（工程热物理专业论文）商用秸秆气化炉的设计与试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 秸秆气化供热是国家重点推广开发的项目，它利用农作物秸秆为原料进行气化转化成 为可燃气体，从而替代了液化气、煤气等能源，是国家为保护生态环境、充分利用农作物 秸秆资源和实施可持续发展战略所采取的一项重大举措。 本文首先对生物质利用意义、利用方式以及国内外生物质能利用现状和未来的发展趋 势进行了归纳总结，并对生物质气化领域的研究进展进行了详细阐述，通过对生物质原料 燃烧动力学特性分析，得出了影响原料气化的主要条件和因素。本文立足于农村极其丰富 的秸秆资源和农村的实际状况，根据农村大棚实际需求热量，设计出商用上吸式秸秆气化 炉。 生物质气化装置是生物质气化供气技术系统的关键设备。本文从生物质原料热化学特 性和原料燃烧动力学研究出发，选取气化炉类型为固定床上吸式气化炉；根据燃烧学、传 热学、流体力学等原理，进行了秸秆气化炉及净化系统的研究与设计。气化炉炉体内层耐 火材料采用高铝酸盐水泥和骨料混合浇注成型，中层为珍珠岩保温材料，下部为贮灰空间； 净化器采用改进的管壳式换热器。 研究测试了以空气为气化剂时，气化炉的炉膛温度分布、燃气组分、低位热值等主要 性能指标，分析了物料种类、气化强度、炉膛温度等因素对气化效果的影响，同时，给出 了关键技术指标的制定原则：气化强度在1 0 0 k g m 2 h 左右时，能够使得可燃气的低位发热 量取得最佳值；燃料粒径对产物气热值有一定影响，当粒径为3 m m 左右时，可燃气低位 发热量最高。以空气水蒸气为气化剂时，通过空气气化和空气水蒸气气化的对比试验， 发现空气一水蒸气气化使气化炉的容积产氢量提高，产气低位热值提高将近1 倍。在实验条 件范同内，最大燃气热值达到9 6m j m 3 , 最大氢产率达到4 3 2 9 k g 。实验测试结果表明：该 商用秸秆气化炉原料适应性强，运行稳定可靠，各项指标均达到设计要求。 关键词：生物质气化，空气气化，空气一水蒸气，燃烧动力学，气化炉，净化器 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t a l kg a s i f i c a t i o nh e a t i n gi st h ek e yp r o j e c tn a t i o n a lt op r o m o t ea n d d e v e l o p t h et e c h n o l o g y c o n v e r t st h es t a l kt oc o m b u s t i b l eg a st h a tc a nt a k et h ep l a c eo fl i q u e f i e dn a t u r a lg a s ，s u c ha s e n e r g i z e r s ot h i si sam a j o ra c ti no r d e rt op r o j e c tt h ee n v i r o n m e n ta n dm a k ef u l lu s eo fs t a l k f i r s to fa l l ，a ni n t r o d u c t i o no fc u r r e n ts t a t eo fb i o m a s su t i l i z a t i o na n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t t r e n dw a sg i v e n ，t h e nt h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n tr e s e a r c ho fb i o m a s sg a s i f i c a t i o nw e r e i n t r o d u c e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fc o m b u s t i o nk i n e t i c so fb i o m a s s ，f i n dt h em a i nc o n d i t i o n s a n df a c t o r si m p a c t i n gb i o m a s s t h i s p a p e ri sb a s e do nt h ee x t r e m e l yr i c hs t a l kr e s o u r c e sa n dt h e a c t u a ls i t u a t i o ni nc o u n t r y s i d e d e s i g n i n gac o m m e r c i a lu p d r a f ts t a l kg a s i f i e ra c c o r d i n gt ot h e a c t u a lh e a to ft h er u r a ls h e d sn e e d s b i o m a s sg a s i f i e ri sac o r ed e v i c eo fc u r r e n tb i o m a s sg a s i f i c a t i o ng a sf e e dt e c h n o l o g y b a s e d o nr e s e a r c ho fb i o m a s sm a t e r i a l s t h e r m a lc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m b u s t i o nd y n a m i c s ， t h i sp a p e rc h o o s e sf i x e d b e du p d r a f tg a s i f i e rt y p e ，r e s e a r c h sa n dd e s i g n sd i f f e r e n tp a r t so f b i o m a s sg a s i f i e ra n dg a sc l e a n i n gs y s t e ma c c o r d i n gt ot h e o r i e so fg a sc o m b u s t i o na n dh e a t t r a n s f e ra n df l u i dd y n a m i c ss c i e n c e g a s i f i e rr e f r a c t o r yi sc a s t e db vh i g ha l u m i n a t ec e m e n ta n d a g g r e g a t em i x t u r e p e r l i t et h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a lf o rt h em i d d l ea n da s hs t o r a g es p a c ei nt h e b o t t o m t h ei m p r o v e ds h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e ra r eu s e di np u r i f i e r g a s i f i e rf u r n a c et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，g a sc o m p o s i t i o n ，l o w c a l o r i f i ca n do t h e rk e y p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r si st e x t e da n dt h et y p eo fm a t e r i a l ，g a s i f i c a t i o ni n t e n s i t y , t e m p e r a t u r ea n d o t h e rf a c t o r so nt h ee f f e c to fg a s i f i c a t i o ni sa n a l y z e dw h e nt h eg a s i f i c a t i o nm e d i u mi sa i r t h e n t h ed e v e l o p m e n to f p r i n c i p l e so fi n d i c a t o r sf o r t h ek e yt e c h n o l o g yi sg i v e d ，w h e nt h eg a s i f i c a t i o n i n t e n s i t yi sa b o u tl o o k g m 2 h ，t h el o w c a l o r i f i co fg a so b t a i nt h eb e s tv a l u e s t a l kd i a m e t e rh a v e ac e r t a i ni n f l u e n c eo nt h ep r o d u c tg a sc a l o r i f i c ，w h e nd i a m e t e ri s3 m m ，t h ep r o d u c tg a sc a l o r i f i c i sh i g h e s t w h e nt h eg a s i f i c a t i o nm e d i u mi s a i r - s t e a m ，f i n da i r - s t e a mg a s i f i c a t i o nm a k et h e v o l u m eo fh y d r o g e np r o d u c t i o nc a p a c i t yh i g h e ra n dt h em a x i m u mh y d r o g e np r o d u c t i o nr a t e d o u b l et h r o u g hc o m p a r i s o nt e s to na i rg a s i f i c a t i o na n da i r - s t e a mg a s i f i c a t i o n i nt h er a n g eo f e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h em a x i m u mc a l o r i f i co fp r o d u c tg a sr e a c h9 6 m j m 3a n dt h e m a x i m u mh y d r o g e np r o d u c t i o nr a t er e a c h4 3 2 9 k g t h ee x p e r i m e n t a lt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i s c o m m e r c i a ls t a l kg a s i f i e rh a sb e t t e rb i o m a s sa d a p t a b i l i t ya n ds t e a d ya n dr e l i a b l eo p e r a t i o n i t s i n d e xr e a c h e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：b i o m a s sg a s i f i c a t i o n ，a i rg a s i f i c a t i o n ，a i r - s t e a mg a s i f i c a t i o n ，c o m b u s t i o nd y n a m i c s ， s t a l kg a s i f i e r , p u r i f i e r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密1 彳 学位论文作者签名：哲柳 指导教师签名：步龌 沙彳年6 月7 e t 口夕年歹月夕日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 彰斜 日期：沙。7 年 夕 月 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 能源是人类赖以生存和推动社会可持续发展的重要物质基础，经济发展在很 大程度上依赖于能源供应的可靠性。能源和环境与人们的生活息息相关，直接影 响到国民经济的可持续发展和人民生活质量的提高，因而己成为人们最为关心的 热点问题。世界经济的高速发展和人口的不断增加促使对能源的需求不断增加， 从而导致了世界能源中化石燃料的大规模开采和利用。这一方面使得有限的石油 煤炭资源急剧减少，影响可持续发展：另一方面也带来了全球性的大气烟尘、酸 雨、全球变暖、臭氧层破坏等四大公害，危及人类的生存环境。因此，我国要实 现社会经济的可持续发展，能源与环境的协调发展成为其前提条件之一。 1 2 生物质能资源概况及其利用 从可持续发展的观点看，能源是我国经济社会发展的一个长期制约因素。由 于我国人口众多，能源的人均资源占有量是世界人均资源量的一半，仅及美国人 均资源量的1 1 0 1 1 。我国能源目前存在的主要问题在于能源消耗总量大而人均能 耗低、人均资源量不足、农村商品能源短缺、以煤为主的能源结构受到环境污染 的严重压力等方面1 2 1 。2 0 0 3 年中国的初级能源消费结构是煤炭6 7 8 7 、石油 2 3 3 6 、天然气2 5 、其它6 2 7 ，仍以煤炭作为一次能源消费的最主要来源， 而煤炭的消费过程中又必然伴随着温室气体、氮氧化物、硫氧化物等污染物排放 量的增加。1 9 9 8 年世界卫生组织列出的世界上污染最严重的十个城市中中国占 七个，煤炭的大量消费己给中国带来了巨大的环境污染和经济损失。虽然我国是 世界上第六大产油国，占世界油量供应的5 ，但石油消费量在我国能源消费结 构中占据第二位，近年来已从石油出口国变成石油纯进口国，2 0 0 4 年石油进口 量为1 2 亿吨，对外依存度达到4 0 左右，且天然气消费量和太阳能、核电、水 电、生物质能等替代能源消费量在我国所占比重较低【3 1 。所以，从能源安全和环 境保护角度考虑，我国加强替代能源技术的研究将是非常必要的。 江苏大学硕士学位论文 在大量消耗常规能源的情况下，仅仅依靠大幅度提高能源利用率，降低能耗， 节约能源，解决化石能源过度丌发利用对生态环境的影响问题，又不至于影响到 经济的增长其目标是难以达到的。因此，为了兼顾经济增长和环境保护，最好的 选择是开发和利用可再生能源，可再生能源是一种重要的替代能源，主要包括水 能、太阳能、风能、生物质能、地热能等能源。生物质作为唯一既具有矿物燃料 属性，又具有可储存、可再生、可转化、无污染等优点的可再生能源，扩大和优 化其利用已达成世界共识，它在能源系统中占有重要地位，已成为仅次于煤炭、 石油、天然气居于世界能源消费的第四大能源【3 1 。 目前，地球上每年所生长的生物能总量为f 1 4 1 8 ) x l o l l 吨，相当于世界总能 耗的1 0 倍左右【3 一，一些发展中国家的生物质能消耗量己占到国家能源消费结构 4 3 ，预计到本世纪中叶，采用新技术生产的生物质燃料将占全球能源总消费量 将达到4 0 以上我国是世界上可再生能源资源丰富的国家之一，但它在整个商业 用能中所占的比例很小，为了进一步推动我国可再生能源事业的发展，1 9 9 5 年 国务院批准了原国家经贸委、国家计委和国家科委共同提出的“1 9 9 6 2 0 1 0 年新能 源和可再生能源发展纲要”，成为指导中国可再生能源事业发展的纲领性文件 【4 ，5 ，6 1 0 同时，于2 0 0 6 年1 月1 日丌始实施的“国家可再生能源促进法”及其一系列 实施细则，是规范中国可再生能源开发利用行动的重要法规，对推动中国可再生 能源事业可持续发展具有里程碑的重要意义。我国可再生能源的发展正处在一个 新的发展时期，随着科学技术的进步和经济性的改善，可再生能源在2 l 世纪将 得到更大规模的开发和有效利用。生物质能是唯一可再生的碳源和可转化成常规 的固态、液态和气态燃料的可再生能源，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能量，每摩尔的固定碳大约吸收4 7 0 k j 能量。生物 质一般被定义为主要由碳、氢、氧、氮等组成的碳氢化合物，通常指所有来源于 植物、动物和微生物的可再生的有机物质【5 ，7 ，8 1 。 生物质是太阳能最主要的吸收器和储存器，在其生长过程中，以太阳光作动 力，通过光合作用吸收c 0 2 ，将碳以碳水化合物( c h 2 0 ) 形式固定在植物体内，释 放出0 2 ；而当生物质通过燃烧方式作为能源利用时，又将植物体从大气中吸收的 c 0 2 释放出来。考虑到整个循环中生物质独特的能量转换过程，燃烧生物质的 2 江苏大学硕士学位论文 c 0 2 净排放为零，实现了生物质能量转换过程的c 0 2 零排放，从而有效防止了 c 0 2 过度排放对环境造成的危害。另一方面，生物质的硫含量低( s d 郢1 1 5 ) ， 在生物质燃烧利用过程中不会造成酸雨污染【6 ，9 1 0 1 。因此，生物质能源的开发利 用将对改善中国以煤为主的能源结构所造成的环境污染，缓解石油天然气等优质 能源短缺的状况，促进社会经济的可持续发展，无疑具有重要价值，并在我国的 未来能源系统中占有举足轻重的地位。 同时，生物质也是一种可再生资源，可视为取之不尽的永久能源，据统计， 全球每年水、陆生物质产量的热当量为3 1 0 1 2 焦左右，是目前全球总能耗量的 1 0 倒1 1 l ，据有关专家预测，生物质能在未来能源结构中具有举足轻重的地位， 采用新技术生产的各种生物质替代燃料，主要用于生活、供热和发电等方面，生 物质能作为一种可再生能源具有无限的发展潜力。现代人类面临着经济增长和环 境保护的双重压力，因而改变能源的生产方式和消费方式，用现代技术丌发利用 包括生物质能在内的可再生能源，对于建立可持续发展的能源系统，促进社会经 济的发展和生态环境的改善具有重大意义。 目前，生物质能资源通常作为农村生活用能源，在农村家用炉灶中直接燃用。 这方面存在着两个问题：一是可作为能源的生物质能资源未能充分使用：二是能 量利用率低，这使得广大农村地区商品能源紧张的局面长期得不到改善。据统计， 农村家用炉灶中燃烧秸秆、薪柴等的热效率平均只有1 4 ，大量的能量资源未能 有效利用。因此，积极开发研制生物质能的转换和利用装置，是改善农村能源供 需状况，尤其是促进落后地区经济发展的重要途径f 1 1 】。 我国生物质能主要包括农作物秸秆、薪材和林业废弃物、禽畜粪便、生活垃 圾等，其中农作物秸秆是我国最大的生物质能资源。表1 - 1 是1 9 9 8 年我国农作 物秸秆的构成及基本情况【1 2 l 。 3 江苏大学硕士学位论文 表1 - 11 9 9 8 年中国丰要农作物秸秆生成量 作物产量 谷草比 秸秆量 折标系折标煤鼍 种类 ( 万吨)( 吨吨)( 万吨)数( 万吨) 稻谷1 9 8 7 1 30 6 3 21 2 3 7 9 8 20 4 2 95 3 1 0 9 4 3 小麦1 0 9 7 2 61 3 3 61 4 6 5 9 3 9 0 57 3 2 9 6 9 7 玉米 1 3 2 9 5 422 6 5 9 0 80 5 2 91 4 0 6 6 6 9 7 豆类 2 i ) 0 0 61 53 0 0 0 90 5 4 31 6 2 9 4 8 9 薯类 3 6 0 4 20 51 8 0 2 10 4 8 68 7 5 8 2 0 6 油料 2 3 1 3 924 6 2 7 80 5 2 92 4 4 8 1 0 6 棉花4 5 0 131 3 5 0 30 5 4 37 3 3 2 1 2 9 甘蔗8 3 4 3 8 0 18 3 4 3 80 4 4 13 6 7 9 6 1 6 其他1 4 8 5 41 1 4 8 5 40 0 57 4 2 7 合计6 6 7 3 0 8 9 3 2 8 3 6 0 3 生物质作为燃料利用有下列三种方式：一是直接燃烧；二是通过生物化学技 术转化成优质的流态燃料；三是通过热化学技术转化成优质的流态燃料。详见图 【1 3 1 1 1 ： 图1 - 1 生物质能转换方式 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 国内外生物质能资源利用现状 1 3 1 国外生物质能利用现状 生物质的能源化具有强大的环境优势和广阔的应用前景，吸引了众多国家开 展技术研究和开发并制定了相应的开发计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能 源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划。目前，国外的生物质能技术和 装置多已达到商业化应用程度，实现了规模化产业经营。 生物质转化为高品位能源利用在美国已具有相当可观的规模，达到全国一次 能源消耗里的4 。早在1 9 7 9 年，美国就开始采用生物质燃料直接燃烧发电，生 物质能发电的总装机容量已超过1 0 0 0 0 兆瓦，单机容量达1 0 2 5 兆瓦f 1 ”5 1 。美国 纽约的斯塔藤垃圾处理站投资2 0 0 0 万美元，采用湿法处理垃圾同产2 6 万立方米 沼气，回收沼气用于发电，同时生产肥料，其效益可观，预计1 0 年内可以收回 全部投资1 3 4 亿。生物质乙醇燃料一直是美国生物质利用的主攻目标，采用纤维 素材料废弃物的酒精生产技术，已经建立了1 兆瓦的稻壳发电示范工程，年产酒 精2 5 0 0 吨【1 6 ，1 7 1 。近年来，美国能源部还支持了一项利用木材、玉米秸秆等纤维 废弃物生产乙醇的产业化攻关项目。 欧洲国家普遍重视生物质能的开发利用技术，丹麦、荷兰、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大的进展。其中瑞典生物 质能的利用占全国总能耗的1 6 1 ，达到5 5 亿k w h 1 8 l ，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。另一项j 下在实行的生物质热电联产 计划不仅使生物质能转化为高品位电能，而且同时能够满足供热的需求。英国以 垃圾为原料实现沼气发电1 8 兆瓦，今后1 0 年内还将投资1 5 亿英镑，建造更多 的垃圾沼气发电厂。奥地利成功的推行了建立燃烧木材剩余物的区域供电站计 划，生物质能在总能源消耗中的比率从原来的2 3 增加到1 9 9 9 年1 0 的水平。 俄罗斯是利用植物原料生产乙醇最多的国家，水解乙醇产量已经达3 5 万吨1 1 7 1 。 同时，发展中国家也已展开此方面的研究，巴西是乙醇然料开发应用最有特 色的国家，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，目f i i 乙醇燃料已占该国汽车 燃料消费量的5 0 以上。孟加拉国建成的下吸式气化装置己投入运行，印度正致 5 江苏大学硕士学位论文 力于稻壳的气化技术开发，马来西亚则使用固定床气化设备发电。 1 2 2 国内生物质能利用现状 尽管与发达国家生物质气化技术相比，我国生物质能源的利用状况还比较落 后。但是我国政府对生物质资源及其利用极为重视，己经连续在四个国家血年计 划中将生物质能利用技术的研究和应用列为重点科技攻关项目。资助生物质高品 位化转换装置和利用技术的研制和开发，在生物质沼气池、气化、液化和致密成 型方面都取得了多项成果。生物质气化装置己小批地投入市场，用于户用或木材 烘干和供暖。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开 发的研究、示范试验、批量生产和销售服务。 针对农村能源严重短缺情况，我国主要发展了户用沼气池和大中型沼气系统 技术，8 0 年代以来，以沼气利用技术为核心的综合利用技术模式由于其明显的 经济和社会效益而得到快速发展。到1 9 9 8 年底，全国户用沼气池发展到6 8 8 万 户，每年生产能源已达1 1 5 力吨油当量，大中型沼气工程7 4 8 处，城市污水净化 沼气池5 万处。大中型沼气发电装机容量7 7 0 千瓦，年发电量1 3 0 万千瓦时。“四 位一体”模式，“能源环境工程”的沼气综合利用有了长足发展，成为我国生物质 能源利用的一大特色【1 7 1 。 9 0 年代以后，主要发展了生物质压块成型、气化与气化发电、生物质液体燃 料等新技术，新技术的能源产量已达2 5 4 万吨标准煤。 生物质的成型技术得到一定发展，浙江大学、辽宁省能源研究所、西北农业 大学、中国林科院林产化工研究所、陕西武功轻工机械厂、江苏东海县粮食机械 厂等1 0 余家单位研究和开发出生物质成型燃料技术和设备。到目前，我国共有 8 0 0 余台压缩成型机用于处理稻壳或秸秆生产固体燃料，并且在江苏和陕西分别 建设了1 0 0 0 吨年处理量的稻壳成型燃料生产线示范工程【1 5 ，1 7 1 。 农林同体废弃物转化为可燃气的技术也己初见成效，气化系统已经有8 2 0 多 套应用于户用和集中供气，提供炊事用能或木材烘干以及发电等最终用途。村镇 级秸秆气化集中供气系统近3 0 0 处，供气户数3 万余户。中国林科院林产化学工 业研究所，从八十年代开始研究开发了集中供热、供气的上吸式气化炉，并且先 后在黑龙江、福建得到工业化应用，气化炉的最大生产能力达6 3 x 1 0 6 k j h 。最 6 江苏大学硕士学位论文 近在江苏省又研究开发以稻草、麦草为原料，应用内循环流化床气化系统，产生 接近中热值的煤气，供乡镇居民使用的集中供气系统，气体热值约8 0 0 0 k j n m 3 ， 气化热效率达7 0 以上。目前，生物质热化学转换利用典型工程是山东省的秸秆 气化工程和广州能源所开发的生物质气化发电技术。 山东省能源研究所研究开发了下吸式气化炉，主要用于秸秆等农业废弃物的 气化，在农村居民集中居住地区得到较好的推广应用，并已形成产业化规模。到 1 9 9 8 年底，已建成秸秆气化集中供气站1 6 4 处，供气4 5 7 2 力立方米，用户7 7 0 0 产。 广州能源所在“九五”期间进行了兆瓦级生物质气化发电系统研究，与1 9 9 8 年1 0 月建成并投入使用生物质气化发电示范系统，并且推广应用了2 0 余套【1 9 1 8 1 。 另外大连环科院、辽宁能源所、北京农机院、浙江大学等单位也先后开展了 生物质气化技术的研究开发工作。浙江大学在多年致力于生物质气化技术研究的 基础上，对稻秆的气化、干馏特性进行了大量的基础性研究，提出了一种先进的 软质秸秆( 稻麦秆) 中热值气化技术，将燃料燃烧和气化相结合，可产生供民用 1 4 m j n m 3 中热值煤气以及可用于还田或制碳的副产品干馏半焦，使燃料中固体 和气体成分得到合理利用，达到了较高的燃料利用率。该技术于1 9 9 7 年通过农 业部环能司组织的评审，并获得实用新型专利。“九五”期间，浙江大学还承担了 国家攻关项目“生物质气化集中供气系统研究与示范项目”的研究工作，完成了 1 2 0 户村级规模的气化炉的设计建设，目前正在相关试点单位合作进行产业化工 作。 生物质热解液化制取生物油技术由于世界石油危机的爆发更加成为生物质 能源化领域内的重点研究对象。清华大学、山西煤化所、上海理工、昆明理工大 学、哈尔滨工业大学等高校都陆续丌展相关方面的研究。其中以沈阳农业大学动 力工程系的研究最早，沈阳农业大学从国外引进一套旋转锥快速热解试验装置， 研究开发液化油的技术【1 9 1 。浙江大学率先在国内开发出流化床闪速热裂解制油 试验装置阅，在此基础上扩大建设了z o k g l h 处理量的示范试验装置。目前正在 开展热裂解机理以及生物油的改性、优化方面的研究工作，为今后的产业化进展 提供技术支持。 另外，华东理工大学开展了生物质酸水解制取乙醉的试验研究，其研究成果 7 江苏大学硕士学位论文 也是目前生物质能转换技术的一项新进展，并逐步产业化发展。此外，我国还开 展了生物柴油、植物油、能源植物、生物质快速裂解等方面的探索行、创新性研 究研究生物质向高品位能源产业化的技术，提高生物质能的利用价值，是重要 的技术储备，是未来多途径利用生物质的基础，也是今后提高生物质能作用和地 位的关键。其中纤维素废弃物制取乙醇燃料、生物质气化发电和生物质裂解液化 技术由于转化强度高，易于产业化发展成为我国能源发展规划中的重点方向。“十 五”期间，我政府再度将生物质能技术确定为国家后续能源重点发展内容，列入 国家高科技发展计划( 8 6 3 计划) ，其中生物质气化发电技术要建设4 兆瓦规模的 研究示范工程，甜高粱茎秆制取乙醉燃料技术将建设年产6 0 0 吨规模的中试阶 段，生物质热裂解液化技术进入年产3 0 0 吨粗油规模的中试阶段【冽。 1 4 生物质能开发利用的意义 1 4 1 经济意义 预计到2 0 2 0 年，中国的g d p 可能达到5 万亿美元，能源需求2 5 亿吨到3 0 亿吨标煤，其中石油缺口1 6 2 2 亿吨，大约是2 0 0 2 年能源消费总量的2 倍【2 1 l 。 由于国内石油和天然气资源缺乏，到2 0 2 0 年之后，石油供给的对外依存度将超 过6 0 ，天然气供给对外依存度将超过4 0 。现在我国已经超过日本，成为世 界第二大能源消费国，三分之一的原油需要进口，在过去的2 0 0 4 年，国际原油 价格飞速上涨，煤炭价格也有所上涨，这对于我国经济的稳定和发展极为不利。 我国生物质资源非常丰富，中国每年产出的农林废弃物量相当可观，以农作物生 产系统中最常见的副产品秸秆为例，1 9 9 9 年产量约6 4 0 兆吨，折合标准煤约3 1 0 兆吨【2 2 】，长远看来，开发利用可再生能源是解决中国能源和能源环境问题的重 要措施之一。预计今后2 0 3 0 年内，可再生能源将从弱小地位逐步成为能源主角， 并对经济和社会发展做出重大贡献。 1 4 2 生态环境意义 从可持续发展的观点来看，社会的经济发展必须要和生态环境协调一致。近 些年来，由于经济发展的需要，化石能源大量使用，不仅使化石能源的储量日益 8 江苏大学硕士学位论文 减少，而且它也给我们的生存环境带来了极大的负面影响，尤其是二氧化碳的大 量排放，使温室效应r 益严重，冰川消融，厄尔尼诺现象频繁出现。由联合国开 发计划署( 明忆i p ) 全球环境基金( 删组织的环境、可再生能源和节能国际展览 会暨研讨会2 0 0 0 年在北京举行，在研讨会上，国内外的专家、学者以及企业界 代表对可再生能源的发展和利用进行了深入而广泛的讨论。生物质能作为一种低 碳、低硫、低氮燃料，具有二氧化碳零排放的特点【2 3 1 ，它作为一种清洁能源， 有利于缓解日益严重的温室效应。生物油经改性处理后代替动力用油，可减少交 通业、制造业对大气的污染。 1 4 3 社会意义 我国有九亿多人口生活在农村，占农村居民生活用能7 0 的生物质能是在普 通炉灶上直接燃烧，生物质资源利用水平低，严重阻碍了农村经济和社会的发展。 自1 9 9 7 年开始，国家在能源工业中采取了许多重大决策，使农村能源由当地能 源和自然资源为主的状况逐步向商品能源方向转变。生物质热裂解制取生物油技 术作为一种能源的储备技术，有很好的发展前景1 2 4 1 ，因此，无论从解决我国能 源短缺问题，还是从生态和环境保护出发，对生物质能转化和利用的研究都是一 项迫在眉睫的大课题【2 5 1 。生物质液化制取生物油技术作为可再生能源的新领域 更具有市场竞争力，一方面，改进传统的利用方式，提高生物质能的利用率，节 约现有的生物质能资源。另一方面，在已经研究开发出的各种生物质能利用的新 技术中，发展生物质能高品位能源转化技术更具有潜在市场【凋。开发新能源和 可再生能源特别是把它们转化为高品位能源，因地制宜，多种能源互补，以逐步 减少和替代化石能源的作用，是保护生态环境，走经济社会可持续发展之路的重 大措施【2 刀。 1 5 生物质能发展前景 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，生物质优化转型技术 的不完善及较高的成本。但生物质资源丰富的储量和日新月异的科学发展，仍想 人们展示了其诱人的发展前景。许多国家仍在下大力气推动优化转型技术的进步 9 江苏大学硕士学位论文 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 1 0 亿焦，这一数字相当于目前全球商业用能总量的8 0 2 1 。美国j o h n s s o n 等 人在报告中分析指出：在全球范围内将会贯彻一项措施来鼓励开发利用生物质能 并采用高效的优化转型技术。通过个地区电力需求，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 ，生物质发电量将占全球总发电量 的1 0 1 2 9 1 。表1 2 列出了一些国家在2 1 世纪中期生物质能的应用潜力【3 0 】。 表1 22 1 世纪中期生物质能所能提供的潜在能源( 亿焦，年) 可再生废弃物 地区人造林总生物质潜在能量 农作物森林粪便总计 美国n 拿大 1 73 80 45 93 4 84 0 7 欧洲 1 32 00 53 81 1 41 5 2 日本 0 10 20 30 91 2 澳人利哑 0 30 20 20 71 7 91 8 6 前苏联 0 92 ，00 43 34 6 54 9 。8 拉丁美洲 2 41 20 94 55 1 45 5 9 非洲0 71 20 72 65 2 9 5 5 5 中国1 90 90 63 41 6 31 9 7 亚洲其他地区 3 2 2 2 1 4 6 8 3 3 44 0 2 大洋洲1 41 4 总计 1 2 51 3 75 13 1 22 6 6 92 9 8 1 我国作为农业大国，开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。 国政府非常重视生物质能源的产业化发展，已经在法律上明确其在现代能源 中的地位，连续三个国家五年计划都将生物质能技术列为重点科技攻关项目，并 1 0 江苏大学硕士学位论文 列入“中国阳光计划”重点开发项目。根据国家法规对生物质能源的开发利用实施 一系列激励政策，通过法律政策、补贴政策、税收政策以及价格政策、贷款和信 用担保等各方面对生物质能源的应用提供了巨大的优惠支持。 根据2 1 世纪议程优先项目计划，我国将中将兆瓦级生物质气化发电、淀 粉质原料乙醇燃料生成、甜高粱及其茎秆制取乙醇燃料定为生物质能源开发利用 的产业化优先项目发展【3 1 1 。 1 6 生物质气化技术 1 6 1 生物质气化技术发展研究现状 气化技术问世已经有2 0 0 多年的历史，其商业化应用的时间开始于1 8 3 0 年。 后来，利用煤和生物质气化技术的煤气工业逐渐建立和发展，并在1 8 8 1 年第一 次尝试使用煤气作为内燃机的燃料。在二十世纪二十年代，气化技术被用于驱动 拖拉机和汽车，但这种技术后来被石油驱动的发动机所替代。在第二次世界大战 时，由于战争的原因，生物质气化技术再次被提出来，当时在欧洲有一百万辆采 用气化器提供动力的运输工具在运行。在二十世纪七十年代，由于爆发了能源危 机，各国都争相研究和开发生物质气化技术。到九十年代，由于全球气候的异常 变化和京都议定书的签订，世界各国又加紧了对生物质气化及其发电技术的研究 和开发。 目前国外在生物质气化及其发电技术的研究领域具有领先水平的国家有瑞 典、美国、意大利、英国等。主要的研究方向如下： ( 1 ) 生物质气化的基本原理、反应过程建模、模型试验验证 c f r a n c o 等p 2 】分析了蒸汽为气化剂的生物质气化过程中，在不同原料和气化 条件下那些化学反应在气化过程中占主导地位，同时得出气化温度和蒸汽与生物 质比率对气化反应影响最大；d l g i l t r a p 等【3 3 j 建立了下吸式气化器的稳态气化模 型，并用试验结果进行了验证；n b e t t a g l i l 3 4 1 提出了分析燃烧和气化过程的化学 动力学的燃烧气化数学模型，该模型主要用来计算不同运行条件下生物质燃料 气的组分，同时用锯末作为原料的气化试验结果对模型进行了验证，并分析了主 要参数如：气化温度、气化压力和空气与生物质比率对生物质燃料气组分的影响。 1 1 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 生物质气化设备和气化附属系统的研究 z a z a i n a l 3 5 】等对下吸式气化器进行了试验研究，分析了空气与生物质的当 量比对生物质燃料气的组分、热值和产气量的影响；j s c h o e t e r s l 3 6 1 对刨花、可可 壳等为原料的流化床气化器进行了试验研究，分析了空气量、反应床温和原料特 性对生物质燃料气的组分和气化效率的影响；r a g n a rw a m e c k e 3 7 1 从技术、原料 的使用、能量的使用、排放物和经济性五个方面对固定床和流化床气化器的特点 进行了比较，并提出了对气化器进行整体性分析比较的效用分析法o ( 3 ) 生物质气化发电系统性能的研究 j g b r a m m e r 等f 3 8 】论述了原料水分对生物质气化器内燃机热电联供系统性能 和经济性的影响；d m l s h i m u r a 3 9 】对夏威夷的5 和2 0 m w 生物质气化发电站进 行了性能分析，并比较了直接燃烧( 朗肯循环) 、简单的燃机循坏、蒸汽回注循 环和b i g c c 发电系统性能指标：瑞典理工大学严晋跃教授在这方面也进行了大 量的研究工作。 ( 4 ) 对生物质发电技术的经济性评价 a v b r i d g w a t e r 等 4 0 l 对以木材为原料的快速热解、气化和燃烧三种生物质发 电技术进行技术经济性能评价，其涵盖了从原料运送电站到电能输送到电网的各 个环节。 国内在生物质气化及其发电技术领域从事研究工作的主要有中国科学院广 州能源研究所、清华大学、浙江大学热能工程研究所、中国林业科学研究院、华 中科技大学、山东省科学院和其它一些科研院所。中国科学院广州能源研究所主 要对固体生物质气化动力学【4 1 1 、固体生物质循环流化床气化器数学模型【4 2 j 等进 行了研究，并且成功研制出1 m w 生物质气化发电系统【4 3 1 ，使我国生物质气化发 电技术取得了突破性进展；浙江大学热能工程研究所从事固定床移动层下吸式生 物质气化器的研究【4 q ：华中科技大学对生物质流化床气化器气化过程进行实验 研究【4 5 1 ；山东科学院能源所成功研制了玉米芯、麦秸等为原料的x f l 型生物质 气化机组以及集中供气系统，而且已进入商品化阶段。 总之，国外在生物质气化及其发电技术领域的研究比国内要深入，研究范围 也广泛，而且生物质气化发电系统已经开始商业化运行，系统的容量也较大。相 比之下，我国与国外差距就很大。我国e 1 前从事这方面的研究主要集中在生物质 江苏大学硕士学位论文 的气化机理、气化过程建模和试验研究以及小型生物质气化发电系统设计等方 面。 1 6 2 气化原理 1 6 2 1 生物质气化的基本过程 生物质气化是一个将生物质固体燃料转化为生物质燃料气的热化学转化过 程，同时也是生物质在高温下与气化剂发生化学反应的过程，气化得到的气体产 物包含的可燃气体主要是氢气和一氧化碳，副产品有液体、焦油和灰渣。通常， 气化剂包括空气、氧气和水蒸气( 或水蒸气与氧气、空气的混合物) 。在生物质 气化中，使用的氧气含量通常是理论上完全燃烧所需要量的2 0 一4 0 ，也就 是说，气化的化学过程是在缺氧( 还原气氛) 条件下进行的。同时，整个气化系 统是自供热的，从它自身内部的化学反应过程就可以产生完全气化所需的热量。 气化过程主要包括三个阶段，具体如下【蛔： 第一阶段：氧化和其它放热反应 气化过程开始于反应混合物的自供热。这个过程所需的热量是主要来源于部 分生物质燃料燃烧时放出热量。 第二阶段；热解( 也被称为轻度气化、碳化和脱挥发分) 生物质燃料在高温下裂解为可燃气体，同时高分子化合物分解为小分子化合 物和一氧化碳。在这个阶段，同时也生成焦油和炭。因为生物质比煤含有较多的 挥发分( 干基下为7 0 - - 8 0 ) ，所以热解在生物质气化过程中的所起作用比煤气 化过程中大。 第三阶段：气化( 还原) 在这个阶段，碳、二氧化碳和水通过还原反应再转化为一氧化碳、氢气和甲 烷，它们是生物质燃料气的主要可燃成分。对生物质燃料气的热值影响最大的气 化反应发生在气化器的还原区，这些反应都需要在高温下进行，因此这个阶段主 要是吸收热量，相应地生物质燃料气的温度必然要降低。焦油主要是在这个阶段 被气化，同时炭也被大大地“燃烧”了。 江苏大学硕士学位论文 1 6 2 2 气化反应的化学平衡 严格地讲，许多气化反应都是可逆反应。在可逆反应中，当正反应速度与逆 应速度相等时反应就达到平衡。研究气化反应的化学平衡是为了掌握最佳反应的 件和主动改变某些平衡条件来调节气体产物中某些组分的含量，从而得到高品质 生物质燃料气【4 7 , 4 s 1 。 化学平衡只有在一定条件下才能