（工程热物理专业论文）生物质中热值热解技术试验与应用研究.pdf

塑鲨叁堂堡堂堡堡苎 一 - _ _ _ ，_ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - 一 摘要 本文的研究主要是针对生物质热转化技术中的热解工艺过程。在综述国内 外有关生物质利用技术的基础上，围绕生物质中热值热解气化集中供气系统的 攻关项目，针对我国国情，对适合于我国农村应用的问壁式热解制取中热值可 燃气系统进行了详细的研究。f 这不仅有利于缓解我国农村生活用高品位能的紧 张局面，而且有利于改善环境。 在对生物质能概念、利用和各种生物质能转化利用技术作了介绍的基础h 本文对生物质热解、气化技术的研究发展进行了综述，分别对国内外生物质热 解、气化项目的组织开发、重要工程和技术特点等基本情况进行了比较系统、 全面的介绍j “ 结合国内外文献，对生物质的热裂解机理进行了初步探讨，得出了适合j 二 热解制气的温度为7 5 0 9 0 0 c 。这为生物质热裂制气试验研究奠定了理论依据。 接着介绍一种面向我国农村的新颖的中热值热解制气技术的开发和研究。 在生物质固定床热解机理试验的基础上，建立了8 0 户生物质中热值中试试验系 统。随过试验，得出了温度、物料、停留时间等因素对生物质热解制取煤气的 成分，热值以及产气率的影响一些基本规律，了解了热解炉内温度分布。通过 对为实现连续运行而采用内加热式和外加热式的热解系统炉内温度场的分前】并 产气率的分析，得到了一些重要的试验数据和结论，这为以后面向工程应用的 热解制气示范装置的设计与运行提高了依据。一 最后介绍了针对中热值热解制气中试试验台的反应器传热模型和热解模 型。f 反应器传热模型主要是用于模拟热解反应器在整个启炉过程中反应器炉舶 温度场的变化过程。而反应器热解模型是模拟在分批进料连续运行的热解系统 一次进出料的过程中，高温热解反应区内的温度场分布和挥发分的析出规律。 这两个模型的计算结果可以为反应器的进一步改进以及以后示范装置的设计与 运行依据。j 关键词：生物质热解热解反应器中热值燃气 传热模型热解模型 艺潦移绞、缸f 闭 塑些查堂堡堂生笙苎 a b s t r a c t t h es t u d i e so fb i o m a s st h e m o c h e m i c a lc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y ，m a i n l y t h e p r o c e s so fp y r o l y s i s ，h a v eb e e np r e s e n t e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h es u m m a r y ( = f o r l r l e ri n v e s t i g a t i o n so nb i o m a s sc o n v e r s i o na n da c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fc h i n a an o v e lb i o m a s s p y r o l y s i st e c h n o l o g yf o rm e d i u m e n e r g yf u e lg a ss u p p l yi nr u r a la r e l h a sb e e ns t u d i e di nd e t a i l s t h i st e c h n o l o g yn o to n l yc a nr e l i e v et h ed e m a n dp r e s so l o r d i n a r yf u e li nc h i n e s er u r a la r e a ，b u ta l s oc a ni m p r o v e e n v i r o n m e n t a f t e rab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p ta n dt h em e a n i n go ft h eb i o m a s se n e r g 、 a n dt h ec o m m o nt e c h n o l o g i e sa d o p t e df o rb i o m a s su t i l i z a t i o n ，ar e v i e wo fc u r r e n l r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fb i o m a s s p y r o l y s i sa n dg a s i f i c a t i o nw a sg i v e n t h em a j o 】 p r o g r a m s ，p r o j e c t s a n dr e s e a r c h o r g a n i z a t i o n s i nt h ef i e l di nt h e f o r e i g n a n dt h e d o m e s t i ch a v eb e e ni n t r o d u c e d o nt h eb a s i so fr e f e r e n c i n gr e l a t i v er e s u l t si nl i t e r a t u r e t h em e c h a n i s m0 1 b i o m a s s p y r o l y s i s w a sd i s c u s s e d p r e l i m i n a r i l y ，a n d t h ec o n c l u s i o nt h a tt h e t e m p e r a t u r e w h i c hi sf i tt ob i o m a s s p y r o l y s i sg a s i f i c a t i o ni s7 5 0 9 0 0 t h i sp r o v i d e s t h et h e o r e t i c a lb a s ef o rb i o m a s sp y r o l y s i sg a s i f i c a t i o n n e x t ，t h er e s e a r c hw o r ka b o u ta m e d i u m e n e r g yp y r o l y t i cb i o m a s sg a s i f i c a t i o r t e c h n o l o g yw h i c hi sd e v e l o p e ds p e c i a l l y f o rr u r a la r e ao fc h i n a w a si n t r o d u c e d b a s e do nt h ed a t aa n dc o n c l u s i o nd r a w nb yt h em e c h a n i s me x p e r i m e n t s ，a p i l o l i n d i r e c t l y h e a t e da n d m e d i u m e n e r g yp y r o l y t i cg a s i f i e r h a sb e e ns t u d i e d s o r n i s i g n i f i c a n te x p e r i m e n td a t aa n dk n o w l e d g ew e r ea c q u i r e df r o mt h ea n a l y z i n gt h e t e m p e r a t u r ep r o f i l ea n dt h er a t i oo ft h eb i o m a s sp r o d u c i n gf u e lg a so ft h ep y r o l y t i c g a s i f i e r sw h i c hw a sh e a t e db yt h ee x t e r n a la n dt h ei n t e r n a lt oc o n t i n u o u so p e r a t i o n t h o s ei n f o r m a t i o na r ee s s e n t i a lt ot h ed e s i g na n d o p e r a t i o no fl a t e ri n d u s t r i a lf a c i l i t y a tl a s t ，t h eh e a tm o d e la n d p y r o l y s i sm o d e l o ft h ep y r o l y s i sr e a c t o rf o rt h ea p i l o i n d i r e c t l y h e a t e da n dm e d i u m e n e r g y p y r o l y t i cg a s i f i e rw e r ei n t r o d u c e d t h eh e a m o d e lc a na n a l o gt h et e m p e r a t u r e p r o f i l eo f t h ew a l lo ft h e g a s i f i e rd u r i n gt h eh e a t e d t h e p y r o l y s i sm o d e l c a np r e d i c tt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h er e a c t o ra n dt h ep r o d u c t s e v o u t i o nl a w ，t h ec o m p u t i n gr e s u l t so ft h e mc a ni m p r o v et h es y s t e ma n dd i r e c tt h e d e s i g na n do p e r a t i o no f l a t e ri n d u s t r i a lf a c i l i t y k e y w o r d ：b i o m a s s p y r o l y s i sp y r o l y s i sr e a c t o r m e d i u m e n e r g yg a s h e a tm o d e l p y r o l y s i sm o d e l i i 浙江人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着社会生产力的发展，世界f 面临着人口与资源、社会发展与环境保护 等多重压力的挑战，而确保能源供给是现代社会和世界经济发展的先决条件。 当今在商业用能中占据重要地位的主要有煤炭、石油、天然气、水能和核 裂变能等，在这其中，适合于经济丌采的石油和天然气资源只能再丌采3 0 年， 最多5 0 年将被耗尽，总储量也仅够人类使用2 7 0 年，煤炭虽储量大消耗少，f | _ 总储量也仅够丌采3 0 0 年，铀资源在2 0 6 0 年前将全部用完，而利用水力发电投 资大建站周期长，且受地理条件限制，能源，己成为制约一个国家经济提升 的“瓶颈”产业，并往往严重阻碍其他行业的发展，能源短缺的难题随着2 1d 纪的到来也来到我们中间。 相比之下，我国面临着更为严峻 的形势，诚然我国能源资源有品种齐全 和总量可观等优势，能源矿产探明可采 储量( 不含铀) 约占世界总值的1 1 ， 位居第三p l ，然而人均能源资源量远低 于世界平均水平( 图1 1 ) ，大部分在 世界平均水平的5 0 左右。根据国家有 关部门的规划，未来2 0 年中国能源消 费需求较之目前增长1 倍左右，其中煤 习 a l l 丌hll 矩博原油 摊7 t求l n 口十月 目_ 目口q 目 图1 1 人均能源储备的比较 炭将达到2 6 亿吨、石油3 亿吨和天然气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，石油、天然气和铀矿资源只能维持到2 0 1 0 年的 能源消费增长【“。 萨当人类加速扩大能源需求的前夕，一场全面的能源危机急需人们去解 决。鉴于石油、煤炭等化石燃料蕴藏量的有限性，联合国早在6 0 年代初期就提 出了“能源过渡”的概念【3 】，预期从本世纪术开始在世界范围内将 乜现以新能 源和可再生能源逐步代替石化能源的趋势。 同时，化石燃料的大量丌采使用，已经对人类的生存环境构成了威胁。近 _ 几年来，地球大气层中的化学成份已有很大变化：空气中的c o ，增加了2 5 ， n o 。增加了1 9 ，c h 。增加了1 0 0 ，大气中的c f c s ( 氯氟烃) 和s o ，含量也 提高了，这主要是化石燃料燃烧利用污染了大气而造成的。而这螳变化已纤 很大程度上影响了人类的生存环境。例如，由于燃烧矿物燃料产尘s o ，造成的 酸雨已经毁坏了北欧的一半森林。在中欧和东欧，由于过量使用矿物燃料，已 鼬珊啪珊啪蛳啦懈僧。 o蕈s瘫摧鞋靶蕾靶 v 浙江火学硕+ 学位论文 使大面积土地受损。温室气体，特别是c o ：排放的增加，使过去几年中地表的 平均温度一直上升，如果这种趋势持续的话，将会出现重大气候异常和局部5 t 候失衡f “。环境保护是摆在人们面前的又一迫切需要解决的课题。 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。合理地丌发和利用新的能源资源是改变这种状况的有效途径之 一。因而从联合国环境与发展大会的罩约宣言、二十一世纪议程到“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”，以及中国2 1d 纪议程都特别强调了发展新能源和可再生能源以改善能源结构，保护坏境的 重要地位。 在众多的新能源和可再生能源中，生物质能源自古以来就是人类赖以生存 的能源。从环境的观点来看，它是构成自然生态系统的基本元素之一，在能量 的转换过程中，不会造成对地球的增温变暖作用，在以不牺牲环境质量为代价 的前提条件下，改变传统的能源生产方式和消费方式，丌发利用生物质清洁能 源是一项必然选择。 1 2 生物质能源开发利用的意义 生物质能来源于生物质。所谓生物质就是在有机物中除化石燃料外，所有 来源于植物、动物和微生物的可再生物质。而生物质能则是指直接或间接地通 过绿色植物的光合作用把太阳能转化为化学能后固定和储藏在生物体内的能量 【5 l 。它是一种唯一固定碳的可再生物质，分布广、污染少，对其合理丌发利用 在经济、生态环境等方面都具有极其重要的意义。 1 2 1 生物质能贮量丰富，对其开发利用有重要的能源经济意义 在1 7 世纪术大规模使用煤以前，人类使用的能源以生物质能为主，即使明 今，生物质能的利用仍占世界能耗的1 4 ，相当于1 2 5 7 亿吨石油。在发展中 国家更为突出，生物质能占总能耗的3 5 以上，相当于1 1 8 8 亿吨石油【 ”。 掘估计，全球每年经光合作用所产生的生物质有1 7 3 0 亿吨，其热当量约为3 ) 1 0 “焦友右，约相当于全世界能源总消耗量的1 0 倍，但目前利用率很低，只翻 1 3 得剑有效利用【“2 i 。 我国的生物质能资源相当丰富，顾树华，段茂盛【7 】对我国生物质资源及利 用进行了统计。我国的生物质资源主要包括以下四个方面：农作物秸杆和张 业加工残余物；林木和林业加工剩余物；人畜粪便、工业有机废物和水牛 植物：城市生活污水和垃圾。我国1 9 9 6 年的各种主要农作物秸杆f 稻谷、小 麦、玉米) 总量为7 0 5 亿吨，折合标准煤3 4 9 亿吨，农业加工残余物( 稻壳、 2 塑鲨叁堂堡堂堡堡塞 蔗渣等) 约3 8 9 亿吨，经加工处理也为0 8 4 亿吨，折合标准煤3 3 6 亿吨；薪 材及林业加工剩余物合理资源量为1 5 8 亿吨，折合0 9 0 亿吨标准煤；人畜粪便 生物质资源总量4 4 3 亿吨，折合标准煤约2 3 7 亿吨；城市生活垃圾清运量1 0 8 2 5 亿吨，有机物含量( 纸浆、塑料橡胶等) 约占3 7 5 ；全国城市的生活污水排 放约为1 6 7 亿m 3 ，有机物含量约为1 5 0 0 万吨。从上面的数字中可以看出我回 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。 而且生物质主要在农村使用，占农村总能耗的7 0 ，而且利用水平低，浪费， 重。所以允分合理j r 发使用生物质能这一清洁、可再生能源，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，对其开发使用具有重要的环境生态意义 大气污染和全球变暖，是9 0 年代全球面临的与能源消费密切相关的重大环 境问题，目前世界上许多国家都在进行所谓的“能源效率革命”和“清洁能源 革命”，来提高能源效率和改善能源结构。生物质具有挥发份高，炭活性高，硫、 氮含量低( 含s o 1 1 5 ，含n o 5 。3 ) ，灰分低( 0 1 3 ) 及含氢量高的优点， 因此，与矿物燃料相比，造成空气污染和酸雨现象回明显降低；另外，生物质 中的碳来源于空气中流动的c o ：，它是植物的光合作用和燃烧反应的可逆循环 利用过程。 即： c 0 2 + h 2 0 十太阳能量堡盟一( c h 2 0 ) 。+ h 2 0 ( c h 2 0 ) 。型c o ，+ 热能 如果以上两个反应速度有合适的匹配，c o ，甚至可以达到平衡，因此，整，、 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 特殊的意义【”。 1 2 3 合理开发利用生物质能，具有莺大的社会政治意义 在我国农村地区，占农村居民生活用能的7 0 的生物质能，是在普通炉灶 上用作直接燃烧，效率很低，约为1 0 。2 0 ，同时随着农村经济的发展和生活水 平的提高，传统的用能方式已发生了很大的变化【7 1 ( 见表1 1 ) 。然而，我们r 1 临的一个现实是农村地区仍有1 1 亿人无电力供应，还有7 0 0 0 万人口面临着炊 事j f j 柴严重缺乏的状态，1 7 亿人面临沙漠化威胁嗍。因此，若能将当地资源丰 富的生物质资源转化成高品位的能源( 如燃气和电力) ，解决这些地区用电用 能问题，可大大促进中国农村地区落后局面，提高劳动人民的生活水平。促进 当地经济发展，对增强我国的民族团结和政治稳定具有重要意义。 3 塑婆查堂堕堂笪堡苎 表1 11 9 7 9 年和1 9 9 6 年农村地区能源消费变化( 万吨标煤) 类别1 9 7 9 生 1 9 9 6 盘= 煤 6 0 0 02 5 9 3 8 8 5 _ i 油制品1 4 2 6 8 4 6 2 8 3 6 电 3 1 2 09 3 3 17 生物质能2 2 1 7 02 2 0 4 2 7 薪材 1 0 3 7 09 9 3 2 6 3 秭杆 1 1 8 0 011 9 9 6 7 7 其他( 沼。t ，a 刚能等) 1 1 3 3 农_ l 电动机( 万k w )1 4 2 5 03 5 8 2 6 农村总人口数( 亿)88 6 农村人均商品能源域( t c e 人)0 1 40 4 7 无电人口( 亿)4 51 1 严重缺柴人口( 3 - 6 月年) ( 亿) 4 2o7 1 3 生物质能源开发利用的现状及前景 一般来讲，生物质能的转换利用技术大致可分为三类：一是直接燃烧，直 接燃烧的主要目的是为了获取热量；二是生物转换技术，通过微生物发酵方法 制取液体燃料或气体燃料。三热化学转换技术。通过热化学技术转化成优质的 流体燃料。文献【2 】还对生物质转换方式进行了更详细的分类，见图1 - 2 。 图1 2 中国生物质能技术的类别 4 塑兰叁堂堡堂堡堡兰 一 1 3 1 生物质能源开发利用的现状 目前，发达国家相继注重生物质能利用技术的开发和研究，而瑞典、美国、 意大利和德国等国家则处于领先水平。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。 自“七五”以来，我国已丌展了广泛的生物质高品位的转换装置和利用披 术的研制和丌发，在生物质气化、液化和致密成型方面都取得了较大进展。生 物质气化装置已小批量地投入l 订场，用于户用或术材烘干和供暖；集中供气沂 化床干馏热解煤气也正在试验研究。目前己有不少研究单位、工厂和公司从事 生物质能高品位利用和丌发的研制、示范试验、批量生产和销售服务。图1 1 示出了我国的生物质能转换技术【2 】，其中，生物质能的热化学转换技术是生物 质能转换利用研究中的一个重点，以下将简要介绍国内外的生物质能在热化学 转换技术中的利用情况。 生物质能的利用伴随着整个人类的文明史，但对其高效转换利用却是最近 几十年的事，特别是自七十年代石油危机以来，如何将生物质能源通过科学有 效的方式转换成高品位的能源得到了广泛的重视。目前，许多国家相继注重生 物质能热化学转换利用技术的丌发和研究，美国从1 9 7 9 年丌始就采用直接燃烧 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，预 期到2 0 0 0 年以前生物质能发电总装机容量达1 2 0 0 0 m w i “”，另外，在美国能源部 资助的生物质热化学转换计划中，提出了许多生物质气化的工程方案，近几年 大力研制采用循环流化床技术的生物质综合气化装置一燃气轮机发电系统成 设备，实现了生物质的高效、洁净利用。瑞典也非常重视生物质能的开发n , f i j 技术，生物质能的利用已占全国总能耗的1 6 1 ，达到5 5 亿k w h l l i ) 】，瑞典另一 个利用生物质能的方式是将生物质送入循环流化床气化炉进行气化，产生的燃 气通过燃气轮机发电，采用联合循环，这样的系统热效率高。此外，丹麦、；j 兰、德国、意大利、瑞士等许多欧洲国家在生物质的热化学转换上取得了很7 i 的进展。同时，发展中国家也已展丌此方面的研究，如孟加拉固建成下吸式( 化装置投入运行，印度正致力于稻壳的气化技术丌发，马来西亚用固定床气化 发电。 与发达国家生物质气化技术相比，我国目自u 在这方面相对落后。中国目日d 生物质能的燃烧利用方式主要有两种：一种是在农村广泛存在的炊事炉灶中 i 效率利用，另一种是很少部分生物质利用层燃燃烧设备燃烧，但效率也不高。 因此，研究丌发生物质资源高效转化利用技术，在生物质的高效燃烧方面丌雕 广泛的研究已成为种共识。其中，哈尔滨工业大学丌展了生物质燃料的流化 床燃烧技术研究，进行了1 2 5 t h 燃甘蔗渣流化床锅炉的研制，与锅炉厂合作生 5 塑鲨查堂堡堂壁堡壅 产的生物质流化床锅炉已投入运行，效果良好瞄1 。八十年代以来，全国多家两 校及科研机构在研制生物质气化技术和装置方面相继取得了一系列重要成果， 如中国农机院丌发的下吸式d n 系列生物质气化炉和家用小型气化炉，广州能 源所研制的上吸式气化炉，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， 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。为了捉 高热值，浙江大学、广州能源所、中科院化冶所、大连科学院等在“八血”期 i i h j 均丌展了利用生物质能( 以稻壳为主) 的循环流化床气化技术研究，并己笼 成实验室阶段研究。然而，我国日6 u 生物质能热化学转换技术的应用远不理想， 曰f j ，j j - 物质热化学转换利用典型的地方是山东省的秸秆气化工程，这主要得j 于山东省政府的正确引导，政策的支持，群众的响应，气化技术应用效果较好 等有利因素，因此，生物质能的热化学转换技术要在我国得到规模化引用，一 方面各相关科研机构要加强生物质能的热化学转换技术的研究，积极引进国外 的先进技术并结合国情加以吸收，另一方面需要领导的支持和相关政策的支持， 同时全社会也应提高这方面的认识。 综上所述，生物质能优质转换技术已经引起了世界范围的注意。而其中的 热化学转化技术以耗资低、转化率高等优势得到了更多的关注。而针对于我田 农村大量的秸秆、稻壳等c n 较高的生物质来说，热化学技术更有其特殊的优 势，因此，我们把注意力集中在热化学转化技术上。广义的热化学转换技术主 要包括：直接燃烧( 包括压块成型燃烧) 、热解、气化和液化“2 “3 1 “】。 其转换过程及产物如图1 3 所示，本文主要是对其中的生物质热解技术进行了 比较深入的研究。 1 3 2 生物质能开发利用的前景 目前，人类利用生物质能的主要障碍，主要在于生物质分布广泛但不集中 生物质的密度小，相对于矿物燃料来讲，含湿量高、热值小，生物质优化转型披 术的不完善及较高的成本。但生物质资源丰富的贮量和r 新月异的科学发展， 仍向人们展示了其诱人的前景。许多国家仍在下大力气推动优化转型技术的进 步和商业化。 据美国科学家h a l l 等人估计，到下世纪中叶，全球可回收生物质产量约为 3 i o e j ，这1 数字相当于目前全球商业用能总量的8 0 t ”i 。美国j o h n s s o n 等人 在最近的。次报告中分析指出：在全球范围内将会贯彻一项措施来鼓励丌发利 用生物质能并采用高效的优化转型技术。通过各地区电力需求，燃料供应和生 物质所能提供能量分析，他们得出一个结论：2 0 5 0 年生物质能源的供能量将是 1 9 8 5 年的两倍，由生物质优化转型而来的甲醇耗量可能会占所有液体燃料总量 的5 0 ；甲烷和氢气可能会分别占气体燃料总量的1 1 和2 0 ，生物质发电量 6 塑望盔堂堡! ! 垡堡奎 一 将占全球总发电量的1 0 9 1 。表1 2 列出y - 些w n 在2 l 世纪中期生物质能的 应用潜力i v l 。 1 9 9 3 年9 月，联合国粮农组织在罗马总部召丌了生物质能源专家咨询会议， 系统分析了全球能源形势，确定了生物质能源发展的策略。我国作为农业大国， 丌发和利用生物质优质转换技术市场潜力很大，并已有一定的科研和应用基础， 可望在今后发展中赶上世界先进水平。这是一项十分有前景的研究课题。 表1 22 1 世纪中期生物质能所能提供的潜在能源( e l 年) 可再生废弃物总生物质 地区人造林 农作物森林粪便总计 ：；菏住能苗 美国a n 拿人 1 7380 4593 4 84 0 7 欧洲 13200 5381 1 41 52 日本o 1o 20 3o 9 1 2 澳人利哑 0 30 20 20 71 7 9 1 86 + 新阳兰 前苏联o 92 o0 43 34 6 5 4 9 8 拉j 美洲2 41 2 o 94 55 1 45 5 9 1 i 洲 0 71 20 72 65 2 95 5 5 中国1 9o 9 0 63 41 6 31 9 7 弧洲其它地区 3 2221 4683 3 44 0 2 人洋洲 1 41 4 总计 1 2 51 3 75 13 1 22 6 6 92 9 8 1 1 4 本文工作背景和内容简介 浙江大学热能工程研究所多年来一直致力于生物质能的开发利用和研究工 作，现已获得了许多成果和经验。在8 6 年就提出了循环热载体方式的煤生物 质热解和气化方案，通过多方研究和论证，证实了其可行性和发展前途。在“八 扛”期间，在浙江省自然科学基会和国家重点攻关项目资会的支持下，丌展了 燃煤循环流化床燃气、蒸汽联产机理研究和中试试验台的搭建与试验工作。；f 开展了生物质流化床气化燃烧机理研究。在生物质气化方面，浙江大学主要研 究流化床操作条件，气化介质的选择，气化介质与生物质原料配料比等方面对 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整套方梨 和见解。“九五”期间，浙江大学承担了国家攻关项目一生物质气化集中供4 ( 系统研究与示范项目。这一项目主要面向农村，针对我固农村燃气缺乏，农i p 废弃物丰富但利用水平低的状况。以制气为目的，以简单实用为技术特色，采 用问壁式加热方式生产中热值燃气。 7 v 浙江大学硕十学位论文 该方案可分为三步：第一步，主要研究生物质在小型热解反应器内的热解 特性及热解产物分柿和产品性质，以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燃气的净化处理方式进行研究； 第三步，在中试试验台的基础上，进行示范装置的设计并建立师范点。方案采 用的原料为农村储量丰富的稻壳、秸秆等，本文主要研究内容为： 第二章对国内外生物质热解技术的发展和工艺进行简单综述。 第三章对，j ! 物质的构成成分进行分析，并对各种成分的热解机理进行深入 的研究，为试验提供理论依据。 第四章以实际应用为目的，介绍热解机理性试验和小型试验台。对中热值 热解制气方案的中试试验台，对于连续运行的条件下，气化炉内传热特性、炉 内温度的分布、产物分布、产品气的品质以及燃气的净化进行了研究，为示范 装置的设计提供设计参数及运行方面的依据。 第五章在以上研究基础上，建立生物质热解连续运行反应器的数学模型， 用于模拟气化炉的加热过程以及预测分批进料期间，不同运行工况下反应器内 的温度场分布、热解产气量及产物的分布。 第六章对全文进行总结。 8 浙江大学硕十学位论文 _ _ _ _ _ 一 。一 参考文献 1 杨立忠，杨钧锡，别义勋新能源技术北京：中国科学技术出版社，1 9 9 4 2 霍雅勤中国能源现状及可持续利用对策中国能源，1 9 9 9 ，2 ：4 2 4 4 3 肖建民论能源过渡和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 4 w o l f g a n gp a l z ，周鑫发，新能源与可再生能源在未来能源系统中的地位，能 源工程，1 9 9 7 ( 1 ) ，p p 3 5 - - 3 8 ，1 9 9 7 5 刘盛勇，张念乍物质气化技术现状及应用资源节约与综合利用1 9 9 9 ，6 ( 2 ) ： 2 4 2 7 6 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 7 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，吉林长春，1 9 9 8 8 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 nt e c h n o l o g i e si r c h i n a ：d e v e l o p m e n ta n d e 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 9 张无敌宋洪川等，生物质能源转换技术与前景，新能源2 0 0 0 ，2 2 ( 1 ) 1 6 2 c 1 0 董良杰，生物质热裂解技术及其反应动力学研究，沈阳农业大学博士学位 论文，1 9 9 7 1 1 陈冠益，生物质热解试验与机理研究，浙江大学博士学位论文，1 9 9 8 1 2 郭新生，生物质热解制气的试验与机理研究，浙江大学硕士学位论文，1 9 9 s 1 3 王树荣，生物质热裂解制油的试验与机理研究，浙江大学博士学位论文，2 0 0 c 1 4 余春江，生物质热解机理和工程应用研究，浙江大学博士学位论文，2 0 0 0 1 5 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 di n d u s t r y ， p r o c e e d i n g s o ft h e8 t he u r o p e a nb i o m a s sc o n f e r e n c e ，19 9 4 9 塑望叁堂堡堂堡堡塞 第二章生物质热化学制气技术开发现状 2 i 概述 生物质热化学制气是一个利用热分解打破生物质有机结构产生可燃混合。t 体的过程。按照热化学反应过程中是否有氧气参与反应可分为生物质气化技术和 生物质热解制气技术。 ，物质气化技术就是牛物质原料在缺氧状态下加热的能量转化过程。气化产 物可以作为燃料气用于生产锅炉、燃气轮机等不同的场合，借助于特定的工艺， 气化产物也可以作为合成原料气用于生产甲醇等液体燃料。通常，气化产生的可 燃混合气体包括氢气、一氧化碳、甲烷以及少量的碳氢化合物等。不同的气化： 艺过程可以得到不同能量密度的可燃气。工艺简单，生产成本低且技术相对成2 n 的鼓空气气化生产的是典型热值为5 m j n m 3 左右的低热值煤气，由于能量密度 低，低热值煤气的输送在经济上不可行，比较适合与就地利用。 生物质热解是指在无氧的条件下使生物质中的有机物质等发生热分解从而 析出挥发性物质( 常温下为液态或气态) ，并形成固态的半焦或焦炭的过程【j 吲。 加热与缺氧是这项技术的基本要求。热解的产品可分为固体( 半焦) 、液体( 生 物油) 、气体( 燃气) 三部分，随着热解工艺类型的不同三者比例有很大差别l = 。 ”。生物质热解技术做为一项很有前途的工艺，受到越来越多的青睐，是因为它 不仅是种生产高能量密度n 2 一，1 5 m j n m 3 ) 能源产品的独立工艺，而且也是生物 质直接燃烧和气化过程的初始反应和伴生反应，生物质热解技术的研究对于生物 质气化和开发高效的直接燃烧技术都具有重要的理论价值和实际意义。 2 2 国外生物质气化技术简介 由于生物质气化工程的原料供应产品需求等情况差别较大，故许多研究机构 针对不同的需求采取了不同的研究路线，积累了宝贵的经验，并在世界各地进 i 了相当数量的气化热解工程的运营。为了对生物质气化热解技术的现状有一个总 的认识，表2 - 1 中给出了目前世界上主要的生物质热解气化工程i ”】。 表2 - 1 生物质热解气化工程概述 it 程红l 织项日名t 程概述圆家原料规模籍j 设公，d 的令j 寸c f b 气化 f o s t e rw h e e r常j t 雕力c f b小j t ，树2 t h 炉以m s w 为j 泉料已n ：瑞蛐 公d ，原奥蛳坨公d 气化发i u t 芬兰 嫂，泥煤 一2 7 t h 投入商业试运行 t h e r m i e 能源农场速生能源林 意人1 9 9 4 年开始计划组织，常k 项h 地l u r g i 公州 利 木 1 19 m w 鼓窄气循玮流化床7 1 化 b i o e t e t t i c as pac f b i g c c 披术 1 0 浙江人学硕十学位论文 表2 - 1 生物质热解气化工程概述( 续) t 程纽织页日名丁程概述国家原料捌模备注 v j r m a m o l g c c 项目胜力循环流化床 瑞典坡木料 6 m w + 9第一座成j j j 运行的生物质 s y d k a f l )i g c c ，窄气气化 m w bi g c c f u j b g f 项i ：1 压力鼓泡流化床 蔗渣、能 蔗渣， 在1 9 9 7 年8 ，丁期间试运行( w e s t i n g h o u d e ，p i c hi g c c ，守气气化 荧固 源林1 0 0 t h t p 4 1 g t u s d o c ) r e n u g a s 毓气气化产品气加仝 b o s y n 项日 术义 已运行 合成叮1 时人 v e r m o n tr 程 b a t t e l l ec o l u m b u s 双汛化 b u r l i n g t o nl 也j j b a t t e l l e1 _ 岂的 炎瞄小 2 0 0 t h 昧t 岂燃t 热值 i g c c i 范 公i , - j 1 6 1 8 m j n m 3 水蒸汽十燥，注蒸 j h j 水分 i m t r a nv o i m a 莽兰 小柴，泥 数窄气j 蕾力气化，滓水燕汽联 汽联合循纠、 合循纠、 煤等 j w pe n e r o y 木头，农 已有3 台小柴流化睐气化凝 p r o d u c t sg 公d 流化床气化英周业废弃 2 5 m w , b 置分别n 。o r e g o n ，c a l i f o m i a 物a n dm i s s o u r l l u r g i循环流化床气化 1 4 m w e u m w e 【- t e c h n i k 发i u 水泥、灰窑德周 r d f 木 5 0 一1 0 0 g m b h 供热 又，树皮 m w m 小d 的供热，发 p d w e r 1 u 、产蒸汽商用气 荚围 术火、造 已柯2 弁墩术科气化器，一竹 s o u r c e s i i n c 化装置纸废液 3 3 0 t d 稻壳气化器投运 p r o d u c e r sr i c e 多区州定炉排气稻壳、秸 “：荚困、澳人利i f | 马米两哑，r 1 0 一1 0 0 0 m i l l se n e r g y 化器，产热、蒸汽荧因 秆，树皮 哥斯达黎加已有1 8 全系统运 t d s y s t e m s 公一d 和i 乜能 锯末 行 流化床气化、产煤 术”棉 s u r l i t ec o r p 荧因 1 2 0 t d 已有4 5 个商业运行转置 气和蒸汽 朴稻壳 t a m p e r l l ap o w e ri n c 卒气流化睐气化莽兰 u g a s 气化t 岂 t p st e r m i s k a 主要的流化床气 小柴，树 p r o c e s s o ra b 化器制造商 瑞典皮，泥 强人刘l t 技术已啦用j 一许苫人型卜 5 0 m w e 化系统 煤，秸秆 w e l l m a np r o c e s s f + 流代埘定床气术义褐 最人直 摊供气化器和净化系统定制 e n g i n e e r i n g化犍置 英因 煤等径3 米 设计的商业摧务 b r i g h t s t a r 外热八水燕汽生 术鼎，树 物质垂整中热值梵周皮，麒渣 中热值化 术，典型热血l s y n f u e l sc o 气化技术 1 2 5 m j n m 4 b i g g ti ：程( s t a t e 生物质整体气化 b a h i a ，b r i z i l ，e l e c t r o l i c 联合循环以验 | 小头，桉 b i g g t 的商业口j 巴两 树能源 采用t p s 投术，颅汁系统效 b r a z ，s h e l l ，i j j _ 牲银行) 林 率口 逃4 7 q 行件 a r b r e 项日( t p s 技8 m w c f bi g c c 热气体净化系统也足求范p ，l 术) 和速生林t 程 英因 8 m w e 容，卒+ t 7e 化 a e w ( a s s o c i a t e d 下吸式低焦油气 术 稻 多种规 采用离心焦油分离器，吐jk e n g e n e e r i n gw o r k s ) 化器，供热、发l u 印度 壳格 的裟冒趟过2 0 0 j 坐 1 1 浙江人学硕+ 学位论文 表2 - 1 生物质热解气化工程概述( 续) t 程组织项日名下程概述国家原料 规模需沣 a n k u rs c l e n t i f i c 下吸式 氐焦油含小义，秸 e n e r g y 量t 化器，供热， 秆，下米 最人到臼8 0 年代以来己绎有4 0 0 挫 5 0 0 k w以f ：的袈置建成 t e c h n o i 。o g i e s 蒸汽、发i ub 壳等 c h i p t e cw o o d层吸j 气化燃烧 荧困 艘小软05 、1 0 m 超过1 0 0 座杖置投运 e n e r g ys y s t e m s 系统，新建或改造木” b t u h r 木头，农订：瑞l ? 和e 度古约2 0 0f i d a s g a g ( d a s a d 层式下吸式气化 瑞| +业生物 0 0 5 2 5 5 k w 裴置还f 加台n 建的 e n e r g ye n g e n e e r i n g )炉i ，j 、j j ! i ! 模 i i u m w l h 质业人心模的驶置 f 吸7 【化炉肢02 5 4 m h t ve n e r g y 瑞l j版小利6 台试运行1 弁商业运行1 内燃机 w e v n ( e n g e n e e r 气化燃烧一体外 德周 小、5 0 、3 5 0 k 5 台投运 v e r s o r g u n gn o r d )规模u c 热，u i bp e l l e t s w e v o u j n dr di ：吸j 秸打，小j | 丹麦 小”，树4 “m w一台“h a b o o r e 地区供热远 c n e t r e ( a n s a l d o )气化。供热供i u歧，秸秆 12 m w e 行 从上面表格中所列的情况可以看出，美国和欧洲的一些国家在该领域内目自j 处于明显的领先地位，特别是在高效大规模生物质能利用方面，通过长期、系统 的研究丌发，