（热能工程专业论文）基于无焰氧化的生物质气化特性实验及其数学模型.pdf

分类号u d c 硕士学位论文 密级 基于无焰氧化的生物质气化特性实验及其数学模型 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a n dm a t h e m a t i c a lm o d eo f b g a s i f i c a t i o nb a s e do nf l a m e l e s so x i d a t i o n l o m a s sc i a s l t l cl a m e l e s s 论文答辩日期 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 指导教师： 魏烈旭 动力工程与工程热物理 能源科学与工程学院 蒋绍坚 答辩委员会主席鳟 中南大学 2 0 1 2 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：超型日期：坐年月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作 , 1 雄血塑日期：型年月皇日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 现有生物质气化技术存在合成燃气热值较低的问题，为此本文基 于无焰氧化的机理提出了一种新的生物质气化方法，对该气化方法的 实现条件、宏观物理特征和气化规律进行了探索和研究，并建立了适 用于该气化方法的数学模型。 首先，根据实验目的设计了气化实验台，应用木质颗粒进行气化 实验，研究了气化剂温度和氧气体积分数对颗粒反应速率、颗粒反应 完全程度和合成燃气成分的影响规律，结果表明：在气化剂温度为 11 2 3 k ，氧气体积分数分别为8 和2 1 的条件下，颗粒反应迅速且 反应完全；随着气化剂的温度的升高，c o 的体积分数增大，而c o ，、 c h 4 和h 2 的体积分数基本不变，燃气的热值增大；气化剂中氧气体 积分数从8 增大到3 5 的过程中，c o 的体积分数先增大后显著减 小。综合考虑颗粒反应速率、颗粒反应完全程度和合成燃气的品质， 要想实现基于无焰氧化的生物质气化方法，气化剂温度至少高于 1 1 2 3 k ，气化剂氧气体积分数保持在8 1 5 的范围。 其次，依据实验结果，基于物料平衡、化学平衡和能量平衡，建 立了一种适用于该气化技术的气化数学模型，并应用本模型对木质颗 粒的气化反应进行了计算，分析了不同气化温度和气化剂组分含量条 件下该气化方法的气化规律，结果表明：气化温度越高，气化效率和 合成燃气的热值越大；气化剂中0 2 的体积分数由8 增加到1 5 的过 程中，合成燃气的热值逐渐增大，但是气化效率逐渐减小；往气化剂 中通入适当的c 0 2 有利于c o 的生成和合成燃气热值的提高，最佳的 c 0 2 体积分数为2 左右；h 2 0 ( g ) 体积分数由1 0 增大到2 5 时，c h 4 含量从9 7 增加到1 5 1 ，但c o 含量从1 0 4 减少到4 7 。 关键词：生物质气化，无焰氧化，气化炉，实验研究，数学模型 中南大学硕士学位论文摘要 a bs t r a c t l o ws y n t h e s i s g a s h e a t v a l u ei sab i gp r o b l e mi nb i o m a s s g a s i f i c a t i o nf i e l d ，f o r t h i sr e a s o n ，w ep u tf o r w a r dan e wm e t h o do f b i o m a s sg a s i f i c a t i o nb a s e do nt h ef l a m e l e s so x i d a t i o nm e c h a n i s m ，a n d r e s e a r c hh o wt or e a l i z et h i sm e t h o d ，t h em a c r o p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h eg a s i f i c a t i o nr e g u l a r i t yo ft h i sm e t h o d ，a n db u i l dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lt h a ti ss u i t a b l ef o rt h i sg a s i f i c a t i o nm e t h o d f i r s t l y ，w ed e s i g nt h eg a s i f i e rs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l p u r p o s e ，t h e np e r f o r mt h ee x p e r i m e n tu s i n gw o o dp e l l e t sa n d r e s e a r c ht h e e f f e c to fg a s i f i c a t i o na g e n tt e m p e r a t u r ea n di t so x y g e nv o l u m ef r a c t i o no n t h er e d u c t i o nr a t eo ft h ep e l l e t sq u a l i t y ，p e l l e t s r e a c t i o nc o m p l e t e n e s sa n d t h es y n t h e s i sg a sc o m p o s i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ea g e n t t e m p e r a t u r er e a c h e st o112 3 k ，a n di t so x y g e nv o l u m ef r a c t i o nr e a c h e st o 8 a n d21 ，t h er e d u c t i o nr a t eo ft h ep e l l e t sk e e p sq u i c k , a n dt h e r e a c t i o ni sc o m p l e t e a st h eg a s i f i c a t i o na g e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，c o q u a l i t yi n c r e a s e sa n dt h eq u a l i t yo ft h ec 0 2 ，c h 4a n dh 2b a s i c a l l yk e e p s t h es a l t l e ，t h es y n t h e s i sg a sh e a tv a l u ei n c r e a s e s w h e nt h eo x y g e n v o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s e sf r o m8 t o35 ，c 0v o l u m ef r a c t i o nf i r s t i n c r e a s e st h e nr e d u c e s c o n s i d e r a t i o no fp e l l e t s r e a c t i o nr a t e ，p e l l e t s r e a c t i o nc o m p l e t e n e s sa n dt h es y n t h e s i sg a sc o m p o s i t i o n ，t or e a l i z et h i s g a s i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nt h ef l a m e l e s so x i d a t i o nm e c h a n i s m ，t h e a g e n tt e m p e r a t u r em u s tb ea tl e a s th i g h e rt h a n112 3 ka n dt h eo x y g e n v o l u m ef r a c t i o nm a i n t a i n sa tt h er a n g eo f8 一15 s e c o n d l y ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l to ft h e g a s i f i c a t i o n m e c h a n i s m ，a n dt h eq u a l i t yb a l a n c e ，c h e m i c a le q u i l i b r i u ma n de n e r g y b a l a n c e w ee s t a b l i s ht h eg a s i f i c a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e ls u i t e dt ot h i s m e t h o d ，c a l c u l a t et h ew o o dp e l l e t sg a s i f i c a t i o nr e a c t i o n su s i n gt h i sm o d e l ， a n da n a l y z et h eg a s i f i c a t i o nr u l e si nc o n d i t i o n so fd i f f e r e n ta g e n t t e m p e r a t u r ea n di t sc o m p o n e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a ta st h eg a s i f i c a t i o n t e m p e r a t u r eb e c o m e sh i g h e r ，t h eg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n ds y n t h e s i sg a s c a l o r i f i cv a l u eg e tb i g g e r w h e nt h eo x y g e nv o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s e s f r o m8 t o15 ，t h es y n t h e s i sg a sc a l o r i f i cv a l u ei n c r e a s e sg r a d u a l l y ，b u t t h eg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yg r a d u a l l yd e c r e a s e s w h e nt h ea g e n tc o n t a i n s i i 中南大学硕士学位论文摘要 p r o p e rc 0 2 ，t h ec o g e n to fc oa n dt h es y n t h e s i sg a sc a l o r i f i c v a l u e i m p r o v e ，t h eb e s tc 0 2c o n c e n t r a t i o ni s a r o u n d2 w h e nt h eh 2 0 ( g ) v o l u m ef r a c t i o ni n c r e a s e sf r o m10 t o2 5 ，t h ec o n t e n to fc h 4i n c r e a s e s f r o m9 7 t o1 5 1 ，b u tt h ec oc o g e n td e c r e a s e sf r o m1 0 4 t o4 7 k e yw o r d s ：b i o m a s sg a s i f i c a t i o n ，f l a m e l e s s o x i d a t i o n ，g a s i f i e r ， e x p e r i m e n tr e s e a r c h ，m a m e m a t i c a lm o d e l i i i 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第一章绪论1 1 1 研究背景一l 1 2 生物质能利用1 1 3 生物质气化原理3 1 4 生物质气化炉分类3 1 4 1 固定床式气化炉4 1 4 2 流化床式气化炉6 1 5 生物质气化技术研究现状一7 1 5 1 提高燃气热值的研究7 1 5 2 降低燃气焦油含量的研究8 1 6 基于无焰氧化的生物质气化技术9 1 7 课题来源及主要研究内容1 1 第二章基于无焰氧化的生物质气化实验系统1 2 2 1 基于无焰氧化的生物质气化实验台结构1 2 2 2 气化实验炉的设计1 3 2 2 1 燃烧器选型1 3 2 2 2 燃烧室尺寸的计算1 4 2 2 3 蓄热体的计算1 4 2 2 4 冷却套管的计算17 2 3 气化实验炉的温升和停炉温降特性2 0 2 4 蓄热体的蓄热特性2 1 2 5 气化实验步骤2 3 2 6 本章小结2 3 第三章基于无焰氧化的生物质气化实验2 4 3 1 不同工况下颗粒质量变化趋势2 4 3 1 1 不同气化温度下颗粒质量变化趋势2 4 3 1 2 不同氧气体积分数下颗粒质量变化趋势2 6 3 2 正交试验分析2 8 中南大学硕士学位论文 目录 3 2 1 试验指标2 8 3 2 2 试验因素及试验水平2 9 3 2 3 正交实验结果表2 9 3 3 合成燃气的品质分析3 0 3 4 本章小结3 3 第四章气化数学模型及其应用。3 4 4 1 模型假设。3 4 4 2 气化数学模型的建立。3 4 4 2 1 物料平衡3 4 4 2 2 化学平衡3 5 4 2 - 3 能量平衡3 8 4 2 4 模型的求解4 1 4 3 不同工况条件下合成燃气各性能指标分析4 2 4 3 1 气化温度对合成燃气各指标的影响4 2 4 3 2 气化剂组分对合成燃气各指标的影响4 4 4 4 本章小结一4 8 第五章结论与建议4 9 5 1 结论4 9 5 2 建议5 0 参考文献51 致谢5 5 攻读硕士期间主要研究成果5 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 改革开放以来，随着我国经济的快速发展，我国能源消耗平均以6 9 的年增 长率快速增长，2 0 1 1 年全国能源消费总量为3 4 8 亿吨标准煤，成为仅次于美国 的第二大能源消费国，在今后我国资源不足与用能增长之间的矛盾今后将变得更 为突出。与此同时，使用化石燃料燃烧排放的二氧化碳温室气体和粉尘对我国的 环境和气候造成的危害已经越来越明显，沙尘暴、酸雨和洪涝干旱等自然灾害发 生的更加频繁。据估计，我国大气中9 0 的二氧化硫、7 0 的烟尘和8 5 以上的 二氧化碳，均来自煤炭的燃烧。 中国作为一个迅速崛起的发展中国家，要在资源节约和保护环境的前提下， 实现国民经济的持续增长，必须改变传统的能源生产和利用方式，积极开发利用 可再生、低污染的新能源。生物质能是与环境友好的一种独特的可再生能源，它 可以通过多种技术途径转化成为高品位的能源。因此，受到世界各国的重视，早 在1 9 9 7 年，欧盟的可再生能源白皮书中提出，至u 2 0 1 0 年可再生能源占整个能 源的比重要达到1 2 ，生物质能发电量提高至1 j 1 9 9 5 年的1 0 倍。瑞典早在2 0 0 2 年， 生物质消费量就占能源消费总量的1 5 4 。丹麦在生物质直燃发电方面成绩显著， 目前在b w e 公司的技术支持下已建立了1 3 0 家秸秆发电厂。而在美国，美国能源 部也提出n 2 0 2 0 年生物质占总能源消耗的比例由2 0 0 0 年的4 提高到1 2 。我国 的“十二五 规划中也明确提出，要加快发展包括生物质能在内的可再生能源， 争取到2 0 2 0 年，中国可再生能源在能源结构中的比例将提高到1 6 左右，生物质 发电将达n 3 0 0 0 万千瓦，沼气达至t j 4 4 0 亿立方米，生物燃料乙醇1 0 0 0 万吨，生物 柴油2 0 0 万吨【l j 。 我国是一个人口众多的农业大国，生物质资源十分丰富，2 0 1 0 年我国农村 的秸秆量达7 2 6 亿吨，林业废弃物每年约达3 7 0 0 万立方米。现在农村生物质能 的利用形式多以直接燃烧为主，燃烧效率仅有1 0 1 5 ，有些地区的秸秆甚至 直接荒烧，这样不仅浪费了大量的能源资源，还引起严重的烟雾污染，极大地影 响空中和陆地交通，同时破坏了生态环境，影响了人类的健康，现已引起各级政 府的高度重视 2 】。因此，改变生物质能源的生产方式和利用方式，开发清洁、高 效利用生物质能的方法和途径，对促进经济可持续性发展和环境保护具有重大意 义。 1 2 生物质能利用 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 生物质产量巨大，具有可再生、成本低和清洁性( c 0 2 零排放) 等特点。据 估计地球上每年通过植物光合作用固定的碳达1 8 x 1 0 1 1 t ，含能量达3 x 1 0 2 1 j ，相当 于全世界每年总耗能量的1 0 倍。生物质的种类繁多，目前，作为能源的生物质 主要是指各种农作物秸秆、林业及木材加工废弃物、城市和工业有机废弃物等。 但是，生物质能属于低品位能源，直接利用效果较差，能源利用率低，为此，国 内外产生了许多生物质能利用技术，大体如图1 1 所示。 生 物 质 能 利 用 技 术 户用炉灶燃烧技术 直接燃烧技术卜叫 锅炉燃烧技术 热化学转换技术 生物转换技术 液化技术 有机垃圾处理技术 压缩成型，转化 气化技术 干馏技术 快速热解液化 小型户用沼气池 大中型厌氧消化 植物油技术 制取乙醇、甲醇 堆肥技术 填埋技术 焚烧技术 图1 - 1 生物质能利用技术图 在上述的众多技术中，生物质气化技术作为一种重要的生物质转换技术，受 n t 全球专家和学者的广泛关注【3 。9 1 ，早在1 8 世纪，生物质气化技术就为人们所 知，1 9 世纪5 0 年代，英国伦敦大部分城区都用上了以民用气化炉产生的发生气 为燃料的气灯，大约在1 8 8 1 年，这种发生气首次被用于固定式的内燃机，并由 此诞生了动力气化炉【l 。二战期间，由于当时几乎所有的石油燃料都用于战争， 燃料匮乏，从而导致生物质气化技术迅猛发展，尤其是德国，以固定床气化为主 的气化技术已达到相当完善的程度。1 9 7 3 年石油危机的爆发，出于对能源和环 境的战略考虑，西方各国纷纷投入到可再生能源的研究，生物质气化技术的研究 再一次活跃起来，这时，小型的气化炉受到大部分的关注，功率在1 0 0 k w - 1 m w 的固定床式气化技术逐渐成熟，产生的合成气配套内燃机或燃气轮机进行发电和 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 供暖，发电效率在1 5 2 0 【1 1 1 。9 0 年代中期以后，大型的气化炉，主要是兆瓦级 以上的循环流化床式气化炉，受到了最主要的关注，配套燃气轮机组成b i g c c 系统，进行发电，发电效率可达4 0 ，当时，许多国家建设了生物质气化发电示 范项目，如英国( 8 m w ) 、意大利1 2 m w 以及欧盟3 个7 1 2 m wb i g c c 示范项 目1 1 2 ，目前，欧美许多国家正在研究如何降低生物质气化发电系统的成本、如何 提高合成气的热值和降低合成气中的焦油等问题u 2 1 7 j 。 我国的生物质气化技术在2 0 世纪8 0 年代以后才得到较快发展。8 0 年代初期， 我国研制出2 0 0 k w 由固定床气化炉和内燃机组成的稻壳发电机组，并得到推广【l 引。 山东省科学院能源研究所在“八五 期间成功研制出秸秆气化机组和集中供气 系统的关键设备，1 9 9 4 年建成第一个实际运行的集中供气的试点工程，并迅速在 国内多个农村地区得到推广和应用【l9 1 。2 0 0 0 年，中科院广州能源研究所研制的使 用木粉的1 m w 的流化床发电系统已经投入商业运行，运行安全、稳定、气化效 率可达6 8 t 2 0 1 。 1 3 生物质气化原理 生物质气化是在一定热力学条件下，将生物质的复杂化合物成分转化为主要 由c o 、h 2 和c h 4 等烃类有机物组成的可燃气的过程【2 l 】。提供气化反应所需热化 学条件的一种较为实用的方法是使生物质料部分燃烧释放能量，为还原反应提供 所需的热量。生物质气化反应包括生物质的干燥、挥发、氧化和还原反应。 经风干后的生物质料的水分含量在1 0 左右，生物质的干燥过程就是使其中 的水分蒸发，干燥终点温度一般在1 5 0 c t 2 2 。之后，生物质将会发生热解反应析 出挥发分，热解经历两步独立的反应过程：第一步是高分子聚合脱水反应，反应 速率快；第二步反应是气相与残炭的反应，包括裂解、重整和变换等。裂解是高 分子碳氢化合物如焦油裂解成低分子物质的过程，裂解反应吸收热量， c c ，c h ，c 一0 键、环分子链断裂，形成氢和碳的氧化物、c h 4 等烷烃、环烷烃和 烯烃等物质。重整是碳氢化合物与h 2 0 ( g ) 反应，此过程吸热，生成碳氧化物及h 2 ， 变换是h 2 0 ( g ) 与c o 的反应，生成c 0 2 和h 2 ，热解过程中反应的产物与温度和升温 速率有直接的关系【2 3 】；热解产生的挥发分气体( c o 、i - 1 2 等) 随即被点燃和燃烧， 炽热的炭发生不完全燃烧，生成c o 、c 0 2 和h 2 0 ( g ) ，同时放出大量的热；还原反 应主要是炽热的炭与c 0 2 、h 2 0 ( g ) 和c o 之间发生的反应，这些反应都是可逆的， 提高温度有利于反应向正方向进行。 1 4 生物质气化炉分类 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 生物质气化技术有多种形式，按设备运行方式主要分为固定床气化炉和流化 床气化炉。固定床气化炉物料由炉体顶部加入，气体通过静置的固体生物质料， 依次完成干燥、热解、氧化和还原反应，同时产生合成气。根据气流的方向，固 定床气化炉又分为上吸式、下吸式和横吸式气化炉。它的最大优点是制造便捷、 成本较低、操作简单和热效率高，主要缺点是难于控制，炉内容易出现物料空腔， 气化强度较低，最大约为2 5 0 k g ( m 2 h ) 。流化床气化炉又分为鼓泡床气化炉、c f b 式气化炉和双床式气化炉，它的主要优点是原料适应性广，燃料的转化率在 8 0 9 0 之间，气化强度高，但是必须连续运行且不适于熔点低的生物质料的气 化，其中，c f b 式气化炉受到了极大的关注。 1 4 1 固定床式气化炉 图1 - 2 下吸式固定床气化炉示意图 下吸式固定床气化炉特点是气体流向和进料的方向相同，且设置喉管区，物 料在此处发生气化反应，产生的合成气通过炙热的氧化层后，合成气中的焦油进 一步的分解，含量相对较低，之后合成气由下部抽气口抽出。该炉型最大生物质 处理能力为4 0 0 k g h ，对于木质气化，合成的燃气低位热值在4 5 0 0 6 0 0 0 k j n m 3 ， 焦油含量在2 9 n m 3 1 2 4 1 。该炉型的示意图如图1 2 所示。炉内的物料自上而下依 次是干燥层、热分解层、氧化层、还原层和灰层。 吴正舜 2 5 】对2 5 k w 下吸式生物质气化炉的运行进行了测试，测试过程中，采 用木块为燃料，空气为气化剂，气化炉内的操作温度维持在9 0 0 1 0 0 0 ，合成 燃气中的可燃气体组分体积分数为：h 2 ，1 3 1 4 ；c o ，1 9 2 4 ；c h 4 ，1 3 ， 气体的高位热值为4 3 2 6k j n m 3 6 0 0 5k j n m 3 ，碳转化率仅为3 2 3 4 2 3 ，燃气 中焦油含量为1 9 9 n m 3 ，对于一些工业装置，要求焦油的含量在0 0 5 9 m 3 以下， 比如，内燃机要求燃气中焦油的含量在1 0 m g n m 3 以- t 1 2 6 j ，由此可见，该炉型产 生的合成气中焦油含量远远不能满足工业装置的要求。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 上吸式固定床气化炉特点是气化剂流向和进料的方向相反，向下散落的物料 被向上流动的热气体烘干、析出挥发分并发生气化反应，最后出口的燃气温度在 3 0 0 。c 以下，故该炉型的热效率相对较高，但燃气中的焦油含量相对较高，可达 2 0 1 0 0 9 n m 3 1 2 7 1 。该炉型的示意图如图1 3 所示。炉内的物料自上而下依次是干 燥层、热分解层、还原层、氧化层和灰层。 图1 - 3 上吸式固定床气化炉示意图 魏敦崧 2 8 】等在自制的上吸式固定床气化炉进行气化实验，采用为木块时，合 成燃气中的可燃气体组分体积分数为：h e ，7 5 ；c o ，1 5 8 ；c h 4 ，2 9 ；c 2 i - 4 ， 0 6 ；燃气热值为4 5 0 8 8 k j m 3 。何广昌、张世红【2 9 】等针对传统的底部点火上吸 式气化炉焦油含量过高问题，对上吸式气化炉进行了改进，设计了项部点火上吸 式固定床气化炉，并对其进行了试验研究，结果表明，采用稻壳物料时，焦油的 含量为0 4 9 9 n m 3 ，但是仍然高于工业装置对燃气中焦油含量的要求。 图1 - 4 横吸式固定床气化炉示意图 横吸式固定床气化炉特点是空气由炉体的侧向送入，物料由炉体顶部送入， 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 合成的燃气从炉体侧部抽出。这种炉型在南美的应用比较广泛，具有炉内温度高、 燃气中焦油含量少的特点，但国内外学者对其的研究不多。该炉型的示意图如图 1 4 所示。 _ + 燃气 灰渣 图1 - 5 循环流化床式气化炉示意图 1 4 2 流化床式气化炉 c f b 式气化炉是由流化床气化炉和旋风分离器组成。流化床上通常用石英 砂作流化介质，粉碎后的物料连续的投入炉内，与从炉体下部鼓入的气化剂充分 强烈混合，发生气化反应，炉内温度一般控制在7 0 0 9 0 0 ，产出的气体夹杂 着大量的固体颗粒，进入旋风分离器进行气固的分离，分离下来的颗粒返回炉内 继续反应。该技术气化强度高，约为固定床气化炉的3 倍，焦油含量相对于其他 炉型较低，以空气为气化剂的c f b 气化装置，焦油含量在1 0 9 m 3 ，该炉型多用 于中、大规模的连续生产，在欧美等国家得到了推广应用。它的示意图如图1 5 所示。 v a n d e r d r i f t 3 0 1 等在c f b 气化炉内对十种生物质进行了气化实验，以空气为 气化剂，炉内温度保持在8 0 0 8 5 0 ，合成燃气中的可燃气体组分体积分数为： h 2 ，5 8 5 ；c o ，8 1 2 ；c h 4 ，1 5 3 5 高位热值在4 5 0 0 k j n m 3 5 0 0 0k j n m 3 。 伊晓路【3 1 】等在内径为2 5 0 m m 、高度为7 5 0 0 m m 的c f b 气化炉中进行了稻壳的气化 实验，实验的气化温度在6 5 0 。c 8 5 0 。c ，e r 在0 2 0 3 2 ，产生的燃气中的可燃气体 组分体积分数为：h 2 ，4 - 8 ；c o ，1 2 1 6 ；c i - 1 4 ，2 - 5 ，并指出最佳的气化温 度为7 5 0 。c ，最佳e r 为0 2 8 ，燃气的热值最大为5 0 0 0 k j n m 3 。 双流化床气化装置由气化炉和半焦燃烧炉组成，并通过循环的砂子进行耦合。 气化炉中的燃气和固体混合物经分离后，砂子和炭粒流入燃烧炉中，炭粒在燃烧 炉中燃烧并将砂子加热，灼热的砂子再返回到气化炉中，以补充气化炉所需要的 热量。它的示意图如图1 - 6 所示。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 生物质 气化剂至气 图1 - 6 双流化床式气化炉示意图 初雷哲【3 2 】等进行了玉米秸秆双流化床气化实验，实验使用的双流化床的气化 炉直径为2 0 0 m m ，高度为1 7 0 0 m m ；燃烧炉直径为1 0 0 m m ，高度为5 0 0 0 m m ；采 用红外气体分析仪测得燃气中c o 体积分数为1 4 8 ，c i - 1 4 为7 8 h 2 为1 6 9 ，热 值为7 m j n m 3 。 通过以上对几种气化炉型的介绍可知，这几种炉型存在着明显的缺点，固定 床式气化炉内的生物质料具有明显的分层结构，炉内的物料容易出现空腔，气化 不完全，碳转化率比较低。流化床式气化炉内的物料在炉内的停留时间太短，需 要多次的返回才能充分反应，这就必须要增加气料分离器来实现合成燃气和其中 夹杂的未反应的物料的分离，这使炉体的结构复杂，气化系统的操控性难度增大， 而且，由于流化床式气化炉内的床温只有7 5 0 左右，不利于焦油的裂解。 1 5 生物质气化技术研究现状 目前，生物质气化领域普遍存在两个难以解决的问题，一是合成气的热值偏 低，以空气为气化剂的气化工艺，合成气中氮气的体积分数高达5 0 左右，低位 热值仅为4 5 0 0 5 5 0 0k j n m 3 ，用来做燃气，难以满足烹饪和工业装置热负荷的要 求；二是合成气中焦油含量很高，焦油占可燃气能量的5 1 0 ，难以被燃烧利 用，能量利用率低；因此，目前，生物质气化领域的研究主要是针对解决这两个 问题的研究。 1 5 1 提高燃气热值的研究 为了提高生物质合成气的热值，许多专家学者做了大量研究。n a r v a e z 3 3 】在 进行生物质的鼓泡床气化实验研究时，表明当气化温度由7 0 0 上升到8 1 0 ，合 成气的热值由4 0 0 0k j n m 3 升高至u 6 3 0 0k j n m 3 。k n s h e e b a 3 4 1 以空气为气化剂进 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 上升到8 1 7 c 时，合成气中焦油含量从1 5 9 n m 3 降低到0 5 4 9 n m 3 ，陈汉平【3 9 】等 在进行生物质流化床气化实验时，发现气化温度从7 5 0 上升到8 5 0 时，合成 气中焦油含量显著降低，降低了5 5 左右。 s o u s a l c r t 4 0 在研究气化参数e r 对焦油形成的影响时，发现当e i p 0 2 ，焦 油是由多种多环的芳香烃( 质量分数：苯2 5 ，萘5 1 ，茚4 9 ) 和烷基化芳 香烃( 质量分数：甲苯1 3 6 ，苯乙烯5 3 ，二甲苯5 2 ) ，还有酚类复合物( 质 量分数：苯酚1 5 1 ，甲酚1 1 1 ) 组成；当e r = 0 3 时，焦油成分变得更单一， 焦油大多是由多环芳香烃( 苯4 2 9 ，萘1 4 7 ，茚5 2 ，苊烯4 4 ，菲3 9 ) 组成，烷基化芳香烃的含量显著减少；当e r = 0 4 时，焦油的成分由苯( 质量分 数：6 0 ) ，萘( 质量分数：1 7 ) 和少量的3 ，4 环芳香烃组成。 还有许多专家学者研究了焦油的催化裂解，使用的催化剂主要有镍基催化剂 和白云石。 z h a n gr 4 l 】进行使用镍基催化剂催化裂解生物质合成气中焦油的研究，结果 表明：三种催化剂i c l 4 6 1 、z 4 0 9 和r z 4 0 9 对大分子焦油的脱除效率高达9 9 ， 同时，合成气中氢气的产量增加6 1 1 。c o l lr t 4 2 j 表明在温度为7 0 0 8 0 0 条件 下，使用镍基催化剂( i c l 4 6 1 ) 进行焦油模拟物的催化实验时，表明甲苯的转 化率在8 0 9 0 。虽然使用镍基催化剂对焦油的催化裂解有显著的效果，但是， 在使用过程中，催化剂的表面容易积碳导致失活，而且合成气中存在h 2 s ，而引 起催化剂的中毒失活。 m a r i n of 4 3 】比较了三种非金属矿物催化剂( 白云石氧化镁、生石灰和煅烧白 云石) 对甲苯的催化效果，结果表明：催化效果的顺序为：c a o c a m g ( o ) 2 m g o 。 g i lj 】表明使用白云石和石英砂( 白云石质量分数为2 0 3 0 ) 做催化剂，在 e r - 0 3 的情况下，焦油含量降至i 11g m 3 。张晓东【4 5 】总结了白云石催化剂的缺点： 催化效率很难超过9 0 9 5 ；很难脱除大分子焦油；白云石熔点较低，熔融状态 会失活。 1 6 基于无焰氧化的生物质气化技术 尽管国内外的专家学者对生物质气化领域的两大难点一合成燃气的热值偏 低和焦油的含量偏高，做了大量的研究，并取得了一定的成果，但是所取得的成 果要么就是不足以从根本上解决问题，要么就是以牺牲成本为代价，因此，只有 寻找新的生物质气化方法，才能从根本上解决生物质气化领域所面临的难题，才 能促进生物质气化技术的进步。 “无焰氧化”是一项全新理念的燃烧技术，该技术基于f j w e i n b e r g 在1 9 7 1 中南大学硕士学位论文第一章绪论 年提出的“超焓燃烧思想 1 4 6 ，通过回收高温废热预热反应物的方法，实现了余 热极限回收，极大地提高了系统的热效率，降低了n o x 和c 0 2 等气体的排放。该 思想一经提出，各国便进行投入研究，并形成了各自的技术特点，如日本的“高 温空气燃烧技术”、美国的“低氮氧化物喷射技术”，在国内，从上世纪9 0 年代 起一些院校，如清华大学，中南大学，北京科技大学等也开展了针对无焰燃烧技 术的研究h m 9 1 ，在火焰特性、温度场的均布和n o x 排放等方面做了大量的工作， 为该技术的工业应用做出了突出的贡献。目前对无焰燃烧技术的实现方法和工业 应用的研究仍然是燃烧领域的热点。 无焰氧化技术与传统燃烧技术相比，宏观上讲，其火焰特征发生了明显的变 化，火焰在燃烧区域由传统的舌形火焰扩展到整个炉膛空间。燃烧反应发生在一 个很阔的区域，甚至整个燃烧室都在进行燃烧反应，无可见的火焰前沿，整个燃 烧室温度分布均匀且维持一个很高的水平，温差小，温度梯度小，无局部高温或 低温区。应用该燃烧技术的炉型高效节能，燃烧效率高达9 9 以上，换热效率提 高到9 2 以上p o j 。 无焰氧化具有温度高且均一、氧气浓度低和反应强度高的特征，温度高且均 一的特征有利于物料快速完全反应，从而使碳转化率提高；氧气浓度低的特征有 利于更多份额的物料参与气化反应中的还原反应，从而促进了更多可燃组分的生 成；反应强度高的特征有利于提高生产能力和大规模生产。因此，如果将无焰氧 化技术应用于生物质气化领域，则有利于生物质快速完全反应、碳转化率的提高 和合成燃气中可燃组分的生成，从而极大的提高气化强度和燃气的品质，促进生 物质气化领域的技术进步。 实现无焰氧化反应，燃料和氧化剂在接触反应之前必须满足两个条件：1 反应物温度足够高；2 氧化剂中氧浓度较低。这两个条件对于不同的燃料、不同 的应用具有不同的控制范围。 目前，中国科技大学的唐志国、林其钊已经将无焰氧化技术应用于干法煤粉 的气化研究【5 1 1 ，他们根据无焰氧化的原理设计了一种适合高灰熔点煤气化的新型 干煤粉气流床气化炉，该炉的两个径向煤粉喷嘴对置布置，两个气化剂喷嘴平行 于煤粉喷嘴并等距离偏置，这样布置的喷嘴为实现无焰氧化对温度和氧浓度的要 求创造了条件。并对该炉进行了煤粉气化实验研究，在实验中，他们研究了炉内 气化反应的火焰图像特征，并分析了氧碳原子比和蒸汽煤质量比对合成气热值的 影响，结果表明：在保持蒸汽煤质量比为0 1 不变条件下，当氧碳原子比为1 0 时， 合成气的热值最高，可达9 5 0 0 k j n m 3 ，碳转化率为9 5 ；在保持氧碳原子比为1 1 不变条件下，在蒸汽煤质量比为0 2 时，合成气的热值最高，可达1 0 5 0 0 k j n m 3 ， 碳转化率为9 6 。由实验结果可知，该气化炉取得了较好的效果，进一步验证了 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 基于无焰氧化技术的气化炉设计的正确性和将无焰氧化理论应用于气化领域的 可行性。 1 7 课题来源及主要研究内容 本研究来源于“中南大学前沿研究计划前瞻布局研究重大项目，首先，采 用科学实验的方法，确定实现基于无焰氧化的生物质气化方法的温度和氧气浓度 的控制范围，以掌握实现该气化方法的工况条件和宏观现象特征，其次，结合实 验结果，基于物料、化学和能量平衡建立适用于该方法的数学模型。主要研究内 容及方法包括以下几个方面： ( 1 ) 基于无焰氧化的生物质气化实验台的设计 为掌握实现基于无焰氧化的生物质气化方法，根据理论分析和计算，设计与 之配套的气化实验台系统，包括燃烧器的选型、炉体耐火层和保温层厚度的设计 和蓄热体的尺寸计算等。 ( 2 ) 基于无焰氧化的生物质气化实验 通过对不同气化剂温度和氧气体积分数工况条件下，颗粒质量随气化时间的 变化规律以及颗粒反应的完全程度，确定实现基于无焰氧化的生物质气化方法的 温度和氧气浓度的控制范围，并利用正交实验的统计方法确定影响颗粒反应速率 的主次因素。 ( 3 ) 基于无焰氧化的生物质气化方法的数学模型及其应用 结合实验结果，基于物料、化学和能量平衡，建立基于无焰氧化的生物质气 化的数学模型，并且，应用该模型对木质燃料的气化反应进行计算，研究气化温 度和气化剂氧气体积分数对合成燃气成分和热值的影响，分析该方法的气化规律， 也为工业应用气化炉系统的设计提供数据依据。 中南大学硕士学位论文第二章基于无焰氧化的生物质气化实验系统 第二章基于无焰氧化的生物质气化实验系统 为了探寻实现基于无焰氧化的生物质气化方法的工况条件，进一步了解该方 法的宏观现象特征和内在的规律，本文设计了气化实验台系统，主要包括燃烧器 的选型、燃烧器的设计计算、蓄热体设计计算和取样套管的设计计算。并对该实 验炉升温、停炉降温特性和蓄热体的蓄热特性进行了测试。 2 1 基于无焰氧化的生物质气化实验台结构 本实验的目的是研究不同气化剂温度和氧气体积分数下颗粒质量变化规律 以及合成燃气成分的变化规律，得到实现基于无焰氧化的生物质气化方法的工况 条件。由实验目的可知，该实验台首先保证气化剂的温度能达到一个较大的范围， 这就要求气化炉的温度水平足够高，本实验要求气化炉炉膛温度能够达到1 2 0 0 以上。 实现气化剂高温的一种方法是采用热风炉形式的加热方式，采用成对的蓄热