h ec o m p a r i s o n o f t a r c o m p o s i t i o na n dp r o d u c tg a sc o m p o s i t i o nb e f o r e a f t e rc r a c k i n gs h o w e dt h a t ：a f t e rc r a c k i n g ， t h ea r o m a t i ch y d r o c a r b o ni n c r e a s e d ，h o w e v e rt h ep o l a rc o m p o n e n td e c r e a s e d ；t h ec o n t e n to f h 2i nt h ep r o d u c tg a ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ，h o w e v e rt h ec o n t e n to fc i - h ，c 2 h 2 ，c 2 t t 4a n d c 2 h 6d e c r e a s e dm o r ea n dl e s s t h eh e a t i n gv a l u e so fp r o d u c tg a sd e c r e a s e da b o u t2 0 ，b u t s t i l lr e a c h e d5 m j n m 3 ，w h i c hw a ss t i l le n o u g hf o rg a se n g i n e t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fam w s c a l er i c eh u s kg a s i f i c a t i o na n dp o w e rg e n e r a t i o n p l a n tb u i l ti nc h a n g x i n gc i t y , z h e j i a n gp r o v i n c e ，c h i n aw a sa l s ot e s t e d a st h et e s tr e s u l t s s h o w n ：d u et ot h ef l u i d i z a t i o nv e l o c i t yw a s n te n o u g hh i g h ，t h em i x i n go f d e n s er e g i o nw a s n t i d e a l ，w h i c he a s i l yc a u s e dt h eb e dt e m p e r a t u r ee x c e e d e dt h ea s hf u s i n gp o i n ta ts o m es p o ts o a st ot h ew h o l eg a s i f i e ra g g l o m e r a t i o n t h eb e dt e m p e r a t u r el i n e a r l yr o s eu pa se ri n c r e a s e d t h eh e a t i n gv a l u eo fp r o d u c tg a sd e c r e a s e dw i t hb e dt e m p e r a t u r er i s i n gu p ；h o w e v e rt h el o a d v a r y i n gs e e m e dt oh a v el i t t l ee f f e c to ni t t h eg a sp r o d u c t i v i t y , c a r b o nc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y a n dg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi m p r o v e da se ra n de n g i n el o a di n c r e a s e d t h em o i s t u r ec o n t e n t o f f i c eh u s ka l s oh a d g r e a te f f e c t so n t h e o p e r a t i o n p e r f o r m a n c eo f g a s i f i e r , w h e n t h e m o i s t u r e c o n t e n te x c e e d e d1 5 ，t h eb e dt e m p e r a t u r ew o u l ds e v e r e l yf l u c t u a t e t h ea s ha f t e rr i c eh u s k g a s i f i c a t i o nc o u l db eu s e da si n s u l a t i n gm a t e r i a l s ，c e m e n ta d d i t i v ea n dp o t a s s i u mf e r t i l i z e re t v 摘要 a l t h ef n s tb i o m a s si n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l ed e m o n s t r a t i o np l a n tb u i l ti n x i n g h u ac i t y , z h e j i a n gp r o v i n c e ，c h i n a ，w h i c hw a sa l s ot h eb i g g e s tp o w e rp l a n tu s e db i o m a s s a sm a t e r i a l si nc h i n ab yn o w , w a si n t r o d u c e da n dw a sp r i m a r i l yt e s t e d t h es u c c e s s f u l o p e r a t i o n o fd e m o n s t r a t i o n p l a n t h a s p r o v e d t h e t e c h n o l o g y r o u t eo fb i o m a s s g a s i f i c a t i o n - e n g i n e - s t e a mt u r b i n ec o m b i n e dc y c l ew a sf e a s i b l e t h ep r i m a r yt e s tr e s u l t so f 2 0 m w t hb i o m a s sc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dg a s i f i e rs h o w e d ：t h eh e a t i n gv a l u eo fp r o d u c tg a s r e a c h e d5 6 8 0 6 2 1 8 k j n m 3w h e nt h eb e dt e m p e r a t u r ew a s7 0 0 - 8 0 0 a t5 0 l o a da n d e r = 0 2 2 - - - 0 3 5 ，t h em a x i m u mc a r b o nc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yw a su pt o9 0 a n dg a s i f i c a t i o n e f f i c i e n c yw a su pt o8 0 c o m p a r i s o nw i t ht h et e s tr e s u r so f8 0 0k w e r i c eh u s kg a s i f i c a t i o n a n dp o w e rg e n e r a t i o np l a n t ，t h ef l u i d i z e db e dg a s i f i e rs c a l e du pf r o m5 m w t ht o2 0 m w “t h e h e a t i n gv a l u eo fp r o d u c tg a sd i d n td e c r e a s eb u ti n c r e a s e dal i t t l e t h et e s tr e s u l t so f4 5 0 k w e g a se n g i n em o d i f i e df r o m8 3 0 0o i le n g i n e w h i c hw a sa l s ot h eb i g g e s tp o w e re n g i n eu s i n gt h e l o wh e a t i n gv a l u ep r o d u c tg a sa sf u e li nc h i n ab yn o w , h a ss h o w nt h a tt h ep o w e re f f i c i e n c yo f e n g i n er e a c h e d2 8 8 2 9 7 w h e nt h el o a dw a s7 0 - 9 0 a n di m p r o v e d1 6 t h a nt h a to f2 0 0 k w eg a se n g i n e f i n a l l y , u s i n gt h ed a t ao ft h r e ea b o v eg a s f f i e r s ，ap r e d i c t i o nm o d e lb a s e do na r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r kw a sp r o p o s e dt op r e d i c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb i o m a s sg a s i f i c a t i o ni n f l u i d i z e db e d a f t e rb e i n gt r a i n e d ，t h em o d e ls h o w e dg o o dp r e d i c t i o na b i l i t y , w h i c hw a sv e r y v a l u a b l ef o re v a l u a t i o na n dp r e d i c t i o no f b i o m a s sg a s i f i c a t i o ni nf l u i d i z e db e d k e y w o r d s ：b i o m a s s ；g a s i f i c a t i o n ；f i u i d i z e db e d ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e l v i 生物质流化床气化机理与工业应用研究 第一章文献综述及选题 1 1 生物质能概述 生物质包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。从广义上 讲，生物质是植物通过光台作用生成的有机物，它的能量最初来源于太阳能，所 以生物质能也是太阳能的一种。 生物质的种类繁多，植物中最主要也是我们最经常见到的有木材、农作物 废弃物( 秸秆、稻草、麦秆、豆秆、棉花秆、谷壳等) 、杂草、藻类等。非植物 类中主要有动物粪便、动物尸体、废水中的有机成分、垃圾中的有机成分等。 地球上生物质数量巨大，根据生物学家的估汁，地球上每年生长的生物质 总量约1 4 0 0 1 8 0 0 亿吨( 干重) ，相当于目前世界总能耗的1 0 倍。在我国的生物 质能资源也非常丰富，每年农村秸秆量约6 5 亿干吨，到2 0 1 0 年估计达到7 2 6 亿干吨，相当于5 亿吨标煤；柴薪和农林废弃物每年约达3 7 0 0 万立方米，相当于 2 0 0 0 万吨标煤。 随着矿物燃料的日益枯竭及人类大量使用矿物燃料带来的目益严重的环境 问题( 如温室效应、酸雨等) ，大力开发清洁的可再生能源己成为摆在世界各国 政府面前的一个非常紧迫的世界性课题。生物质能和其他可再生能源，如：太阳 能、海洋能、风能、地热能等，相比，具有如下特点： ( 1 ) 可再生性。生物质通过光合作用，不断吸收空气中的二氧化碳及水分， 把太阳能以化学能的形式储存于有机体内；人类通过燃烧等方式将存储于 生物质体内的化学能转化为热能、电能等，同时释放出二氧化碳和水。两 个过程互相匹配，周而复始，从理论上讲，生物质能可以说是取之不尽， 用之不竭的。 ( 2 )与常规能源的利用具有最大的兼容性。由于生物质是以实物形式存在 的，是唯一可存储和运输的可再生能源。另外生物质能与煤、石油等内部 结构和特性相似，可以采用相同或相近的技术进行处理和利用，利用技术 的开发和推广难度和其他可再生能源相比要小得多。生物质通过一定的转 化，除可转化为电力外，还可转化为油料、燃气或固体燃料，直接作为常 规燃料的替代物应用于柴油机、燃气轮机、锅炉等常规热力设备。 第一章文献综述及选题 ( 3 )减少温室气体及其他有害气体的排放。矿物燃料燃烧释放出化学能的同 时释放出大量二氧化碳气体，由于不能及时被植物所吸收，这些二氧化碳 气体积存于大气中，造成温室效应。而生物质中的碳来自大气中流动 的二氧化碳，人们在利用生物质的同时虽然也释放出二氧化碳，但是由于 光合作用和燃烧过程互为逆反应，二氧化碳的吸收和释放基本处于一个比 较平衡的状态，因此不会带来所谓的温室效应问题。另外生物质和常 规矿物燃料相比，它的挥发组份高、碳活性高、含硫量和灰份都比煤低， 因此生物质能利用过程中s o 。和n o ，的排放较少，造成的空气污染和酸雨 现象会明显降低。可以说，生物质是一种非常理想的清洁能源。 1 2 生物质能源利用途径 目前比较常用的生物质能源利用技术主要有：( 1 ) 直接燃烧或与煤等混燃技 术：( 2 ) 热化学转化技术；( 3 ) 生物转化技术。每种生物质利用技术都有其最佳适用 条件。生物质种类多样性使得各种生物质利用技术同时并存，并互为补充。 1 2 1 生物质直接燃烧与混燃技术 生物质直接燃烧或混合燃烧技术由于不存在转化过程热量损失，从理论上 讲，是能源利用效率比较高的一种利用方式。生物质燃烧技术主要考虑的因素有： ( 1 ) 原料密度，有些生物质( 如稻草、秸秆等) 等，其堆积密度只有矿物燃料( 如 煤) 的1 1 0 1 2 0 ，因此利用这些生物质原料时一般需要先进行压缩处理。( 2 ) 水分，有些生物质水分高达5 0 7 0 ，这些生物质在燃烧过程中蒸发需要吸收大 量热量，大幅度降低燃烧效率，应此一般需要预干燥处理。( 3 ) 颗粒尺寸，对一 些粒径比较大的生物质原料( 如圆木) ，必须在燃烧前对其进行破碎处理。( 4 ) 挥发分，生物质挥发分一般都比较高，接近6 0 7 5 。对于炉排式锅炉，生物 质燃烧主要不在炉排上而是上部空间，因此燃烧生物质的锅炉必须有足够的燃烧 空间，才能保证燃烧完全和蒸发管安全“1 。 目前生物质直接燃烧技术主要有：( 1 ) 炉排燃烧技术；( 2 ) 悬浮燃烧技术； ( 3 ) 流化床燃烧技术。其中又以流化床( 包括鼓泡流化床和循环流化床) 燃烧 技术最为广泛，目前该技术国外燃烧生物质的电站规模最大接近6 0 0 m w m ，如芬 兰的a l h o l m e n sk r a i t 电厂( 5 5 0m w m ，c f b 技术) ，如图1 1 所示。 生物质流化床气化机理与工业应用研究 图1 1 芬兰a l h o l m e n sk r a f tc f b 锅炉“j f i g u r e1 1t h e a l h o h n e n sk r a f tc f bb o i l e ri nf i n l a n d 该电厂是世界上最大的生物质燃料发电厂，由k v a e r n e r 制浆工厂供应燃料， 己于2 0 0 1 年交付使用。该电厂的燃料由4 5 的泥煤、1 0 的森林残余物、3 5 的树皮及木材加工废料以及1 0 的重油或煤组成。由于设计时就允许燃料种类存 在很大的变化，即使燃料从1 0 0 煤变化到1 0 0 木材，这种锅炉也能够很好地 适应。重油和煤作为唯一的贮备燃料，以满足燃料供应遇到特殊情况时的需要。 表1 1 给出了该电站主要技术参数。 表1 1a l h o l m e n sk r a f t 电站主要技术参数 t a b l e1 1t e c h n i c a lp a r a m e t e r so f a l h o l m e n sk r a f tp o w e rp l a n t 项目 参数 锅炉设计出力 蒸汽产量 蒸汽压力 过热蒸汽温度 锅炉效率 5 5 0 m w t h 1 9 4k g s 1 6 5b a r 5 4 5 9 2 对于大型的生物质直接燃烧发电技术，考虑到系统比较复杂，投资成本较 高，因此一般其规模都超过10 m w 。，其发电效率接近或超过3 0 ( 最高达到4 4 ) ，投资成本约1 2 0 0 2 9 0 0 美元每千瓦( 1 9 9 2 年美国价格为基准) 。 第一章文献综述及选题 1 2 2 生物质热化学转化技术 生物质热化学转化技术根据目标产物不同又可分为：热解( 干馏) 技术、 气化技术、直接液化技术。 干馏技术主要目的是生物质碳和燃气，它可以把能量密度低的生物质转化 为热值较高的固定碳或燃气，碳和燃气可分别用于不同用途。其优点是设备简单， 可以生产碳和多种化工产品；缺点是利用率较低，适用性较小，一般只适用于木 质生物质的特殊利用。 生物质气化是把生物质转化为可燃气的技术，根据技术路线的不同，可以 是低热值气，也可以是中热值气。它的主要优点是生物质转化为可燃气后，利用 效率较高，而且用途广泛，如可以用作生活煤气，也可以用于烧锅炉或直接发电； 主要缺点是系统复杂，而且由于生成的燃气不便于储存和运输，必须有专门的用 户或配套的利用设施。 直接液化是通过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术。它的主要优 点是可以把生物质制成油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值均大大提 高；主要缺点是技术复杂，热解油只能作为低品味液体燃料，必须精练提升，目 前的成本仍然太高。 1 2 3 生物转换技术 生物转换技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主。厌氧消化主要是把水 中的生物质分解为沼气，它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧处理污水的工 程。其主要优点是提供的能源形式为沼气( c h 4 ) ，非常洁净，具有显著的环保 效益；主要缺点是能源产出低、投资大，比较适宜于以环保为目标的污水处理工 程或以有机易腐物为主的垃圾的堆肥过程。 特种酶技术是利用微生物把生物质转化为液体燃料( 如乙醇等) 的技术。 它的主要优点是可以使生物质变为清洁燃料，拓宽用途，提高效率；主要缺点是 转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。 1 3 生物质气化原理与研究进展 1 3 1 生物质气化原理与工艺 1 3 1 1 生物质气化原理 生物质气化是在气化剂存在条件下，组成生物质的碳氢化合物转化为可燃气 4 生物质流化床气化机理与工业应用研究 体的过程。 生物质气化一般经历如下几个阶段： 1 ) 干燥过程。生物质原料加入反应器后，首先被加热，析出生物质所含的 水分。 2 )热解过程。当温度上升到2 0 0 2 5 0 。c ，生物质组分开始发生热分解，大 分子的碳氢化合物的链被打破，析出生物质的挥发分。留下残碳和灰份 构成进一步反映的床层。热解过程是一个非常复杂的物理化学过程，随 加热速率、温度、和热解气氛不同，热解产物的差别很大。1 。 3 ) 燃烧过程。在有氧气( 或空气) 参与的气化过程中，氧气与热解生成的 挥发分和残碳发生燃烧反应，释放出热量来维持热解过程和还原反应所 需热量。 4 ) 还原反应。还原反应主要发生在燃烧后的水蒸汽和二氧化碳与碳之问， 通过还原反应