（动力机械及工程专业论文）上吸式生物质气化炉的设计试验和模拟.pdf

上吸式生物旗气化炉的设诗，试验和摸拟 摘要 能源问题是全球的重大问题。生物质能是一种有效的替代能源，可以 缀簿麓源麓紧张阉题。我懑生物质疑资源比鞍丰富，瘟当热强对生甥质憨 秽髑静醑究。 本文进行了生物质气化的研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 设计一个小型上吸式气化炉。该气化炉能满足各芹中常见生物质 煞气纯要求，胃以溪量气纯爱应嚣雩各反波速蕊瀑痰变诧，良了鼹爰应滠凌 对气化反应的影响。 ( 2 ) 对气化炉炉内溉度和鼓风鼹之间的关系进行了实验研究。实验 结渠表明：在鼓风量较小静情况下，炉内滠度建鼓风量的增加麓基著提高， 稳当鼓风量达瓣定僮磊，沪内瀑瘦瓣稳高变褥缓凌。 ( 3 ) 利用c h e m k i n 软件建立气化炉的计算机模型，并对气化炉进行 模拟计算。模拟结果表明，直接影响热解区反应的怒物料表面温度，环境 澡凄对热解爱应无妻接影嗡。毽裹瑶激发鑫繇境澄黢窝黄热零凌定，气纯 反应的环境溢度有一定的范围，因此加大环境和物料之间育幂i 予热解的进 行；而氧化区和还原区反_ 陂进行较快，在给定的环境温度和表丽温度范围 内基本不受溆发影晌，且遮原区最主溪的反应是c o - h ：o 的水煤气反应。 荧键词：生物质；气化；上吸式：c h e m k i n ；模拟 d e s i g n ，e x p e r i e n t a t i o na n ds i m u l a t i o no ft h eu p w a r d v e n t i l a t i n gb i o m a s s g a s i f i c a t i o ns t o v e a b s t r a c t e n e r g y ist h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e mi nt h ew o r l d b i o m a s s resourcei sa ne f f i c i e n ts u b s t i t u t ef o re n e r g ya n dc a nm i t i g a t et h e s c a r c i t yo fe n e r g y m o r e o v e r ，b i o m a s sr e s o u r c ei no u rc o u n t r yi s r a t h e ra b u n d a n c e w es h o u ld s t r e n g t h e nt h er e s e a r e ht h a t c a nm a k e u s eo fb i o m a s sr e s o u r c e ( 1 ) as m a l lu p w a r dv e n t i l a t i n gb i o m a s s - g a s i f ic a t i o ns t o v ew a s b e e nd e s i g n e d t h es t o v ec a ns a t is f yt h er e q u e s to fg a s i f i c a t i o nf o r v a r i o u sf a m i l i a rb i o m a s s ，a n dt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r eo fd i f f e r e n t r e a c tz o n e c a nb em e a s u r e dt or e s e a r c h t h ei n f l u e n c eo fr e a c t i o n t e m p e r a t u r eo ng a s i f i e sr e a c t i o n ( 2 ) t h i sp a p e rs t u d ie st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n s t o v e t e m p e r a t u r e a n d b l a s t i n g a i rf o r u p w a r dv e n t i l a t i n gb i o m a s s g a s i f i c a t i o ns t o v e t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e t h a ta tt h es i t u a t i o no fs m a l lb l a s t i n ga i ra m o u n t ，t h ei n s t o v e t e m p e r a t u r ei n c r e a s e sn o t a b l yw i t ht h ei n c r e a s eo fb l a s t i n ga i r q u a n t i t y ，b u tt h ei n c r e a s eo ft h ei n s t o v et e m p e r a t u r eb e g i m st o s l o ww h e nt h eb l a s t i n ga i rr e a c h e sac e r t a i na m o u n t ( 3 ) t h ec h e m k i ns o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h eu p w a r d v e n t i l a t i n gb i o m a s s - g a s i f i c a t i o ns t o v e t h ef a c t o tt h a ti n f l u e n t s t h er e a c t i o no ft h ep y r 0 1 y s isz o n ei sm a t e r i a ls u r f a c et e m p e r a t u r e b u tn o te n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e t h es u r f a c et e m p e r a t u r ei sd e c i d e d b ye n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n dh e a tt r a n s f e rr a t e t h ee n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r eo fg a s i f i e sr e a c t i o ni si nc e r t a i ns c o p e ，s oe n l a r g i n g h e a tt r a n s f e rr a t eis a d v a n t a g e o u st op y r o ly s isr e a c ti o l l t h e r e a c t i o n so fo x i d i z ez o n ea n dr e o x i d i z ez o n ec a r r yo nq u i c k l y ，s o w h e nt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n ds u r f a c et e m p e r a t u r ea r ei nt h e g i v e ns c o p e ，t h e ym a k e1 i t t l ei n f l u e n c et ot h er e a c t i 0 1 1 s0 ft h et w o z o n e s t h em a j o rr e a c t i o no fr e o x i d i z ez o n eisw a t e rg a sr e a e t i o n k e yw o r d s ：b i o m a s s ：g a s i f i c a t i o n ：u p w a r dv e n t i f a t i n g ：c h e m k i n ： s j m t u 】a t jo n 图2 1 图2 - 1 图2 2 图2 - 3 图2 4 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 8 强2 - 9 图3 一l 图3 - 2 图3 3 圈3 - 4 - 图3 - 5 图4 - 1 图4 2 图5 一l 图5 - 2 图5 3 蒌争唾 图5 - 5 图5 - 6 图5 - 7 蚕5 - 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 l 圈5 1 2 图5 1 3 图 圈 图 图 1 4 l s 1 6 l7 插图漆单 生物质转化技术分类4 生物质气化原理，。9 上吸式气化妒原璞蒸。，。1 0 下吸式气化炉原理图1 l 平吸式气化炉原理图。1 1 上吸式气化炉总体绪构示意图1 6 过滤净化装置流稷圈+ + 18 旋风式水淋器结构示意图1 8 气水分离器结构示意图，1 9 旋风分离器结构承意强2 0 实验装覆示意筒图2 1 热电偶分布示意图2 2 热解区温度与鼓风机转速的关系。2 3 还原区深度与鼓风机转速豹关系：。2 3 氧化区温度与鼓风机转速的关系2 3 c h e m k i n 软件的组成体系结构2 6 c h e m k i n4 0 中的反应器模块。2 7 生物质热裂解过程描述示意图一3 2 纤维素的两步热分解反应3 3 纤维紊热裂解反应原理3 3 s h a f i x a d e h 提出的生物质裂解反澎途径。3 3 环境2 5 0 0 c 时热解气体各组份的百分含量3 5 环境2 5 0 | 0 c 时热解气体的质量3 5 环境2 5 0 。c 时热解气体的体积。3 5 环境3 5 0 。c 眩热解气体各组徐的酉分含量3 6 环境3 5 0 0 c 时热解气体的质量3 6 环境3 5 0 0 c 时热解气体的体积3 6 环境4 5 0 。e 时热解气体各组份翡秀分含量。，3 6 环境4 5 0 。c 时热解气体的质量3 6 环境4 5 0o c 时热解气体的体积3 7 环境5 5 0 0 c 时热解气体各组份的百分含量。3 7 环笺5 5 0 8 c 时熬鳃气俸的质量。3 7 环境5 5 0o c 时热解气体的体积3 7 表面温度l9 0 0 c 时热解气体各组份的百分含量3 8 图5 一1 8 图5 一1 9 图5 2 0 图5 - 2 l 霞5 2 2 图5 - 2 3 图5 - 2 4 图5 - 2 5 图5 - 2 6 图5 - 2 7 图5 - 2 8 图5 - 2 9 图5 3 0 图5 3 1 图5 3 2 匿5 3 3 图5 - 3 4 图 嚣 图 图 3 5 3 6 3 7 3 8 表蘑温度1 9 0 。c 时热解气钵的痪薰，3 8 表面温度1 9 0 0 c 时热解气体的体积3 8 表面温度2 1 0 0 c 时热解气体各组份的百分含遵3 8 表面温度2 1 0 。c 时热解气体的质量。3 8 表面温度2 l o 。c 时热群气体的体积。3 9 表面温度2 3 0 0 c 时热解气体各组份的百分含最一3 9 表面温度2 3 0 0 c 时热解气体的质量3 9 表面漏浚2 3 0 0 c 时热解气体的体积。3 9 表面温度2 5 0 8 c 时热解气体各组份的百分含蹙4 0 表面温度2 5 0o c 时热解气体的质最4 0 表面温度2 5 0 0 c 时热解气体的体积4 0 燕解气镩质量| 夔物糕表面温度变化曲线图，4 0 几种可能的碳燃烧机理4 l 燃烧碳粒附近c 0 ，c o 。和0 ：的浓度假想。4 2 二氧化碳囱碳球的扩散，。4 2 实验铡得的在燃烧惹的碳辩近的c o 。、c o 嗣0 。浓度i 。4 2 碳燃烧过程示意图4 3 氧化区气体成份随时间变化示意图4 4 氧化嚣气落质量睫辩阔变化示意隧。4 5 还原区气体组份随时闻变化示意图4 7 还原区参与反应的固体碳质量随时间变化示意图4 8 表格清单 表3 一l玉米秸爵的工监分析。 表3 2生物质燃气的体积含量表， 表3 3玉米秸秆的主要化学成份 表5 一lc o 。和c 0 的标准焓。 表5 2还原区气体和常见生物质燃气成份对比 l3 1 4 1 4 + 3 4 ，4 8 独创性声明 本人声糖所呈交麴学位论文避奉入在导师指导卜进行躲研宄工作及取缮豹研究戏果。撂 魏衢弼，除了丈中特另# 抽噬标注瓢毁瀚封建方静，论文中零龟舍萁绝 已经发艘袋撰写过嚣 研究成果，墩车鼠舍为获得 佥盥= 些盍兰 或其他靼百机构盼学位或 芷书而使用过的 材料。与我一间工作的同志对奉研究所做的任伺贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 一鹕：廨蓐 辩蹶碾f 目所 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解禽熙王、业盔差有关保留、馈用学位论文的规定，有权保留并 舟国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阈。本人授权金墨 出l 盍堂可醇垮学位论文的全部或癣分离客编入有关数猫库进雩亍检荤，可鞋果弼髟邵、缩 印或拇攒等薨嚣l 手段保存、幂编学位论文。 ( 保密的举位论文在解密厨迸用奉授权书) 蝴娩础姊名：歹彩磋 签宇品龋；o 乓5 月歹筐签字目期：孔，口舌年g 月，日 学位谚文搏糟毕业后去向： 【作苹链： 通讯地址： 毫馕 自日编 致谢 本论文是在导筛左承基教授瀚悉心指导和言传身教下完成的，其中渗 透着左老师的心血和期盼。在科研上，导师严谨的治学惫度、渊博的学识、 开阔敏锐的科学思维和大胆创新的科学精神锼戏受盏匪浅。在生活上，导 簿氇关t 箨螽至，其乐瘸大凄彝平鬓逶久戆生滔态度，令学童终生难忘。值 此论文宪成之际，再次感谢左老师的栽培，并致以最崇高的敬意。 在论文及相关试验完成的过稷中，得到了许多老师和同学的帮助，在 此感谢悠们。感谢孙攀老耀、骚勤老烬、刘一嚷老爆、谈建老师、徐天玉 老筛、钱盱蓟老螽，感谢缝稍对我的关心和支持：感谢瀚窗好友蔼建群、 韩清、杨瑜、陈利明，感谢他们的帮助。 最后，我还要感谢我的父母二十几年来对我的哺育和教养，没有他们 这么多年寒戆支藏，我无法取缮今天戆或绩。 作者：姚炜 2 0 0 6 年6 曩 1 1 课题背景 第一牵绪论 能源是人类社会存在和发展的物质蘩础。过去的两百多年里，建立在煤炭、 石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推进了人类社会的进步和发 震。然丽现代绞济已经过麈依赖于化石燃料。以2 0 0 1 年为例，根据统计“，世 界煞源静总消耗量戳石油换算为9 1 2 4 8 0 亿稚，奠中石油占3 8 5 ，煤炭占2 4 7 ，天然气占2 3 7 ，这榉化石燃料的消费燕占了总量的8 6 9 ，此外，核能 占6 。6 ，葵 篷形式的能漂占6 5 。这耱对纯石然辩静过凌依赖带来了环境润 题、经济危捉、现代战争、镁主秘领海争端等一系蒯赘严耋闫怒。 从能源的发展耱最来惹，化石燃料鲍兹景不容聚观。掇星麓勘测瓣霹采容 量“3 ，煤的可馊用年限为2 2 0 年，天然气6 0 年，瑟石浊只骞4 0 年。尽管她震 学家和经济学家对化石燃料开始髓乏的时间仍有争论，但无论如俺，化石燃料 终将耗尽确是无可争辩的事实。 寻找一种可再生的替代能源已经成为社会普遍关注的焦点。可再生能源包 括太阳能、风力、水力、生物质能、波浪能、潮汐能等等。生物质能作为唯一 可储存和运输的可再生能源，具有广阔的发展前景，生物质能技术的研究和开 发已经成为世界重大热门课题之一，并受到各国政府和科学家的关注。 2 l 毽毵中国的可持续发麓面临着能源的严峻挑战：国内优质能源资源不 是，环境问题帮能源安全豳益追韵，溢室气体排放的压力目趋增大等。改变我 嗣传统熬能源生产、灌费模式，利用生物质能等清洁可再生能源，对建立可持 续发展载能源系绕，鼹进我晷经济发展霸环境保护箕有十分重大弱现实稻战礴 意义。 1 2 生物质能简介 1 2 1 生物质能的来源及概况 生物质跫指通过光合作用而形成的各种有机体，包括地球上所有的动植物 帮微生物。生物质能楚太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，以生 物痿为载体的能量，它直接或闻搂来源予绿色植物的光合作用。在各种可褥生 镱源中，生物震能极其独特，它储存游是太阳能，是睢一可再生的碳源，在其 生长过理中吸收大气中的e 0 ：，梅戏了生物震中磺的循环。嚣估计l ”缝球上每年 撼物光台 乍翅匿定的碳达到2 0 0 0 x1 0 8 遗，含链璧达3 1 0 ”焦耳，每年通过光 合作用储存在植物枝、羹、叶中的太阳能相当于全世界年能耗的1 0 倍。生物质 遍布世界各地，蕴藏量极大，仅地球上的植物每年生产量就相当于霸前人类消 耗矿物能的2 0 倍，或相当于世羿现有人口食渤能萱的1 6 0 倍。 生物质能自古以来就是人类赖以生存的髓源，在人类社会历雯鹩发藤谶程 中始终发挥誊极其重要觞作用。人类鲁发魏火开始，虢懿生物质翡形式来糕籍 太阳能傲饭私取暖。帮便是今天， 釜界土薪桨的主要用途依然愚在发震中戮家 供农辩建区炊事耪取瑗。 在世器熊耗中“1 ，圭l 兰浆艨愁约占l s ，在不发达地区占8 0 以上。在少数 国家，生物联能媳比重逆更奄。在遐泊尔，总能量的9 5 以上来源予生物质能 源，马拉维愚9 4 ，肯尼亚是? 5 ，印度是5 0 ，中国是3 3 。全世界约2 5 亿人的生活熊源的9 0 以上是生物质能。在能源的转换过程中，生物质是种 理想的燃料。生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰份较低，具有很强的再 生能力；缺点是热值及热效率低，体积大且不易运输，直接燃烧生物质的热效 率仅为1 0 3 0 。目前世界各国正逐步采用热化学转换法、生物化学转换法、 机械成型、转换为电力等方法利用生物质能。 l ，2 。2 生携凄能资源 生物矮熊灼浚源主爱包括以下几方薅： ( 1 ) 森抟能源 森林能源是森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，主要是薪材，也 包括森林工业的些残留物等。森林能源在我国农村能源中占有踅要地位。1 9 8 0 年前后全国农村消费森林能源l x l 0 8 吨标准煤，占农村能源总消费爨的3 0 以 上，而在丘陵、山区、林区农村生活用能的5 0 以上依靠森林能源“j 。 ( 2 ) 农作衔秸秆 农作物稽秆式农韭生产的耐产品，也楚我国农村的传统燃料。秸秆资源与 农业稀檀监的生产关系十分密讶。裰据1 9 9 5 年的统计数据计算“1 ，我国农作耪 稽秆年产量为6 0 4 1 0 8 缱，其中造糙还圈及浚集损失绮占1 5 ，瓣余5 1 3 1 0 8 穗。这些裁余靛农俸秘秸秆豫了、 乍隽销料、王监源料之羚，其余大都分都侔为 农户炊事、取暖用料。逸兹全嚣农树髂为照澡熬秸蟹漕费量约弗2 8 s x l 0 8 遵， 毽大多数还处予低效剥盟，及煮接在柴灶上燃烧，其转换效率仅为1 0 2 0 左右。近年来，在较为接近囊熬能源黝农树地区域富裕豹农村地区强品能源已 经取代农 乍物秸秆成为主要的炊事用能，这致使废弃于地头姻蚓直接燃烧的菇 秆量逐年增大。许多地区废弃桔秆量已占总秸秆蹩的6 0 以上，既危害环境， 又浪费资源。因此，加快秸秆的优质转化利用势在必行。 ( 3 ) 禽畜粪便 禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。除在畜牧区有少量赢接燃烧外，禽 畜粪缓主要是 乍为滔气熬发戆暴餐。孛蓉静主要禽畜是鸡、猪酾孛，蔽摇这些 禽畜晶种、体重、粪便排澈量等因素可以估簿出粪便资源量。掇据计算”3 ，目 前我国禽畜粪便资源总量约8 5 x 1 0 8 吨( 相当于7 8 4 0 多万吨标准煤) 。 ( 4 ) 生活垃圾 城镇生活垃圾主要魁国蘑民生活垃圾、商渡和服务业垃圾、少量建筑垃圾 等废雾貔援凌藏夔滢合镶，或爨逡较复杂，獒稳或主要受潼民生活承平、辘滚 维鞫、城市建设、绿纯谢襁以及季节变化影锏。 随餐城市规模的扩大和城市化进程的加遮，中国城镇垃圾的产生量和堆积 量逐年增加。1 9 9 1 年和1 9 9 5 年，全国工业网体废物产生量分别为5 8 8 x1 0 8 吨和6 4 5 x l0 8 吨，同期城镇生活垃圾量每年以1 0 左右的速度递增。1 9 9 5 年 中国城市垃圾港总数达6 4 0 痤，垃圾涛运鬣l 。0 7 5 0 x 1 0 8 吨“1 。 ( 5 ) 麓潺植物 能源植物种类较多，例如制糖作物、水生植物、油料植物锑。如将制糖作 物转化成乙醇将可成为一种撤富潜力的生物能。制糖作物最大的优点在于可直 接发酵变成乙醇。利用一魃水生藻类，主要包括海洋生的马尾滚、巨藻、海带 等，淡水生的布袋草、浮游- 小球藻等承生檬妨转化成燃料，瞧是增搬能源供 应蕊方法之一。量蓑晷内羚曩三在疆究零l 矮瓣濂瓣捷澎主要有缘熏瓣、三时橡验 橱、自飘本、光皮树、漓橄榄等。 总之，生物质资源不仅储量丰富，而且可以再生。据估计“3 ，作为植物生 物质的嫩主要成份一木质索襁纤维素每年以约1 6 4 0 1 08 吨的遮度不断再生， 魏懿毙爨换算，程当于露懿石漓年产量弱1 5 2 0 蹙。强暴这部分麓量楚褥到爨 簿，入黉裁稳当予援有了一个取之不尽、周之不竭的资源宝露；两置，宙予生 物质采源予c o ：，但不会增加大气中c 0 ：的含凝，因此生物质与矿物质燃料相比 更为清洁，是未来世界理想的清洁能源。 1 3 生物膝能利用技术 入爨对生耱覆能静鞭惩已有憨久豹掰史，毽在漫长静时闻黧，总是以直接 燃烧的方式利用他的热量。赢到2 0 世纪，特别是近一二十年，人们普遍提高了 能源和环保意识，对地球网有的化石燃料日黻减少有一种危机感，在可再生能 源方面寻求能源持续供给的今天，生物质利用新技术的研究与成用，才有了快 速的发鼹。缎观国内夕 已有鲶生物质能利用技术，大体上如图卜1 麝示h 。 1 3 1 直接燃烧技术 图1 1 生物质能利用技术分类 直接燃烧大致可分炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧和固型燃料燃烧四釉情 黼。炉灶燃烧是最原始的利用方法，一般适厢于农村或山区分散独立的家庭用 户，它的投资凝省，但效率最低，燃烧效率在1 5 2 0 左右。锅炉燃烧采用 了现代化的锅炉技术，适用于大规模利用生物质，它的优点是效率高，并且可 实现工业化生产；主要缺点是投资毫。瑟虽不适予分数浆夺撬模剽髑，生魏震 必须相对集中才能采用本技术。垃圾焚烧也是采用锅炉擞术处理垃圾，但由于 垃圾鑫位惩，瘸蚀黢强，黪臣它耍求投未更麓，投资更大，跌缝量翻髑受发， 它必须规模较大才比较合理。固型燃料燃烧鼹把生物质固化成型后苒采用传统 豹燃烧设备燃鞠，主要优点是繇采用瀚煞力设备遗传统静定鳌产品，不必经过 特殊的设计或处理；主要缺点是运行成本高，所以它比较适合企业对原有设备 邋行技术改造时，在不重复授资的前穗下，以生物质代替煤，以达到节能的目 的，或应用于对污染要求比较严格的场所，般饭鹰烧烤等。 1 3 2 物化转换技术 物化转换技术包捶三方面，一是于馁技术；二是气化制生甥蜃燃气；三是 热解制油。干馏技术主要目的是生产生物质炭和燃气，它可以把能量密度低的 生携矮转纯为熟篷较离熬炭或气，炭蟊濑气霹分鬟孺子不蘑瘸途。傥点是设备 简单，可以生产炭和多种化工产品，缺点魑刹用率较低，而且通用性较小，一 般只邋用于木质生物质的特殊利用。生物聪热解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，可以是低热傻气，也可以是中热值气。它的主 要优点怒生物质转化为可燃气后，利用效攀较襄，两虽用途广泛，如可眉作生 活爨气，瞧司臻予麓锅炉藏矗接发电。主癸缺点是秀绞复杂，瑟虽交予生残熬 燃气不馁于储存和运输，必须有专门鳃薅户戚配套的利用设施。热解稍油是通 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 制成油晶燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值大大提简，主要缺点是技 术复杂，目前的成本依然太高。 1 3 。3 擞豫转换技术 生化转换技术主要怒以厌氧消化和特种酶技术为主。沼气发酵是有机物质 ( 为碳水化合物、脂肪、滋白质等) 在一定溉度、湿度、酸碱威和厌氧条件下， 经过沼气群菌发酵( 消化) 生成沼气、消化液鞍消化污泥( 沉滚) 。这个过程就 列 薮溜气发酵或厌氧瀵纯。它奄捂小型弱农辩湛气技寒露大羹豹厌氧楚理污承 静工穗。它的主要优点怒鼹供酌能源形式为沼气 c h ；) ，非常灞净，具有显著 的环保效益；主要缺点是能源产出低，投资大，所以比较适宜以环保为目标的 污水处璁工程或以有机易腐物为主的垃圾堆肥过程。利用生物技术( 包括酶技 术) 把生物质转化为乙醇的主要目的是制取液体燃料，它的主骚优点是可以是 生物质变为渍洁燃料，拓宽爆途，提高效率；主要缺点是转羧速度太馒，投姿 较大，簸本相对较嘉。 1 3 4 植物油利用技术 能源植物油是一类储存在植物器官中，缀过加工后，可以提取檀物燃料浊 懿浊瞧 袁魏。它透过檀甥露辍体麦一系爱黪垒瑗生纯过程形藏，醚一定戆结稳 形式存在于饶质或挥发瞧漓类等物震中。麓滚油料植物是一樊含有能源植物漓 成份的物种或变种，是焱可再生能源。能源油料植物主要包括油脂植物和具 有制成还原形式烃的能力，接近石油成份，可以替代石油使用的植物。植物燃 料油是通过能源油料植物 由的提取加工后，生产出的一种可以餐代石油使用的 植物。它酶优点是提炼秘生产技术簿单，主黉缺点是渣产率较低，速度缦漫， 露虽磊辩黥筛选帮培育氇院较困难。 1 4 生物质气化技术的掰史及现状 1 。4 1 生物霾热解气纯豹魇雯 生物质热解气化最早出蕊于1 8 世纪晚期，1 8 3 9 年建成了世群上第一台气 纯炉一上吸式气化炉。 生物质热解气化技术的成用已有半个多世纪了，早在本世纪2 0 年代，生物 质燕解气化授术在欧洲己被需于驱动卡车和拖拉褫第二次鬣界大战期阉，为解 决夏浊燃料的短缺，鼹予建燃规鲍小型气化装置褥到了广泛应用，当时欧洲许 多圈家有成百上千台的气化炉用于民用车辆。4 0 年代初，我国部分地区已开始 用术炭、木袭经气纯驱动民嗣车祸。在5 0 - - 6 0 年代我謦些遗区爝本臻燃糕气 化驱动内燃机，以取代柴油秘汽油，用于开动汽车和提水发晦设镰。4 0 年代至 7 0 年代以前，生物质热解气化仅只是因其暂时的常规能源紧张和某些需求而产 生鞠发袋超寒的，这一羚莰哥看戒是生物质煞解气纯静初羯，对瘸予气纯懿生 物质原料有严格的规定，一般使用硬质木块和木炭，并且当时的技术不完善， 使用不太方便。 7 0 年代翅絮，生秘蒺热瓣气能俸为矿秘缝源豹毒 充戆漯嚣重麟为各国联重 视。从1 9 7 3 年的第一次石油危机以来，生物质气化技术在国际上有了新的发展。 国外开始研究城市垃圾、谷壳、玉米芯、纸厂废料、蓄粪等有机鹰料气化帝气 矮子发电，欧美、基本及末凑亚蚤聱均开发零曩焱抟废弃物驰热解气讫炉，用 于驱动拖拉机、发电、供热及干燥等。这一阶段的特点表现为：寻求解决矿物能 源的替代能源。 t 9 8 0 年以来，戈其在环壤与发展匏要求下。使人们不断认识剔无黢制地彝 自然界索取资源将会加剧世界性的能源危机、环境污染以及生态平衡的破坏， 因忿，有梳废弃物的资源仡一生秘质热解气纯技术蒋次受羁入们酶重穗。献8 g 年代初，我国也开展了农林废弃物的生物质气化研究，中国农业机械化科学研 究院研制出了n d 系列和h q 系列生物质气化炉，山东省能源研究所开发出了x f l 系捌生物质气纯炉，中科院物理掰究所研裁密了本质燃料气佬炉，中科院广髑 能源所研制出了下吸式、上吸式、平吸式以及流化床生物质气化炉等。 1 。4 。2 生物震气他技术静应用瑰姨 生物质燕解气化投术静应用已有半个多 鲎纪，它作为矿街麓源的补充簸源 已为各豳所重褪。当前，由于人类对环境的认识嚣加深刻，困恧生物艨能的开 发研究已成为国际热点之一。目前在国内外市场上，常用的生物质热解气化技 术稻串蕊诧穰讫技术都是荤顼进行懿，并没有有褫结合。觚国内辩生秘厦热解 气化技术来豢，生物质气化领域具有领先水平的豳家霄瑞典，美图，意大利和 德国等。目前瑞典以生产出2 5 k w - - 2 5 k w 的下吸式生物质气化炉，科研机构正 致力于流化床和加压气化发电系统的研究工作，美国根据循环流化床气化原理， 研制出生物质综合汽化装置一燃气轮机发电系统成套设备，为大规模发电提供 了样本。此外，德国，意大利，荷兰等国也在生物质气化技术上开展了大量的 研究工作，产品达到商业推广阶段。据统计，1 9 9 3 年世界生物质气化发电厂已 有3 4 3 座，其中1 1 0 座是发电厂。总体看来，欧美发达国家研制的气化装置一 般较大，自动化程度高，工艺复杂，以发电供热为主，造价较高，气化效率可 达6 0 8 0 ，可燃气热值为1 7 2 5 10 4 k j m 3 。 发展中国家由于森林覆盖率下降，也开始重视生物质气化技术的研究，印 度以稻壳为原料，已研制出多规格的上吸式气化炉生物质发电装置。 我国早在5 0 年代就对生物质气化技术进行了研究和开发。通常，我国的生 物质热解气化系统的工艺流程为：鼓风机一气化炉一输气管道燃烧器，系统灵活 性较好，可大可小，系统操作简单，容易掌握。 我国己研制出各种气化炉，对原料有广泛的适应性，用途亦是多种多样的， 并且己逐步形成一定的商品开发能力。这些气化炉主要以小型多用途的方式来 满足市场需求。我国已应用的生物质热解气化炉主要有：3 q c 型煤气发生炉、 n d 一6 0 0 型生物质热解气化炉、x f l 系列生物质气化机组和6 s q 1 1 0 0 大型上吸 式气化炉等。j q c 型生物质气化炉已批量生产，其产品遍布全国3 0 多个城市， 其各项性能指标均达到国内先进水平，并取得明显的经济效益。n d 一6 0 0 型生 物质热解气化炉己批量生产，用于木材烘干，可提高劳动生产率2 - - 3 倍，缩短 木材烘干周期一半以上，并能取得明显的经济效益。c s q 一1 1 0 0 大型上吸式气 化炉以及木粉循环流化床装置，其投资回收期仅为3 个月左右，具有较大的实 用价值。 1 4 3 我国生物质气化技术存在的问题 秸秆类生物质的热解气化技术，是农村秸秆能源化利用的一条有效途径， 不仅为日益富裕的村镇居民提供洁净方便的气体燃料，而且可以减少因焚烧秸 秆所造成的大气污染问题，目前在广大农村得到了一定程度地推广应用，具有 良好的经济效益和社会效益。但由于作物秸秆是低质量生物质原料，具有松散 堆积密度低、灰份高、固定碳含量低等特点，其气化和燃气净化比较困难，因 此目前使用的秸秆气化机组有些问题难以解决，成为制约生物质气化技术发展 的决定性因素。其最突出的两大难点问题是燃气热值低( 1 2 0 0 千卡米3 左右) 、 焦油含量高。燃气热值低，燃气使用量大，致使储气柜和输送管网络等设备投 资大，而且不便供暖和发电，不利于推广。目前，生物质气化气体的热值仅相 当于城市管道煤气的l 3 ；由于焦油含量高，焦油对管道的影响，早期建成的 气化站，有2 3 使用情况不尽理想，几乎处于停产状态，有的甚至停止运行。 1 。5 本课题磷究豹主要内容 从以上酶叙述可以知道，经过半个多世纪的发展，尽管人们在生物质气化 技术的研究上已经取得了一定的进展，但仍然面临着这样或那样的诸多问题。 因此，对生物质气化技术的进一步深入研究是十分必要的 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 竣诗一台枣型兹生物爨气纯炉。蔽据生秘矮气纯爱应熬特点，以爱穗 应的试验要求，设计一个小型妻奠物质气化装置。该装置能满足各种常见生物质 气化反应的特殊要求，可以测缀气化反应时各反应区的温度变化，以了解反应 温度对气化反应的影响。 ( 2 ) 进行生物质气化炉的实验研究。炉内温魔是影响气化反应的主要因素， 茧风量是气化炉反应中最常雳黥控铡参数。本文将通过实验来研究鼓风量葶珏炉 内温度夔关系，觚蠢碡定鼓风瀵蹲气纯反应懿影噙旋律。 ( 3 ) 对气化炉进行建模丽模拟计算。c h e m k i n 程序是美匡s a n d i a 国家实 验室开发的大型气相化学反应动力学软件包，它主要处理和计算燃烧问题中涉 及到的化学动力学问题。本文对气化炉的建模和计算都是以。c h e m k i n 程序为平 台进行的。 2 1 生物质气化原理 第二章生物质气化炉的设计 图2 一l 生物质气化原避 生物质气化是指圃体物质在高温条件下，与气化剂( 警气、氧气和水蒸汽) 反应得到小分予可燃气体的过程。通常所说的气化，还包糖生物质灼热解。生 兹溪的气纯缀理觅鹜2 - l 瘊示。所霜气化裁不同( 如空气煤气、水煤气、混合煤 气以及蒸汽，一载气煤气等) ，得到的气体燃料组分也不同，产出的气体主要有 c 0 ，c o 。，h 。，n t ，e 以及c o h 。麓烷烃类羰氢化台貉。生甥袋戆气化裂震又哥分 为气亿发电，间接合成及制氢等。间接合成是将不适合液化的生物聪原料制造 合成气，经倦化合成技术得到替代化石燃料的汽油、煤油和柴油及含氧燃料添 鸯瑟貔窜醇瑟二擎醚等。英主要戮究痣窑包菇爱应瓿瑗匏繇炎、液体产品选择健 的掇高、合成催化剂及反应器的开发等。生物质的气化制氯是指把气化产品中 的氯气分离并提纯，所得产品可 乍燃料嗽池用氢。主要研究内容包括将气化乓 转纯过程有效麓霸接，醑裁高滔洼和选强往静谨纯裁，氢气的分离及提纯方法 等。 目前使用得最广泛豹是以空气l 乍为气化裁，产生的气体主要俘为燃料，蟋 予锅炉、民翔炉灶、发电等场台，也可作为合成甲醚的化工原料。将生物质转 换得到的合成气( c 0 + h ：) ，经催化转化制造洁净燃料汽油和柴油以及含氧有机 秘鲡警辩酾二莓l 醚等，该方法是生凑壤懿羹缓滚纯。气纯法缮铡翡合成气逶遭 费托合成转化为烃类原料，将此烃类原料中的重质馏份通过期缀裂化、加氢异 构等化学过程转化成优质的清洁柴油、高粘废指数的润滑油基础油等，才能供 发动机使用。 2 。2 生物震气馥妒戆选墼 现猩常用的生物质固定床气化炉根据鼗风方法不同和燃气相对于燃料流动 方向不同，通常分为上吸式，下吸式和平吸式。 2 。2 。l 上吸式忧炉 蕊2 - 2 上吸式气纯炉糕理图 物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉体底部进气口进入炉内参与气化 反应，反应产生的气化气囱下而上流动，由可燃气出口排出。此炉的优点：可 燃气在经过热分解层和干馏屡时，将其携带的热量传递给物料，用于物料的热 分瑟瑟予潦，同时洚僬葵囊赛溢疫，捷气纯妒热效搴丈大蘧裘；热分簿层器子 馏爱对可燃气有一定驰过滤作用。所以出炉的可燃气中只含有少量灰份。它鹊 缺点：添料不方便；可燃气中含挥发性物质( 如焦油蒸气) 较多。 2 2 2 下吸式气化炉 生餮震簌蛰壹炉预鹣热辩口授入炉镩，俘为气住裁静空气瞧囊迸麓口逶入 炉内，炉内的物料自上丽下分为干燥层、热分解层、氧化层、逐原层。此炉的 优点：结构比较简单，工作稳定性好，可随时开盖添料；气体中的焦油在通过 下部离激隧时，一部分被分解成小分子永久性气体( 再降温时不凝结成液体) ， 所以出炉的可燃气中焦油含量较少。它的缺点：融予炉内的气体流向是自上面 下懿，露蕊浚鹣方惫是鑫下瑟上滤，致菠雩 强瓠麸妒援下整密哥燃气要耗费较 大的功率；溉炉的可燃气中食有较多的灰份；癌炉的可燃气温度较离，须用水 对其进行冷却。 2 2 。3 予蔽式气纯炉 图2 - 3 下吸式气化炉原理阁 空气或空气与水蒸气的混合气从位于炉身定高度处的喷嘴送入炉内，炉 内生产的燃气经炉栅处被吸到炉外，燃气呈水平流动，故称平吸式。此炉的优 点：燃料层滠度较高，可达到2 0 0 0 。c 。炉子结构紧凑，启动时间短，负荷适应 能力强。它瓣软点：壹予物辩在炉凌辱聱对闻楚，燃气蒺量不理想；出予炉葵 中心温度离，容荔造成结映；另外枣于炉子鲶逐琢朦容积缀小，傻：还蘸成 c o 的机会减少，从而使燃气质爨降低。 图2 4 平吸式气化炉原理图 1 1 2 2 4 气化炉的定型 由于生物质气化集中供气技术主要在农村推广使用，它要求：生物质燃气 质量好，发热量高，适于炊事；杂质含量( 特别是焦油) 低，这样使得煤气表和 燃气灶不易堵塞，从而延长使用寿命；炉体结构简单，成本低，操作及维修方 便；通用性好，适于挥发份含量高的农林废弃物气化。上吸式气化炉可以间歇 式加料，对原料的尺寸和水份的要求并不苛刻，另外气化效率高，燃气发热值 较高，且炉排受进风冷却，工作比较可靠，故本文采用上吸式气化炉。 2 3 生物质气化的基本热化学反应 生物质的气化主要反应是生物质碳与气体之间的非均相反应和气体之间的 均相反应。气化反应过程十分复杂，随着气化设备的不同，气化工艺过程的差 异，反应条件( 如气化反应剂的种类，气化反应温度，反应时间，有无催化剂的 添加，气化原料种类，原料的含水率等) 的不同，其反应过程也大不相同。通常 认为，主要将发生如下反应： c + 0 2 = c o 。 c 0 2 + c = 2 c 0 2 c + 0 2 = 2 c 0 2 c 0 + 0 ，= 2 c 0 h 2 0 + c = c o + h 2 2 h 2 0 + c = c 0 。+ 2 h 2 t2 0 + c o = c 0 2 + h 。 c + 2 h 2 = c h4 原料在上吸式气化炉内大体上分为四个区域( 层) ：氧化层，还原层，热分 解层和干燥层。炉内温度自氧化层向上递减。原料从炉顶落入炉内，大型气化 炉原料是连续加入；而户用小型气化炉原料是间歇性投入的。空气由下方供给， 产出的燃气经上方管道输走，其气化过程是： 1 氧化层( 燃烧层) 氧气在这里烧完，生成大量二氧化碳，同时放出大 量热量，温度最高达1 0 0 0 左右。其反应式为： c + 0 2 = c 0 2 + 4 0 88 6 0 j 同时，有一部分e h 于氧气( 空气) 的供应量不足，便生成一氧化碳，放出一部 分热量： 2 c + 0 2 = 2 c 0 + 2 4 64 7 7 j 在此层内已基本没有水份。 2 还原层已没有氧气存在，二氧化碳及水在这里还原成一氧化碳和氢气， 进行吸热反应，温度开始降低，一般在5 0 0 8 0 0 。 0 z + e 2 2 c 0 1 6 22 9 7 j h 。o + c = c o + h z 一11 87 4 2 7 2 h ：o + c = c o2 + 2 h z 一7 51 8 6 j h 。o + c o = c o z + l ，一4 35 5 5 j c + 2 h 。= c h 3 热分解艨( 干馏层) 燃料中挥发物进行蒸馏，温度保持在4 5 0 左右。 蒸馏出的挥发物混入燃气中。 4 干燎层燃瓣中莳承份蒸发，吸收热量，燃气温度降弼1 0 0 3 0 0 。c 。 氧化屡及还擐援基髂为气化屡( 或穗煮效屡) ，慰为气化过程主要反应在这 里进行。热解层和干燥层总称为燃料准备屡。必须指出，燃料层这样清楚地划 分在实际上是观察不到的。因为滕与滕之间是参差不齐的，这个层中的反应也 可能在郝个层中进行。t 述熬耨鼷的翔分哭是气化过程钓几个大致区段。 通常认为燃气中一氧化碳和氨气瓣含燕愈多愈好( 但在馋户用燃燃时，从 安全角度考虑，其一氧化碳含量应2 0 ) ，而它们主要产生程还原层内，因此 还原层是影响燃气晶质和产羹最熏要的地区。试验表明，温度愈商，则二氧化 磺还添藏一氧纯碳酌过纛透行懿愈颓糕，还蘸区静溢度应保持在5 0 0 。c 左右。 另外，使二氧化碳与炽热的碳接触时润愈长，则还原 乍熙进行数愈完全，褥到 的一氧化碳量也愈多。 2 。4 气化炉备部分尺寸熬设计嚣诗募 气化炉的设计指标为：热功率p = io k w ，燃气热值q 。= 5 3 1 0 sk j i l l ，热 匏转羧效率r t 一5 2 ，气诧强度= 2 0 0 k g ( m 2 - h ) ( 干燥基) 。 2 4 1 气化原料的选取和燃气组分的确定 农馋物旗耪是我国农村最常见豹农业废弃嬲，它魏资源分蠢广，藏本低。 所以，本文气化炉拟以农作物秸秆作为气化原料，设计中选取玉米秸秆的参数 律为设计依据。玉米秸秆的工业分析觅表3 - 1 。 | 水份m 盯 灰份a 。， 挥发份v 。，固定碳f c 。 堆密度p低位热值m 。 4 8 7 鹚 5 9 3 7 i 9 5 弼 1 7 7 5 l o o k g 驴1 5 5 4 7 u k g 对于疑定床上吸式气化炉，出于具体缨搀不羼，艇生产戆生物质燃气会有 一定的差异，而同气化炉由于使用不同的物料所产生的生物质燃气也会有较 大的变化