（工程热物理专业论文）生物质中热值热解制气技术试验与应用研究.pdf

， 浙江大学硕士学位论文 摘要 本文在综述国内外有关生物质能源化利用技术( 主要是热化学转换中的气化 ： 艺) 的基础上，围绕生物质热解气化集中供气系统的攻关项目，针对我国农村 经济发展现状及生物质资源特点，对适合我国农村应用的热解制取中热值可燃气 技术进行了详细的试验及应用研究。伍过中试试验研究，改进了该技术在产气速 率、焦油含量、运行模式等方面的性能指标，使之达到了可商业化水平；同时， 结合集中供气示范工程的设计，在完善焦油取样测量技术的基础上，开展了燃气 净化和焦油催化裂解技术研究，进一步提高了该技术的技术经济性能，为今后使 该技术应用于气化发电奠定了良好基础。寸、 首先，在对生物质能概念、利用和各种生物质能转化技术介绍的基础上，本 文对生物质气化技术的研究进展进行了综述，同时对国内外生物质气化项目的技 术特点、组织丌发等基本情况进行了系统、全面的阐述。 接着，通过对生物质中热值气化中试试验系统的多次改造和反复试验，了解 了气化炉内温度场分布，得出了温度、物料、抽气方式等因素对生物质热解气的 成分、热值和产气率影响的一些基本规律，并进行了初步的焦油催化裂解试验和 煤气燃烧器的热力特性、燃烧特性试验，为面向工程应用的集中供气示范项目提 r 供了必要的设计和运行依据。( 中试试验结果表明，该燃烧与气化相结合的干馏气 化技术不但实现了较高的燃料利用率，而且可以通过控制运行参数等方式有效解 决秸秆结团问题。其技术简单、原料适应性好、启动速度快、运行稳定，产出的 生物质煤气热值 2 5 0 0 k c a l n m 3 ，焦油含量： 2 5 0 0 k c a l n m 3 ) b i o m a s s f u e l g a s w i t hl o wt a r c o n t e n t ( 5 0 m g m j ) ，w h i c he n t i r e l ym e e t st h e s t a n d a r do fa 鲥c u l t u r a l m i n i s t r y n y t 4 4 3 2 0 0 1 一t e c h n i c a ls p e c 狐c a t i o na n da c c e p t a n c eo fs t a n d a r dy o rs t r a w g a s i f i c a t i o ns y s t e mo f c e n t r a l g a s s u p p l y b a s e do nt h ea c q u i r e dd a t aa n d o p e r a t i n ge x p e r i e n c e sf r o mp i l o te x p e r i m e n t s ，t h e d e m o n s t r a t i o np r o j e c ti sd e v i s e dc o m p r e h e n s i v e l y ，w h i c hi sc o n c e m e dw i t hs om a n y a s p e c t s ，s u c h a s c h o o s i n g t h es i t eo fd e m o p l a n t ，t h e p o r t i o n s a r r a n g e m e n t ， g a s i f i c a t i o ns u b s y s t e m ，c o n d e n s a t i o ns u b s y s t e m ，t a rc a t a l y t i cr e f o r m i n gs u b s y s t e m ， p u r i f i c a t i o na n dd r y n e s ss u b s y s t e m ，g a sp i p en e t w o r k sa n df i r ec o n t r o ls u b s y s t e m f u r t h e r m o r e ，e c o n o m i ca s s e s s m e n th a sb e e ng i v e np r e l i m i n a r i l y t h e r e f o r e ，t h e t e c h n o l o g i c a l a n de c o n o m i c f e a s i b i l i t y f o rt h ec o n s t r u c t i o na n d r u n n i n g o ft h e 塑兰查兰竺主兰竺丝查 d e m o n s t r a t i o np r o j e c tc a nb eg u a r a n t e e d t h a n k st oi m p r o v e dt a rs a m p l i n gm e t h o d ，t h ep r i m a r ys t u d yo ng a sc l a r i f i c a t i o n t e c l m o l o g y i s p r o g r e s s e d i th a sb e e ns h o w nt h a tt h i s u p d a t e ds a m p l i n g a n d m e a s u r e m e n tm e t h o d ，w h i c hc a nm e a s u r et h ec o n t e n to ft a ra n dd u s ti n d i v i d u a l l y , a p p e a r sm u c hm o r ep r e c i s ea n dc r e d i b l e ，p a r t i c u l a r l ya i m i n ga t t h ec h a r a c t e r i s t i co f h e a v yt a r a n dd u s tc o n t e n ti nb i o m a s sg a s t h i se l a r i f i c a t i o ns y s t e mt h a ta d o p t s t w o l e v e ls h e l la n dt u b ec o n d e n s e r sa n do n et a rr e m o v a lf i l t e r , h a st h ea d v a n t a g e so f h i 曲r e m o v a le f f i c i e n c y ( 9 7 - 9 8 ) a n dl o wo p e r a t i n gc o s t b e s i d e s ，i t h a sb e e n m a d em o r ee n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc o n s i d e r i n gt h a tw a s t e w a t e rf r o mc o n d e n s e r sh a s m e a s u r e d u p t or e l a t e d e f f l u e n ts t a t es t a n d a r d sa f t e r b e i n gd i s p o s e d i nt a r c l a r i f i e r t a n k i nv i e wo fc o s t ，t h ec l a r i f i c a t i o ne f f e c ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， t h ec l e a n i n gs y s t e mw i t hc o k ea sa b s o r b e n ts h o u l db et h ef a i r l yg o o dc h o i c et h a tc a n p r o d u c el e s st a rc o n t e n ta n dh i 曲q u a l i t yh o u s e h o l dg a s t h e c o s tw i l lb em a d ef e w e r a sw e l lf o rt h er e a s o nt h a tc o k ei nf i l t e ra n dc l a r i f i e r - t a n kc a nb ep u ti n t o g a s i f i e r a g a i n t op y r o l y z e i no r d e rt oi m p r o v et h ec l a r i f i c a t i o nl e v e la n dm a k e p r e p a r a t i o n sf o rg e n e r a t i n g e l e c t r i c i t yb y m e a n so fb i o m a s sg a s i f i c a t i o nt e e h n o l o g y , t h et a rc r a c k i n gt e s ts y s t e m w i t hf i x e db e df o r mi sd e v i s e de l a b o r a t e l y t h em o s t p r o m i n e n th i 曲1 i 曲te x i s t st h a ti t e m p l o y st h eb i o m a s sg a sf r o mr e a lg e n e r a t o ra st h es o u r c eo ft a r ，w h i c ho b v i o u s l y o v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g si nc u r r e n te x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e st h a tu s eo n eo rm o r e k i n d so f c o n s t i t u e n t si nt a ra si t ss u b s t i t u t e o nt h i ss m a l l s c a l et a rc r a c k i n ga p p a r a t u s ， t h em e c h a n i s mo fb i o m a s st a rc a t a l y t i cr e f o r m i n gi ss t u d i e dc a r e f u l l y a l s o ，h o wt h e g a s i f i c a t i o nt e m p e r a t u r e ，p y r o l y s i st e m p e r a t u r ea n dr e s i d e n c et i m ei n f l u e n c et h et a r c o m p o n e n ti sc o n c e m e d m o r e o v e r , s o m ee l e m e n t a r yt h e o r e t i c a la n a l y s i si st o u c h e d i nc o n t r a s tw i t ht h ed a t aa c q u i r e db e f o r e t a rc a t a l y t i c c r a c k i n gs e e m sah i 曲l y p o t e n t i a lm e a s u r e ，e s p e c i a l l yo nt h ep u r p o s eo fi n c r e a s i n gt h eg a sq u a l i t ya n dy i e l d ， t h e s ee x p e r i m e n t ss u g g e s tt h a t t ot h ec o u n t r y o r i e n t e db i o m a s sg a s i f i c a t i o ns y s t e m o f c e n t r a l g a ss u p p l y , d o l o m i t e l o o k saf a i r l ye x c e l l e n t c a t a l y s ta tp r e s e n t k e y w o r d s ：b i o m a s s m e d i u mc a l o r i f i cv a l u eg a sd e m o n s t r a t i o n p r o j e c t t a r c a t a l y t i cr e f o r m i n g c l a r i f i c a t i o n 、 浙江大学硕士学位论文 致谢 本文能够得以顺利完成首先要感谢岑可法院士。岑院士始终非常关心本文所 进行的工作，并提出了许多建设性意见，岑院士对事业执着追求的精神给予我教 育，激励我奋发向上。 本文的工作得益于周劲松副教授、方梦祥教授、高翔教授三位导师和骆仲泱 教授的精心指导和亲切教诲。先生们宽广的胸怀、严谨的科学作风、渊博的知识、 富于创造性和预见性的见解，为我能顺利完成学业奠定了坚实的基础，并将使我 受益终生。本文从选题到最后完稿都渗透着四位老师的心血和汗水，只是由于时 问仓促和作者学识的浅薄，不能将导师的学识和见解完全体现。在此向四位导师 的关怀和帮助致以深深的谢意。其中，特别感谢周劲松副教授，他给予我学业和 人生的指导是远非语言所能表达的，必将随着时光的消逝而愈加香醇。 感谢流化床课题组旋正伦高工、程乐鸣教授、王勤辉副教授、王树荣副教授 和余春江博士，从他们身上我真切感受到了自己于国于民的责任和使命。 衷心感谢循环流化床课题组的王庆东、周强、洪军、蒋林、吕小兰、毛玉如、 秦宏、石惠娴、刘静、廖艳芬、滕斌、刘妮、王乃华、林赫、王文龙、王恩字等 学友的帮助和支持。感谢颜纯萍小姐在我打印论文时提供了诸多的帮助，感谢赵 文宝、陈永强、丁成云三位师傅在搭建试验台和试验过程中提供的帮助。 衷心感谢能源硕9 9 班主任邱坤瓒老师及黄景涛、陈亮、傅刚、陈云、江爱 朋、茅建波、谢瑞东、叶云、雷震春等同学在生活和学业上给予我的帮助。 衷心感谢董希望、焦利剑、金上尧、陈利民、曹志刚等几位西溪硕士楼兄弟 在共同生活的一年半中带给我的无尽欢愉。 衷心感谢远在异域的丹丹小姐在论文撰写期间给予我的帮助和鼓励，祝愿她 学业顺利，早日学成归国。 特别感谢张晓东博士生在我求学期间给予我各方面的兄弟般帮助，没有他的 倾心投入，本文将难以在如此短的时间内顺利完成。同时，也衷心感谢任建莉博 士生、郑接林师兄和王铁柱师弟在学习生活上给予我的巨大帮助。 在论文完成之际，尤其要感谢我的家人，正是他们深切的期望和无尽的支持 使我得以顺利完成学业。他们予我的恩情则远远超出了文字的含蕴，我也定当终 我余生报答之。 最后，谨祝所有的老师、同学、家人、朋友身体健康，家庭美满，一生平安! 许明 2 0 0 2 年2 月于求是园 f 堑兰查兰! ! 主兰堡丝查 生兰坐 第一章绪论 1 1 引言 、r 今世界正面临着人口与资源、社会发展与环境保护的多重压力，能源则是 确保人类社会文明进步和经济发展最为重要的物质基础。自2 0 世纪7 0 年代能源 危机以来，人们埘石油、煤城、天然气的贮量和开采时限作过种种估算j 推测， 几乎都得出敛结论：2 1 世纪化石燃料中有的将被开采殆尽，有的因开采成本 过高以及开发利川导致的系列环境问题而失去开采价值，化石燃料终将耗尽将 成为无可争辩的事实。裘1 1 给出了不可再生能源( n o n r e n e w a b l ee n e r g y ) r i 亍 全球能源消耗的比例和可使用年限的统计预测值i l j 。 表1 1不可再生能源占全球能耗比例及可用年限 能源种类占全球能耗的比例( )可使用时间( 年) 煤2 5 02 2 0 化石能源打汕3 2 07 404 0 天然气 1 706 0 核能( 裂变) 4 02 6 0 总和 7 80 虽然我国能源资源t i b e t 齐全而且总量可观，己探明能源矿产可采储量( 不含 铀) 约占世界总采储量的1 1 ，位居 第三( “。但由于我国人口基数大，使得 人均能源资源量远低于世界平均水平 ( 图1 - 1 ) ，多数能源资源类型在世界 平均水平的5 0 左右。根据国家有关 部门的预测，未来2 0 年q ，国能源消费 需求将比日前增长1 倍左右，其中煤 炭将达到2 6 亿吨、石油3 亿吨、天然 气8 0 0 亿立方米。除了煤炭资源尚能满足2 0 2 0 年的国内消费需求之外，国内石 油、天然气和铀矿资源只能维持到2 0 1 0 年的能源消费【3 】。因此，我国能源资源 的开发和利川正面临着更为严峻的形势，而且将随着社会主义市场经济的飞速发 展呈进步加剧之势。 与此同时，化石燃料的大量开采使刷，已经对人类赖以生存的地球生态环境 构成了极大威胁( 表1 2 ) 。尤其近几年为全球所关注的气候变暖问题，在很 大程度上正是由于化石类燃料燃烧时大量排放c 0 2 等温室效应气体所引起的， 其中c 0 2 的影响约占所有温室效应气体的5 5 。据统计，1 9 9 5 年全球c 0 2 的排 放量已达到2 2 0 亿吨，| 向u 随着发展小国家经济的腾飞，其排教量必然会进步 增加。另外，化石燃料的过度开采利川也导致对环境、人类健康造成重大危害的 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 s 0 2 和n o 。气体浓度的升，苗。有关资料显示，近1 f f j l , 年来地球大气层中的有害气 体成份已明显升高：空气中的c 0 2 增加了2 5 ，n o 。增加了1 9 ，c h 4 增加了 1 0 0 ，大气中的c f c s ( 氯氟烃) 和s 0 2 含量也有不同程度提高5 “。毋庸置疑， 这些变化已经很大程度上影响了人类的生存环境，环境保护是摆在人们面前的又 一迫切需要解决的课题。 表1 - 2全球生态环境恶化的具体表现 项目恶化表现 土地沙漠化1 0 公顷分 森林消火2 1 公顷分 耕地减少4 0 公顷分 草地减少2 5 公顷份 物种灭绝2 个时 土壤流失3 0 0 万吨时 c 0 2 排放1 5 0 0 万吨天 垃圾产生2 7 0 0 万吨天 由于环境污染造成死亡人数1 0 万人天 各种废水或污水排放速度6 0 0 0 0 亿吨年 各种自然灾害造成的损失1 2 0 0 亿美元年 能源危机和环境污染，已经成为社会经济发展的双重压力，并引起世界各国 的高度重视，合理开发和利用新型能源资源则正是改变这种状况的有效途径之 一。国外不少学者较早使用了“能源革命”( e n e r g yr e v o l u t i o n ) 一词来说明发展 可再生能源( r e n e w a b l ee n e r g y ) 的深远意义。联合国也早在2 0 世纪6 0 年代初期 就提出了“能源过渡”( e n e r g y t r a n s i t i o n ) 的概念，预计从2 0 世纪末开始将在世 界范围内出现以新能源( n e we n e r g y ) 和可再生能源逐步代替化石能源的趋势。 我国政府在“中国国民经济和社会发展九五计划和2 0 1 0 年远景目标”、中国 2 1 世纪议程以及近期由国家发展计划委员会、科学技术部颁布的当前优先 发展的高技术产业化重点领域指南( 2 0 0 1 年度) 中都特别强调了改善现有能 源结构、发展新型清洁能源和可再生能源的迫切性及其深远意义。 纵观人类几千年文明史，正是能源结构的一次次变革导致了人类社会的巨大 进步。可以想象，未来的能源结构将与过去不同，多种能源资源并存的能源体系 将成为新世纪能源结构的特征。生物质是构成自然生态环境的基本元素之一，在 其开发和使用过程中，不会造成地球的温室效应，同时可以有效改变传统的能源 生产方式和消费方式。因此，生物质能源极有可能成为2 1 世纪的主要能源之， 对其广泛开发利用是国家能源战略的必然选择。 1 2 生物质能源开发利用的意义 一切有生命的、可以生长的有机物质统称为生物质，包括动植物 l l 微生物。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 生物质能足指蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化 学能而贮存在生物质内部的可再生低碳能源【5 i 。表1 3 给出生物质及矿物燃料的 元素组成1 6 】。 表卜3生物质及矿物燃料的元素组成( 应用基) 能源chonsaw q d 。 生物质( 小)4 6 4 456 73 7 3 5 0 61 0 1 7 2 6 2 k j k g 大然气7 52 5 | | 3 5 6 0 0 k j n m 液化f i 油气8 21 8，1 0 4 6 7 0k j n m 3 柴油8 5 5 51 2 3 50 3 10 4 8o 2 60 0 3o 44 2 9 1 5k j k g 煤5 7 4 23 8 l7 1 6o 9 30 4 62 1 3 78 8 52 2 2 1 1k j k g 能源种类小司，兀索组成小j 司，上表只是一些近似值 生物质能的主要特点是分布广泛、环境污染少、能量密度低，利用现代技术 高效率地予以开发转换，将对逐步改变我国以化石燃料为主的能源结构，特别是 为农村地区因地制宜地提供清洁方便的能源，具有十分重要的意义。 1 2 1 生物质能贮置丰富，对其开发利用有重要的能源经济意义 据估计，全球每年经光合作用产生的生物质有1 8 0 0 亿吨，其熟当量约为 3 1 0 ”焦左右，相当于全世界能源总消耗量的1 0 倍【4 】。在理想状况下，地球上 生产生物质能的潜力甚至可以达到现实能源消费的1 8 0 2 0 0 倍。而在发展中国 家，虽然生物质能占总能耗的3 5 以上( 相当于1 1 8 8 亿吨石油) ，但其利用率 很低，只有1 3 左右i ，j 。 生物质能在我国是仅次于煤、石油、天然气的第四位能源资源，在能源系 统中占有重要的地位。我国生物质能资源相当丰富，主要包括以下四个方面 8 i ： 薪柴及林业加工剩余物。9 0 年代末，我国每年消耗的薪柴约为2 1 亿m 3 ，折 合1 2 亿吨标准煤，其中过耗约o 2 0 3 亿吨标准煤。林业加工剩余物合理资源 量为1 5 8 亿吨，折合o 9 0 亿吨标准煤。秸秆及农业加工剩余物。秸秆( 稻谷、 小麦、玉米) 在我国每年有6 亿吨实物量，用于燃料的占2 5 3 0 ，折合o 7 5 亿吨标准煤。农业加工残余物( 稻壳、蔗渣等) 约3 8 9 亿吨，经加工处理的为 o 8 4 亿吨，折合3 3 6 亿吨标准煤。畜类。人畜粪便生物质资源总量为4 4 3 亿 吨，折合约2 3 7 亿吨标准煤。生活垃圾。我国城市生活垃圾清运量约为1 0 8 2 5 亿吨，其中有机物含量( 厨房剩余物、纸品、草木纤维、塑料橡胶等) 约占1 3 。 从上面的数字中可以看出我国生物质能资源潜力为7 亿吨标煤左右，而目前 每年实际使用量为2 2 亿吨标煤。当前，生物质主要在农村使用，占农村总能耗 的7 0 ，但利用水平低，浪费严重。所以充分合理开发使用生物质能这一清洁、 可再生能源，对改变传统的能源生产方式和消费方式，具有重要的经济意义。 1 2 2 生物质是一种清洁能源，对其开发使用能有效减少c 0 ：排放 1 9 9 2 年在小约热内，r i ，召) - i ：的环发大会标志着全球致力于减缓气候变暖和刖 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 减c o ，排放的起点。生物质具有挥发份高，炭活性高，禽氢量高，硫、氮含量低， 灰分低的优点( 表1 3 ) 。因此，与矿物燃料相比，造成空气污染和酸雨现象明 显降低。另外，生物质的利用过程是植物的光合作用和燃烧反应的可逆循环利用 过程，从而使整个能源利用系统的c 0 2 净排放为零。h 口： c 0 2 + h 2 0 + 太阳能型型业一( c h 2 0 ) 。+ h 2 0 ( 1 一1 ) ( c h 2 0 ) 。竖缝_ c 0 2 + 热能( 1 2 ) 如果以上两个反应速度匹配合适，c 0 2 甚至可以达到完全平衡。因此，整个 生物质能循环就不会引起全球变暖，这对于缓解同益严重的“温室效应”具有重要 意义f “。表1 - 4 给出生物质及矿物燃料利用过程中c 0 2 排放量1 6 1 。 表1 - 4生物质利用过程中运输、预处理过程的c o t 排放量分布 利用方式 b ( k g )d l ( g )d 2 * ( g )d 3 * ( g )d + ( g ) 简单燃烧 03 8 669o 6 93 8 34 59 生物质锅炉0 0 8 21 7 01 7951 1 4 气化燃烧0 0 6 41 2 0 1 16 47 7 生活煤气 低热值0 1 6 5 2 9 70 2 91 6 41 9 7 中热值0 1 4 5 2 6 1o 2 61 4 4 1 7 3 气化发电 小型( 2 5 0 k w )2 1 33 836 8 22 i i3 1 7 5 中型( 1 m w )1 2 2 2 1 9 ， 3 9 11 2 11 8 20 i g c c05 2941 6 75 1 67 7 7 由表1 - 4 可见，只要采用高效合理的利用方式，生物质总体利用过程中c o ： 的排放比矿物燃料小9 0 左右，表明生物质代替矿物燃料是减少c 0 2 排放的有 效措施之一，而气化技术是高效利用生物质的重要途径：另外，系统效率越高， 相应的减少量也大，所以开发大型、高效率的生物质能利用系统是今后的发展方 向。 1 2 。3 合理开发利用生物质能，对我国具有重要的现实和长远意义 我国是世界上最大的发展中国家，其产业结构特点和地理条件更适合开发生 物质能。我国幅员辽阔，植物种类丰富，林木覆盖率只有1 3 ，但有大片荒芜 国土可以种植以生产能源为目的的植物( e n e r g yc r o p s ) 。同时，我国是一个农业 大国，有9 亿多人口生活在农村，每年至少产生数亿吨的农作物废弃物。当前， 占农村居民生活用能7 0 的生物质能，是在普通炉灶上用作直接燃烧，效率仅为 1 0 2 0 。近年来，由于其它能源进入农村，部分农村( 特别是较发达地区农村) 生物质的使用量下降，生物质相对过剩。因此，若能将农村丰富的生物质资源转 化成高品位的能源( 如燃气和电力) ，就可以解决这些地区用电用能问题，从而 改藩中因农村地区落后局面，促进肖地经济发腱，对建立社会主义i ，场经济体制 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 有着特殊重要的意义。 1 3 生物质能源开发利用的现状及前景 一般来讲，生物质的转换利用技术大致可分为三类f 4 】：( 1 ) 直接燃烧；( 2 ) 热化学转换技术。通过热化学技术转化成优质的流体燃料； ( 3 ) 生物化学转换 技术。通过微生物发酵方法转换为液体或气体燃料。通用的生物质能源转换技术 分类如图1 - 2 t “。 由于本文重点在于研究热化学转换中的热解技术，所以在下文中将简单介绍 一下国内外的生物质能在热化学转换技术中的利用情况。 圈1 - 2生物质能源转换技术分类 1 3 1 生物质气化技术 生物质气化领域处于领先水平的国家有瑞典、美国、意大利和德国等。目前 瑞典已生产出2 5 k w 2 5 m w 的下吸式生物质气化炉，科研机构正致力于循环 流化床和加压气化发电系统的研究。美国根据循环流化床气化原理，研制出生物 质综合气化装置燃气气轮机发电系统成套设备，为大规模发电提供了范例。 此外，德国、意大利、荷兰等国家也在生物质气化技术方面开展了大量的研究工 作，产品进入商业推广阶段。总体上看，欧美发达国家研制的生物质气化装置一 般规模较大，自动化程度高，工艺复杂；以发电和供热为主，造价较高：气化效 率可达6 0 8 0 ，可燃气热值为1 7 25 1 0 4 k j i m 3 。与此同时，为满足发展中国 家农村用能的需要，一些国家研究了小型气化设备。日本的r u ns a k a i 等人于七 十年代设计了一台小型木炭煤气装置用于开动6 马力的汽油机并取得了成功。类 似的装置在菲律宾的c e n t r a ll u z o n 大学( 1 9 7 7 ) ，美国密执安州立大学( 1 9 7 8 ) 和泰国农业部农业工程局( 1 9 8 0 ) 相继建成。该装置制造工艺简便，由于使用木 炭而无焦油去除问题。另外，发展中国家近年来由于森林覆盖率下降，也开始重 视生物质气化技术的研究，如孟加拉国建成下吸式气化装置投入运行，马来西亚 用固定床气化发电。印度以稻壳和可可壳为原料，已研制出3 7 1 0 0 k w 多种舰格 的l 吸式气化炉生物质气化发电装置。 八| j ，1 i 代以来因内诸多高校和科研机构在研制生物质气化技术和装置方 5 一一一一一 蛰孚霉豳甲圈 浙江大学硕士学位论文 面相继取得了一系列重要突破。中国农机院于“六五”j t j l j 开发了n d 一4 0 0 型、 n d 一9 0 0 型系列化生物质气化炉，曾在浙江省萧山第一农场以破碎后麦秆作为气 化原料进行示范。经使用后发现，该炉具有结构简单、运行成本低等优点，但同 时存在点火困难、加料不便、气体热值低、焦油难消除等缺点。近年，中国农机 院走户用小型化的路线，与石家庄市华都环能技术公司联合开发了家用生物质煤 气炉灶。广州能源所研制了上吸式气化炉，对气化原理、物料反应性能等做了大 量试验，又对上吸式气化炉加以改进，用于锅炉供热。山东能源所研制出燃用农 作物秸秆( 以玉米秆为主) 的固定床气化炉，经热解产气，成功地向5 0 多个试 点村的村民送上管道煤气。此外，江苏理工大学等单位也试制成以生物质为原料 的水煤气炉，但因间歇制气存在操作上的不便，未能实现规模推广。上述几种形 式气化炉均利用空气气化生产5 m j n m 3 左右的低热值燃气。浙江大学在固定床 气化炉的基础上发展了循环床式气化炉，对秸秆、稻壳进行了气化试验，旨在克 服燃气热值低、间歇运行等缺点，当前已经进入工程示范阶段。 与发达国家生物质气化技术相比，我国目前在这方面相对落后，特别在实际 应用方面，生物质气化目前仍停留在少数几个示范装置上，而且主要是小规模， 固定床类型，存在着燃气热值低、燃料利用率低、燃气净化不彻底等问题。此 外，到目前为止，我国现有示范应用都针对高梁秆、木屑等硬质秸秆，对稻草、 麦秆等软质秸秆的应用还是空白主要因为稻麦秆中高碱金属含量易导致气化燃 烧过程中结团，影响系统运行。为此，一些科研单位如浙江大学等正在积极开发 先进而又简单实用的稻秆气化装置，但目前大多停留在试验研究阶段，离应用还 有一段距离。因此，除继续完善和大力推广现有固定床气化装置的同时，还应积 极开发先进实用的生物质气化装置，使其进入工业应用阶段。 1 3 2 生物质高效燃烧技术 在直接燃烧技术( 供热、蒸汽、发电等) 领域具有领先水平的国家有瑞典、美 国、意大利、德国等。瑞典为充分利用农林业残余物及城市垃圾，积极鼓励采用 先进的燃烧技术，其生物质能的利用量已经达n 5 5k w h ，占全国总能耗的 1 6 ，1 。美国从1 9 7 9 年开始就采用直接燃烧生物质燃料发电，其中采用流化床燃 烧技术利用生物质能已具有相当规模。如美国爱达荷能源产品公司生产的燃生物 质的媒体流化床锅炉，蒸汽锅炉出力为4 5 5 t h ，供热锅炉出力为1 0 6 x 1 0 7 1 3 0 x 1 0 8 k j h 。在生物质燃烧装置上，国外以大型化的流化床锅炉为主，技术先 进、燃烧效率高、运行比较成熟可靠。 我国目前生物质能的燃烧利用方式和转换技术相对落后，大部分仍采用柴灶 商接燃烧方式，转换效率很低。因此，研究开发生物质高效燃烧和转化技术已成 为能源领域的一个重要研究方向。哈尔滨工业大学较早进行了尘物质燃料的流化 床燃烧技术研究，研制成功1 2 5 t h 燃甘蔗渣流化床锅炉。浙江大学热能工程研 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 究所提出了用于不同规模、各种炉型的生物质燃烧系统的生物质利用转化方案， j ：先后与无锡锅炉厂、杭州锅炉厂合作开发了1 0 t h 燃用咖啡渣流化床发电锅炉， 3 5 t h 燃用稻壳流化床锅炉以及1 0 t h 燃用稻壳的链条炉。针对稻秆存在高碱金属、 低熔点、易结团和易造成受热面腐蚀的特点，浙大在进行燃烧炉和锅炉大型化的 同时还提出了链条炉分段燃烧方案，目前正和锅炉厂合作丌发燃用秸秆的流化床 锅炉和链条炉。另外，为了提高生物质在小型燃烧装置上的利用效率，浙江大学 还致力于成型燃烧技术和流化床混烧技术的研究。 1 3 3 生物质闪速热解制油技术 在过去二十年左右的时间里，北美洲开发研制了很多用于示范和商业化运行 的热裂解液化装置。九十年代初，欧共体j o u l e 计划启动了利用生物质生产能 源项目的很多课题，显示了欧盟对生物质液化技术的重视程度。引人注目的是， 九十年代初成立的加拿大达茂科技公司利用该公司的生物质反应炉专利技术，于 1 9 9 7 年6 月建成可日产半吨生物油的示范工厂，目前正着手建造可日产百吨生 物油的全球最大反应炉。该公司清醒认识到生物质热裂解技术可将农林业废弃物 转化为清洁燃料生物油，并能进一步加工成生化石灰、缓效性肥料等高附加值产 品，因此在近期谋求与r t i 公司合作进行生物油系列产品的生产。 国内对于生物质液化技术的研究直到九十年代初期才开始得到关注。沈阳农 业大学以联合国粮农组织“中国东北寒冷地区综合能源系统”项目为依托，对生物 质液化技术开展了相关的试验研究，研究开发的旋转锥反应器加工能力为 5 0 k g h ，是中国乃至亚洲最大的闪速热裂解中试设备。浙江大学在国内率先独立 开展了液化机理性试验研究，并于九十年代中期自行研制开发了国内第一台小型 生物质流化床闪速热裂解液化试验装置，得出了各运行参数对生物油产率及组成 的影响程度，并用新型g c m s 联机分析系统定量分析了生物油主要组分，填补 了国内该方面空白。目前正在此基础上开展深层技术和规模应用的研究。 1 3 4 生物质能开发利用的前景 生物质能的转化利用在未来整个新能源和可再生能源发展中具有相当重要 的地位。美国国家科学院在1 9 8 5 - - 2 0 1 0 年的能源转变报告中明确指出：到 2 0 1 0 年，大规模生物质转化所获得的能量将是1 9 8 5 年能源总需求的2 0 倍，生 物质动力工业将成为美国仅次于水电的第二大可再生能源工业【9 】。近几年来，欧 盟所推行的d g v i i 生物质能利用计划取得了显著进展。今后3 0 4 0 年问，欧盟 农林业每年可提供1 0 亿吨干生物质( 见表l 一5 ) ，由此转换成的能源可满足供热、 电力、饮水、运输和化工商品等的市场需要。以2 0 0 5 年可供量为例，若按转换 成液念或气念燃料的效率为7 5 计算，可得7 1 2 亿吨生物质，相当于欧洲联瞄 各国1 9 9 2 年的石油进口总量( 7 5 6 亿吨) i 】。 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 表卜5 欧洲联盟国家可供利用的生物质( 单位：亿吨千生物质年) 尘物质 2 0 0 5 盈2 0 3 0 年 己耕地区 5 o1 0 0 待开发地区 1 41 4 农业废弃物 2 52 5 其他 0 6o 7 5 总计9 51 4 6 1 4 加快生物质能源转化技术的产业化、市场化进程 目前，制约生物质能开发利用的主要因素在于生物质本身的固有属性( 材料 分散、能量密度低、收集运输及预处理过程费用高) 、生物质转化利用技术的不 完善及较高的成本。根据我国在2 0 5 0 年要达到世界中等发达国家的经济水平和 改善生态环境的大目标要求，在2 0 2 0 和2 0 5 0 年，以现代技术开发生物质能的水 平应分别达到1 9 5 和2 7 亿吨标准煤川，因此必须加快生物质能源转换技术的产 业化、市场化进程： 1 ) 以生态可持续方式生产生物质，大力种植人工薪炭林等能源作物。同时， 在本世纪最初几十年，应将我国生物质能中最可靠和易获得的秸秆等农业废弃物 作为技术转化的首选资源。 2 ) 在现代化农村城镇积极开展生物质中热值气化集中供气项目的示范工程建 设，积累技术和经营管理方面经验，早日推出市场化形式的系列产品和先进有效 的运营方式。并且以此为基础，进一步研究开发适合中国国情的中小型生物质气 化发电技术和设备。 3 ) 政府应通过立法、税收及其它经济手段来进行扶持和政策性引导，增强生 物质能的市场竞争力。对有前景但技术经济性或商业化条件尚未完全过关的转化 技术，要加大风险资金的投入力度。同时加强人力资源开发，创新运行机制，最 终能满足社会经济可持续发展战略的要求。 4 ) 利用各种渠道获得的数据，尽快建立国内包括生物质资源分布、组成、数 量、资源变化、技术研究及其它相关信息的综合数据库，推进生物质能技术研究 的信息化、系列化和标准化。 1 5 本文工作背景及内容简介 浙江大学热能工程研究所( i n s t i t u t ef o rt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ，简称 i t p e ) 长期致力于生物质能燃烧发电技术、流化床热裂解制油制气技术、中热值 气化集中供气技术的研究，取得了许多成果和经验。i t p e 针对目前国际上尚未 解决的软质秸秆气化问题，对稻秆的气化、 二馏特性进行了大量的基础性研究 ： 作，匠j _ 研究了流化未操作条件、气化介质的选择、气化介质与生物质历i 料配料 浙江大学硕士学位论文 比等方面对气化性能的影响，并对生物质流化床气化器设计与参数优化提出了比 较系统的方案和见解。同时，i t p e 还针对我国农村产量最大的稻麦秆等生物质 资源进行了号题研究，提出了一种先进的软质秸秆( 稻麦秆) 中热值气化技术。 即将燃料燃烧和气化相结合，采用干馏气化技术，产生供民用的中热值煤气以及 可用于还h j 或制碳的副产品( 干馏半焦) ，从而使燃料中固体和气体成分得到充 分利用，达到了较高的燃料利用率， 该方案采用的原料为农村储量丰富的稻壳、秸秆等，可分为三步：第步， 主要研究生物质在小型热解反应器内的热解特性及热解产物分布和产品性质，为 中试试验台提供设计的理论和实验依据，这一工作已基本完成；第二步，搭建中 试试验台进行试验，解决气化炉内的换热效果差、连续运行所需的热量问题以及 对焦油催化裂解、燃气净化处理方式进行研究；第三步，在中试试验台获得数据 和经验的基础上，进行示范工程气化系统的设计。第二、三步为本文研究的重点。 本文主要研究内容包括： 第二章对国内外生物质热解气化技术的发展和工艺进行综述。 第三章以工程应用为目标，在中热值热解制气中试试验台上对于连续运行条 件下，气化炉内传热特性、炉内温度分布、产物分布、产品气的品质进行了研究， 并对自行设计开发的煤气燃烧器的热力性能和燃烧性能进行了研究，为示范工程 的设计提供设计参数及运行方面的依据。 第四章在中试试验所获得数据及运行经验的基础上，对中热值气化集中供气 工程的气化站部分进行了设计，主要包括：气化站的选址及站内布置、气化系统 设计、冷凝系统设计、焦油催化裂解系统设计、净化干燥系统设计、输气管网设 计、消防安全设计等，并进一步对工程的技术经济性进行了简单评估，为示范工 程的建设和调试运行提供了技术方面的保证。 第五章以中试试验为基础，着眼于工程应用，利用针对工程应用的焦油取样 测量系统，初步研究了适合中国农村实际的高效、低成本生物质燃气净化技术。 第六章在焦油催化裂解小型试验台上利用改进的b t g 焦油取样测量方法对 生物质焦油蒸汽催化转化方式进行了研究，分析了一定物料、催化剂条件下气化 温度、裂解温度等参数对于焦油转化的影响，并对热解燃气的成分进行了分析。 第七章对全文进行总结。 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 参考文献 张无敌、董锦艳等，g ：物质能利川，太刚能，2 0 0 0 ，( 1 ) ：6 - 7 肖建比，论能源过渡年新能源的开发前景，世界科技研究与发展，1 9 9 6 ，1 0 ( 5 ) ：4 1 4 6 霍雅勤，中国能源现状及可持续刺埘对策，中国能源，1 9 9 9 ，2 ：4 2 - 4 4 杨立忠、杨钧锡、别义勋，新能源技术，中国科学技术出版社，1 9 9 4 陈冠益，生物质热解试验与机理研究，浙江人学博士学位论文，1 9 9 8 阴秀丽、吴创之等，生物质气化对减少c 0 2 排放的作用，太阳能学报，2 0 0 0 ，1 ( 2 1 ) ：4 0 4 4 m o a d o ep r o j e c te x p e r tt e a m ，b i o m a s se n e r g yc o n v e r s i o n t e c h n o l o g i e s i n c h i n a ， d e v e l o p m e n t a n de v a l u a t i o n ，c h i n ae n v i r o n m e n t a ls c i e n c ep r e s s ，1 9 9 8 顾树华、段茂盛，中国生物质资源概况及其能源利用，小型生物质发电技术研讨会， 吉林欧春1 9 9 8 j h o n s s o ne ta 1 ，b i o m a s sf o re n e r g y ，e n v i r o n m e n t ，a g r i c u l t u r ea n d