（化学工程专业论文）以木薯茎秆为原料的生物质气化实验及其热解特性分析.pdf

摘要 摘要 目前能源和环境问题已成为全球关注的焦点。在能源短缺的当今世界，各国 为了自身的战略安全，为了社会的可持续发展，寻找新能源已成为各国的战略选 择。生物质能的开发利用研究已在各国广泛的展开。我国从七十年代开始比较有 组织地开展生物质现代化技术的研究。为了缓解能源短缺的现状，减轻环境的压 力，我们提出了以发展木薯茎秆为原料的生物质能源系统。木薯是南方特有的经 济作物，而木薯茎秆作为农林废弃物，我们用生物质气化技术对其进行处理。 首先，在对生物质能的概念上，对目前全球和中国的生物质能源现状以及生 物质能利用状况进行了综述。对生物质转换技术国内外发展状况进行了综述。然 后介绍木薯茎秆为原料的生物质能源的现状。 接着，通过对以木薯茎秆为原料的生物质气化实验，得到下吸式固定气化炉 内温度场分布，得出温度、空气流量等反应因素对燃气成分组成以及其热值的影 响规律。由实验可以得出，木薯茎秆空气气化后燃气的低位热值可达到4 7 2 2 7 3 k j m 3 ，气化效率达到6 9 6 6 。 最后，对木薯茎秆的生物质气化原理进行了分析，从燃烧特性、热解反应、 氧化还原反应几个过程研究了了木薯茎秆气化过程。着重研究木薯茎秆气化过程 中的热解反应和动力学方程式。 根据对木薯茎秆下吸式固定床气化过程的实验研究及气化原理分析，为以后 大规模发展生物质气化工业提供了实验依据和理论依据。 关键词：生物质；气化；木薯茎秆；下吸式；热解 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l ye n e r g y a n de n v i r o n m e n t sh a v e b e e n g l o b a l f o c u s a st h e s h o r t a g eo fe n e r g yb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s ，m a n yc o u n t i e sh a v et os e e k n e ws o u r c e sf o ri t ss t a t e s a f e t y a n di t sc o n t i n u a n c ed e v e l o p m e n t m a n y c o u n t r i e ss t u d yb i o m a s se n e r g yw i d e l y c h i n ah a dd o n el o t so fr e s e a r c ha n d d e v e l o p e do fb i o m a s se n e r g ys i n c e1 9 7 0 i no r d e rt o a l l e v i a t et h ee n e r g y s h o r t a g ea n dl i g h t e nt h ep r e s s u r eo fe n v i r o n m e n t ，r u r a le c o l o g i c a le n e r g y s o u r c e ss y s t e m ，r e l y i n gm a i n l yo nc a s s a v ai n d u s t r y ，i sp u tf o r w a r d c a s s a v ai s ak i n do f i n d u s t r i a lc r o pp e c u l i a rt ot h es o u t h ，a n dt h es t e mt u b e r s ，t h e d i s c a r d s ，w h i c hw et r e a tw i t hb i o m a s sg a s i f i c a t i o n f i r s to fa l l ，a f t e rab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ec o n c e p to fb i o m a s se n e r g y a n dc u r r e n td e v e l o p i n gs i t u a t i o no fb i o m a s se n e r g y ，at e c h n o l o g yr e v i e wo f c u r r e n tr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n t so fb i o m a s se n e r g ya r eg i v e n m o r e o v e r i n t r o d u c ee n e r g ys y s t e mo fc a s s a v ai n d u s t r y t h e n ，d ol o t so fg a s i f i c a t i o ne x p e r i m e n t s a f t e ra n a l y s i s ，t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nd o w n d r a f tf i x e dg a s i f i e ri sm a d ee x p l i c i t s o m ep r i n c i p l e s a b o u th o wt h et e m p e r a t u r ea n da i r f l o wr a t eo nh e a tv a l u ea n dc o m p o n e n to f g a s a r ea t t a i n e d w ek n o wt h a tt h ec a s s a v a ss t e mt u b e r s t h e r m a lv a l u e r e a c h e st o4 7 2 2 7 3k j m 3a f t e ra i rg a s i f i c a t i o n ；i t sg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c y a c h i e v e s6 9 6 6 f i n a l l ya n a l y z et h eg a s i f i c a t i o nt h e o r yo fc a s s a v as t a l kb a s e do nd i f f e r e n t r e a c t i o n s ，w h i c h i n c l u d eb u r n i n g r e a c t i o n ，p y r o l y s i s r e a c t i o n ，o x i d a t i o n r e a c t i o n ，d e o x i d i z a t i o nr e a c t i o n e m p h a s i z es t u d i e so np y r o l y s i sr e a c t i o na n d d y n a m i c a le q u a t i o n o nt h eb a s i so fl o t so fe x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r ya n a l y s i s ，p r o v i d e p r a c t i c ee x p e r i e n c e sf o rf u t u r eb i gs c a l ep r o d u c t i o n k e y w o r d s ：b i o m a s se n e r g y ；b i o m a s sg a s i f i c a t i o n ；d o w n d r a f t ；c a s s a v a s t a l k ；p y r o l y s i s i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 、 二彳) 、 作者签名： 心j 文日期：j 年3 月讶日 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。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部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 描等复锘4 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 丞芦 陴砺 日期：埘年；月苜e 1 日期：锵弓月媚 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今社会面临着环境与发展的双重压力，能源是人类社会进步最为重要的物 质基础。纵观人类几千年的文明史，能源结构的重大变革导致了人类社会的巨大 进步，国民生产总值的增长始终与能源消费同步增长。石油将在2 1 世纪枯竭， 新的能源结构将在新的世纪中形成。可以想象，未来的能源结构将与过去不同， 多种能源并存的能源体系将成为新世纪能源结构的特征，生物质能源极有可能成 为2 1 世纪的主要能源之一。 生物质能是人类用火以来，最早直接应用的能源。随着人类文明的发展，生 物质能的应用研究开发几经波折，最终人们深刻认识到，石油、煤、天然气等化 石能源的有限性，同时无节制地使用化石能源，大量增加c 0 2 、粉尘、s 0 2 等废 弃物的排放，污染了环境，给人类赖以生存的星球，造成十分严重的后果。而使 用大自然馈赠的生物质能源，几乎不产生污染，资源可再生而不会枯竭，同时起 着保护和改善生态环境的重要作用，是理想的可再生能源之一。生物质能的应用 技术开发，旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及农林剩余物如秸秆、麦草等原 料通过物理或化学化工的加工方法，使之成为高品位的能源，提高使用热效率， 减少化石能源使用量，保护环境，走可持续发展的道路。 1 2 生物质能源及其特点 1 2 1 生物质能源 生物质包括植物、动物及其排泄物、垃圾及有机废水等几大类。从广义上 讲，生物质是植物通过光合作用生成的有机物，它的能量最初来源于太阳能，所 以生物质能可以说是太阳能的一种，它的生成过程如下：【1 1 c 0 2 + h 2 0 + 太阳能些型骂( c h 2 0 ) 。+ h 2 0( 1 1 ) 生物质是太阳能最主要吸收器和储存器。太阳能照射到地球后，一部分转化 为热能，一部分被植物吸收，转化为生物质能。转化为热能的太阳能能量密度很 低，不容易收集，只有少量被人类所利用，其他大部分存于大气和地球中的其他 物质中：生物质通过光合作用，能够将太阳能富集起来，储存在有机物中，这些 能量是人类发展所需能源的源泉和基础。所以，生物质能既不同于常规的矿物能 华南理工人学硕士学德论文 源，又有别于其他的新能源，兼有两者的特点和优势，是人类最主要的可再生能 源之一。 1 2 2 生物质能源的特点 1 2 2 1 生物质蕴藏丰富 生物质所蕴藏能量是相当惊人的，根据生物学家估算，地球上每年生长的生 物质能总量约1 4 0 0 1 8 0 0 亿吨( 干重) ，相当于目前世界总能耗的1 0 倍。美国可 再生能源实验室对生物质能描绘： “我们星球上丰富的植物是太阳能和化学能的 天然仓库，不管是人为栽培还是野生繁殖，这都是数量巨大的可再生资源。” 我国的生物质能也极为丰富，例如现在每年的秸秆量约为6 。5 亿吨，到 2 叭0 年将达到7 2 6 亿吨，相当于5 亿吨标煤。柴薪和林业废弃物数量也很大， 林业废气物( 不包括炭薪林) ，每年约达3 7 0 0 m 3 ，相当于2 0 0 0 万吨标煤。人畜 粪便也是生物质资源，保守的估计有4 4 3 亿吨，城市生活垃圾、污水中的有机 物总量有多少，就难以估算了。有学者分析，我国生物质能资源潜力折合7 亿吨 标煤，相当于现在每年煤炭实际使用量的3 倍。 1 2 2 2 生物质能源是可再生的清洁能源 生物质能是植物通过光合作用合成的，植物的光合作用是燃烧反应的逆过 程。而燃烧反应是人类获取和使用能源的主要方式，如果这两个过程能相互匹 配，形成完整循环，生物质能源可取之不尽，用之不竭。 生物能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，一种以生物质 为载体的能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，在各种可再生能源中， 生物质是独特的，它是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的炭源，可转化成常 规的固态、液态和气态燃料。 生物质具有挥发分高、炭活性高、硫、氮含量底、灰分低的优点。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。即： c 0 2 + h 2 0 + 太阳能避( c h 2 0 ) n + h 2 0 ( c h 2 0 ) n 墨塑c 0 2 + 热能 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 ) 生物质能源对温室气体的减排作用。矿物燃料是把原为固定的碳通过 燃烧使其流动化，并以c 0 2 的形式累积于大气环境，造成温室效应。生物质中 的碳来自空气中流动的c 0 2 ，如果这两个速度有合适的匹配，c 0 2 甚至可以达 2 第一章绪论 到平衡，整个生物质能源循环就能实现c 0 2 的零排放。以前，人们把减少烟 尘、s 0 2 、n o x 等的排放作为重点，而很少考虑c 0 2 的温室效应对环境的影 响。1 9 9 2 年的里约热卢召开了“地球首脑”会议，开始致力于减缓气候变化和 削减c 0 2 的排放。2 1 世纪的经济在高速发展，对能源的需求和交通运输的不断 增长，c 0 2 等废气的排放日益严重，目前在没有切实可行的方法前，减少化石 能源的使用是唯一的解决办法。发达国家主要关心的是生物质能对减少c o z 排 放上的作用，加上发展生物质能源有利于改善生态环境，不会遗留有害物质或改 变自然界的生态平衡，对今后人类的长远发展和生存环境有重要意义。所以国际 上先进国家大都把生物质能利用技术作为一种重要的能源技术来发展，有的国家 如瑞典等欧洲国家把生物质能作为替代核能的首要选择，对生物质能利用技术的 研究和开发越来越重视。 ( 2 ) 生物质能源对生态环境的保护作用。以生物质能源代替部分化石能 源，一方面减少了化石燃料的供应量；另一方面可咀减少了c 0 2 、s 0 2 、n o x 等污染物排放，改善环境质量。例如，每利用1 0 4t 秸秆替代煤炭，将减少c 0 2 排放量1 4 x 1 0 4t ，s 0 24 0 t ，烟尘1 0 0 t 。所以对生物质的利用可保护农村生态环 境，将废弃的生物质资源转换为高品位的电能和可燃气，不仅可以提高农业产 出，增加农民收入，减轻农民劳动强度，又可减少污染，促进生态的良性循环。 1 3 生物质能源利用技术 生物质能的载体一生物质是以实物的形式存在的，相对风能、水能、太阳能 和潮汐能等，生物质能是唯一可存储和运输的可再生能源。生物质的组织结构与 常规的化石燃料相似，它的利用方式与化石燃料类似。常规能源的利用无需做大 的改动，就可以应用于生物质能。但生物质能的种类繁多，分别具有不同特点和 属性，利用技术远比化石燃料复杂与多样，除了鬻规能源的利用技术外，还有其 独特的利用技术。 生物质能转化技术途径主要包括燃烧、热化学法、生物化学法和物理化学法 等( 见图1 1 ) ，可转化为二次能源，分别为热量或电力、固体燃料、液体燃料( 生 物柴油、生物原油、甲醇、乙醇和植物油) 和气体燃料( 氢气、生物质燃气和沼 气) 。下文将就目前国内外常见的生物质燃烧技术、热裂解液化技术、气化技术 作一些介绍。t 2 1 1 3 1 生物质直接燃烧技术 直接燃烧是把生物质转换成能量所通用的基本过程。燃烧过程所产生的热和 蒸汽可用于发电。或向需要的地方供热，如各种规模的工业过程、空间加热、煮饭 以及家庭供暖等。由于大部分生物质含水量较高且组成复杂，燃烧过程不稳定，因 华南理工大学硕士学位论文 此，使用生物质的锅炉在成本上很难达到可与常规锅炉相比的效率。提高燃烧效 率的途径有： ( 1 ) 降低含水量，使生物质内的水含量保持在适量水平，这样既可以减弱水 蒸发对燃料温度上升的不利影响，又可以利用水在高温下分解产生的氢气来提高 燃烧效果： ( 2 ) 改变尺寸，尽量减小燃料颗粒的大小，提高燃烧的速率、稳定性、充分 性： ( 3 ) 燃烧室内保持在一定温度之上。为达到此条件，可用烟道烟气预热空气， 这样可同时充分利用烟气余热； ( 4 ) 提高空气输入速率，保持一定的空气余量； ( 5 ) 联合燃烧，既不需要对现有设备做大的改动，又可以为生物质和矿物燃 料的优化混合提供机会。比较实用的方式有生物质在组装于燃煤锅炉炉膛中的炉 排上燃烧和生物质在气化炉中气化，燃气作为锅炉燃料等。 对城市来说，生物质的直接燃烧的环保效应更大于对其热能的利用。一个人 口百万级的城市日产垃圾上千盹计，处理这些垃圾的方式主要有填埋、生物降解 和焚烧。生物降解的应用范围受限，填埋会带来占用城市用地、污染地下水、潜 在的爆炸的危险等一系列问题，焚烧不但处理了垃圾。还回收了部分能量，具有较好 的发展前景。 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己经达到5 5 k 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己具有相当规模。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 l h ，供热锅炉出力为1 0 6 x l o7 1 3 0 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 直接燃烧方式，转换效率很低。因此，研究开发生物质高效燃烧和转化技术己成 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生物质燃料的流化 庆燃烧技术研究，研制成功1 2 5 t t h 燃甘蔗渣流化床锅炉。浙江大学热能工程研 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， 并先后与无锡锅炉厂、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开发燃用秸秆的 4 第一章绪论 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。 l l 热量或电力 i l 热化学法 l iii l 气化 l 热解 l 直接液化 i 生物质燃气 il 木碳或生物原油il 液化油 i l 生化法 i l l l l 水解，发酵 ll 沼气技术 l l 乙醇 il 沼气 i l 化学法 l l l l l 间接液化 il 酯化 l i 甲醇麟 ii 生物柴油 l l 物理化学法 l l 压缩成型 成型燃料 图1 1 生物转化技术分类 f i g u r e1 - 1c l a s s i f i c a t i o no fb i o m a s sc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y 1 3 2 生物质热裂解液化技术 生物质热裂解是生物质在完全缺氧或有限氧供给的条件下热裂解为液体生物 油、可燃气体和固体生物质碳三个组成部分的过程。控制热裂解的条件( 主要是 反应温度，升温速率等) 可以褥到不同的裂解产品。生物质热裂解液化反应产生 华南理工大学硕士学位论文 的生物油可通过进一步的分离，制成燃料油和化工原料；气体视其热值的高低， 可单独或与其他高热值气体混合作为工业或民用燃气。生物质碳可用作活性剂。 根据工艺条件，可分为慢速、快速和反应性热裂解三种类型。快速裂解液化反应 对设备及反应条件的要求比较苛刻，但其最大的优点在于产品油的易储存和易运 输，不存在产品的就地消费问题，因而得到了国内外的广泛关注。在过去二十年 左右的时问里，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。 将木材等生物资源直接加工成石油的研究最近也取得了重要进展。美国俄勒 冈州建成了以木材为原料加工原油的装置，每吨木材可产出3 0 0 k g 木质石油。 英国建成一套采用液化技术的装置，每吨木材可产生2 4 0 k g 木质石油、1 6 0 k g 沥青和i 5 9 k g 气态物质。木质石油的成分与中东地区生产的原油相近。p 1 中国在这方面的研究尚处于起步阶段。近年来，沈阳农业大学、中国科学院 广州能源研究所、清华大学热能工程系、浙江大学热能工程研究所、河南农业大 学机电工程学院等单位在生物质热裂解方面开展了研究工作。尤其是沈阳农业大 学从1 9 9 3 年起与荷兰合作，并于1 9 9 5 年从荷兰吞特大学生物质能技术集团引 进一套生物质喂入率为5 0 k g h 的旋转锥反应器生物质闪速热裂解液化中试设 备，开展一系列研究。由此看来中国越来越重视生物质热裂解液化技术的研究a 1 3 3 生物质气化技术 生物质气化技术已有一百多年的历史。最初的气化反应器产生于1 8 8 3 年， 它以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机，推动早期的汽车或农业排灌机械。 在2 0 世纪2 0 年代大规模开发使用石油以前，气化器与内燃机的结合一直是人 们获取动力的有效方法。生物质气化技术的鼎盛时期出现在二次世界大战期间， 当时几乎所有的燃油都被用于战争，民用燃料匮乏，因此德国大力发展了用于民 用汽车的车载气化器，并形成了与汽车发动机配套的完整技术。以i m b e r t 型及 其改进型为代表的车载气化器装备了超过一百万部汽车，主要的燃料是木炭，当 木炭缺乏时也可使用优质的硬木。我国在能源困难的2 0 世纪5 0 年代，也曾使 用这种方法驱动汽车和农村排灌设备。当时固定床气化反应器的技术水平达到相 当完善的程度。 生物质气化是在一定的热力学条件下，将组成生物质的碳氢化台物转化为含 一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。为了提供反应的热力学条件，气化过程需要 供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧。气化过程和常见的燃烧过程的区别是燃 烧过程中供给充足的氧气，使原料充分燃烧，目的是直接获取热量，燃烧后的产 物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧的烟气；气化过程只供给热化学反应所需的 6 第一章绪论 那部分氧气，而尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物是 含氯、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体。气化是一种热化学反应技术，它通过 气化装置的热化学反应，可将低品位的固体生物质转换成高品位的可燃气。由于 气体燃料高效、清洁、方便。因此生物质气化技术的研究和开发得到了国内外广 泛重视，并取得了可喜的进展。 总体看来，欧美国家的生物质气化技术比较先进，其气化装置一般规模较 大，自动化程度高，工艺较复杂，以发电和供热为主；气化效率可达6 0 9 0 ，燃气热值( 标准状态) 可达1 7 - 2 4 m j m 3 。据统计，至1 9 9 3 年，全世界 已建成生物质气化热厂和电厂共3 4 3 座。目前在发展中国家生物质气化技术的 应用的规模很小。 1 3 3 1 国外生物质气化技术发展现状 早在7 0 年代，一些发达国家，如美国、日本、加拿大、欧共体诸国，就开 始了以生物质热裂解气化技术研究与开发，到8 0 年代，美国就有1 9 家公司和 研究机构从事生物质热裂解气化技术的研究与开发；加拿大1 2 个大学的实验室 在开展生物质热裂解气化技术的研究；此外，菲律宾、马来西亚、印度、印尼等 发展明家也先生开展了这方面的研究。芬兰坦佩雷电力公司开始在瑞典建立一座 废木材气化发电厂，装机容量为6 0 m w ，产热6 5 m w ，1 9 9 6 年运行：瑞典能源中 心取得世界银行贷款，计划在巴西建一座装机容量为2 0 - 3 0 m w 的发电厂，利 用生物质气化、联合循环发电等先进技术处理当地丰富的蔗渣资源。【2 1 1 3 3 2 国内生物质气化技术发展现状 早在七十年代，我国就已经开展了生物质气化技术的应用研究( 表1 3 ) 。如 江苏省粮食局在七十年代初就为马里共和国的两个米厂设计建造了两台稻壳煤气 发电设备。经过技术改进，现在太州市米厂的稻壳煤气发电装置功率达 1 4 0 k w ，年发电量4 0 万度，维修期由周延长到一个月，基本保证了加工设备 用电。 八十年代以来，国内诸多高校和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突破。1 9 9 1 年，在国家科委的支持下，由我国生物质能 技术开发中心组织国内六家大专院校和科研机构开展了生物质气化新技术的研究 和开发，列入了国家”八五”重点科技攻关计划。 在国家”九五”重点科技攻关计划中，生物质气化技术的研究与开发也占有相 当大的比重。经过十多年的艰苦工作，我国的生物质气化技术已在生物质能高效 利用方面取得了长足进展。中国农业机械化科学研究院于”六五”期间开发了 n d 一4 0 0 型、n d 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 7 华南理工人学硕士学位论文 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。 上述气化炉的应用己形成一定规模，其中直径6 0 0 m m 的下吸式气化炉用于 木材烘干及稻壳气化发电等均已推广1 0 0 台以上，且两者均已向国外出口；利 用秸秆转换成低热值燃气为农村1 0 0 户左右家庭提供生活用气也已投入使用； 循环流化床生物质气化装置已经在湛江模压木品厂连续运行六年以上，利用该厂 加工过程的废弃物( 细木粉，每日6 t ) 转换成气体燃料，用作锅炉的燃料，每 日节煤1 0 t ，取得明显的社会经济效益。该炉型已在三亚及武夷山木材厂推广。 循环流化床生物质气化装置使气化炉的生产强度突破了2 0 0 0 k g ( m 3 h ) ，比固定 床气化炉提高了l o 倍左右，气体热值提高了4 0 ，并使气化炉的操作实现了长 期连续运行。它的成功，为生物质气化的大规模应用奠定了基础。 但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。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。 当前，国内比较成熟的生物质气化应用工程和技术主要有以下一些。 ( 1 ) 辽宁省能源研究所f g a s 系列生物质气化集中供气系统 该系统技术来源于中国一意大利国际科技合作成果和国家”八五”、”九五”科 技攻关项目成果。工艺流程如图1 2 所示。气化炉为下吸式固定床气化炉，其特 点是采用高温喉管区，均匀配风系统，既设喉管区，也设有炉栅。采用填料式旋 风分离器，即在切流式旋风分离器基础上加以改进，设置填料层，使气化在旋风 分离的同时，也经过填料层的过滤，增强了除尘效率。喷淋净化器采用雾化法捕 第一章绪论 集杂质，根据不同场合采用顺流式或逆流式。为了冷却喷淋水，喷淋净化器使用 了换热器式设计。在喷淋清洗的同时，洁净的冷却水在外部循环，并冷却喷淋水 和气化气。过滤器采用颗粒层过滤技术，为单层水平式。滤料采用不同粒度等级 的锯屑和刨屑，可定期取出放入气化炉气化，更换新滤料。【4 1 1 切瓣帆2 气化炉3 旋风分离羹4 峨游净化器5 j 曩滤器 一 6 萝茨风机7 搪气罐8 嶷搠灶舆 9 发电机组，o 燃气锅炉 图1 2f g a s 系列生物质气化工艺流程 f i g 1 - 2t h eb i o m a s sg a s i f i c a t i o np r o c e s sf l o wo ff g a s ( 2 ) 山东省能源研究所x f l 系列固定床气化集中供气系统 山东能源研究所为了便于安装使用和运输，将气化反应器与冷却装置及净化 系统统装在一起，组成了x f l 型气化机组，在村镇集中供气方面有了小范围的 应用。基本参数如表所示。c 5 表1 - 1x f l 生物制气化机组参数 t a b l e1 一lm a c h i n e p a r a m e t e ro fx f l 表1 2x f l 型气化组燃气主要成分及低位热值 t a b l e1 - 2m a i nc o m p o n e n ta n dg a st h e r m a lo fx f l 9 华南理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 中国农机院n d 型生物质气化供热装置 自八十年代初期中国农机研究院就开始了n d 型气化炉的研制，现已开发出 n d 一4 0 0 、n d 6 0 0 、n d 一9 0 0 型生物质气化炉。用气化产出的燃气烘干农林 产品，对燃气的纯度和组分没有特殊要求，且无需净化和长距离运输，设备简 单，投资少，回收期短。较直接燃烧生物质供热热量损失小，热效率高，对于小 型企业及个体户有实用价值。【6 1 n d 一9 0 0 型气化炉主要技术经济指标如下： 输出热功率：2 3 0 3 8 0 k w 可燃气低热值：4 0 0 0 5 5 0 0 k j m 3 气化效率；6 5 7 5 ( 4 ) 中国科学院广州能源所研制的循环流化床气化装置 中国科学院广州能源所开发的第一台木粉循环流化床气化炉于1 9 9 1 年投入 使用。它利用了特殊的阀门加料结构，可以在较高的炉内压力下稳定运行。当以 空气为气化介质时，低热值气化燃料送至锅炉，作为锅炉的燃料，当以氧气为气 化介质时，生成中热值气体( 1 2 m j m 3 左右) 用作生活炊事用燃料。川 表l 一3 中国生物质气化技术应用现状1 5 t a b l e1 - 3 a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fc h i n ab i o m a s sg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y 1 0 第一章绪论 1 33 3 生物质气化炉及工作原理 气化炉是生物质气化的核心设备，固定床气化炉和流化床气化炉是目前实用 的两种生物质气化炉，后者适用于大型气化系统。 固定床气化炉中气化反应在一个相对静止的床层中进行，依次完成干燥、热 解、氧化和还原过程，将生物质原料转变成可燃气体。它的特征是有一个容纳原 料的炉膛和一个承托反应料层的炉排。根据气流方向的不同，固定床气化炉又分 为上吸式气化炉、下吸式气化炉。 固定床气化炉中气化反应在一个相对静止的床层中进行，依次完成干燥、热 解、氧化和还原过程，将生物质原料转变成可燃气体。它的特征是有一个容纳原 料的炉膛和一个承托反应料层的炉排。根据气流方向的不同，固定床气化炉又分 为上吸式气化炉、下吸式气化炉。 7 1 上吸式固定气化 原料从上部加入，然后依靠重力向下移动；空气从下部进入，向上经过各反 应层，燃气从上部排出。在上吸式气化器中，原料移动方向与气流方向相反，所 以也叫逆流式气化器。刚进入气化器原料遇到下方上升的热气流，首先脱除水分， 当温度提高到2 5 0 以上时，发生热解反应，析出挥发分，留下的木炭再与空气 发生氧化和还原反应。空气进入气化器后首先与木炭发生氧化反应，温度迅速升 高到1 0 0 0 以上，然后通过还原层转变成含一氧化碳和氢等可燃气体后，进入热 解层，与热解层析出的挥发分混合成为粗燃气，也就是气化器的产品。【8 】 图1 - 3 上吸式气化炉的工作原理 f i g 1 - 3w o r k i n gp r i n c i p l eo fu p d r a f tg a s i f i e r 上吸式气化器工作在微正压下，由风机向气化器内送入空气，气化器负荷量 也由进风量控制。气化器的进料点正好是燃气出口的位置，为了防止燃气的泄漏， 华南理工大学硕士学位论文 必须采取专门的加料措施。通常采用间歇加料的方式，将炉膛上部做得较大，能 储存一段时间的用料( 比如1 小时的料量) ，运行时将上部密闭，炉内原料用完后 停炉加料。如连续运行则必须采用较复杂的进料装置。因此上吸式气化器一般适 用于木材等堆积密度较大的生物质原料，对原料的尺寸和水分的要求并不苛刻。 上吸式气化器的优点是：( 1 ) 气化效率较高，一方面因为热解层和干燥层利 用了还原反应后气体的余热，出口燃气的温度降低到在3 0 0 以下；另一方面气 化器最f 层是氧化层，这里有充足的空气供燃烧所用，底部的木炭可以得到充分 燃烧。( 2 ) 燃气发热值较高，因为较高发热值的热解产物直接混入了可燃气体。 ( 3 ) 炉排受到进风的冷却，工作比较可靠。 上吸式气化器也有一个突出的缺点，就是热解产生的焦油直接混入了可燃气 体，因此燃气中焦油含量很高。用木材时上吸式气化器发生的燃气中焦油含量达 2 0 9 m 3 以上。这对于燃气的使用是一个很大的问题，因为冷凝后的焦油会沉积在 管道、阀门、仪表、燃气灶上，破坏系统的正常运行。自有生物质气化技术以来， 清除焦油的问题始终是一个技术难点。上吸式气化器一般用在粗燃气不需冷却和 净化就可以直接使用的场合，例如直接作为锅炉或加热炉的燃料气，在必须使用 清洁燃气的场合，只能用木炭作为原料。 2 下吸式固定气化炉 在下吸式气化器中，生物质原料由上部加入，依靠重力逐渐由顶部移动到底 部，灰渣由底部排除；空气在气化器中部的氧化区加入，燃气由反应层下部吸出。 下吸式气化器中原料移动与气流的方向相同，所以也叫顺流式气化器。在气化器 的最上层，原料首先被干燥。当温度达到2 5 0 以后开始热解反应，大量挥发物 质析出。6 0 0 c 时大致完成了热解反应，此时空气的加入引起了剧烈的燃烧，燃烧 反应以炭层为基体，挥发分在参与燃烧的过程中进一步降解。燃烧产物与下方的 炭层进行还原，转变为可燃气体。 下吸式气化器设计的关键在于保证燃烧的条件和燃烧层、气化层的稳定。对 于木炭、木材等优质原料，其设计并不困难。但对秸秆和草类等物理性质较差的 低品质原料，如不能保持床层稳定，就不能组织正常的气化。例如，在挥发分大 量析出后。秸秆的体积迅速缩小，及时填充空间才能阻断空气的穿透，继续正常 的燃烧和还原反应，而秸秆依靠重力向下流动的能力很差，连续的加料机构、台 理的炉室形状和必要的拨火方式都是不可缺少的。秸秆的容重极低使得反应层的 热容量很小，而燃烧层仅是一个1 0 0 m m 量级的薄层，燃烧层的温度场不容易稳定， 截面上部分区域出现燃烧不良，会使接个气化失败。设计强化燃烧的反应器结构 和辅助的蓄热措施有助于建立稳定的燃烧条件，并使焦油得到进一步裂解，产生 焦油等杂质含量较少的高品质洁净燃气。【9 1 第一章绪论 空气 袭 a 拣水分 生鞠囊 秽 望弛+ 嘶一2 印 “e + t h 0 3 2 c + n o ，- - 黼c + 2 一 一 1 j ”0 弛o 幻0 ， 温度i 1l 图1 4 下吸式气化炉的工作原理 f i g 1 - 4w o r k i n gp r i n c i p l eo fd o w n d r a f tg a s i f i e r 流化床气化炉具有一定粒度的固体燃料，当通过燃料颗粒之间的气流速度相 当低时，燃料层保持静止状态，此时进行的气化为固定床气化。当气流速度继续 增加，至某一值时，微细颗粒之间会产生分离现象，少量颗粒在很小的范围内振 动或游动，燃料层由静止向流动转化。气流速度进一步提高，全部微细颗粒被吹 起但悬浮于气流之中而不被吹出。此时即为“流化床”状态，这时的气流速度称 之为“临界流化速度”( u 。f ) 。【1 0 生物质流化床气化炉一般有一个热砂床，即在流化床气化炉中放入砂予作为 流化介质，首先将砂床加热，之后，进入流化床气化炉的物料便能在热砂床上进 行气化反应，并通过反应热保持流化床的温度。在流化床气化炉中物料颗粒、砂 子、气化剂( 空气) 充分接触，受热均匀，在炉内呈“沸腾”状态，气化反应速 度快，产气率高，它的气化反应是在恒温床上迸行的。 流化床气化炉又分为鼓泡床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床气化炉和 携带床气化炉。 3 鼓泡床气化妒 鼓泡床气化炉是最基本，也是最简单的流化床气化炉。其结构如图1 - 5 所示。 鼓泡床气化炉只有一个流化床反应器，气化剂从底部气体分布板吹入，在流化床 上同生物质原料进入气化反应，生成的气化气直接由气化炉出口送入净化系统中， 反应温度一般控制在8 0 04 c 左右。鼓泡床流化速度较慢，比较合适于颗粒较大的 生物质原料，而且一般必须增加热截体。总的来说鼓泡床气化由于存在羞飞灰和 夹带炭颗严重，运行费用较大等问题，它不适合于小型气化系统，只适合于大中 型气化系统，所以研究小型的流化床气化技术在生物质能利用中很难有实际意义。 华南理工大学硕士学位论文 图1 5 单流化床气化炉原理图 图1 - 6 循环流化床气化炉原理图 f i g1 - 5p r i n c i p l eo fs i n g l e f l u i db e dg a s i f i e r 4 循环流化床气化炉 图1 6 所示，为循环流化床气化炉。与鼓泡床气化炉的主要区别是在气化气 出口处，设有旋风分离器或袋式分离器，循环流化床流化速度较高，使产出中含 有大量固体颗粒。在经过了旋风分离器或滤袋分离器后，通过料脚，使这些固体 颗粒返回流化床，继续进行气化反应，这样提高了碳的转化率。循环流化床气化 炉的反应温度一般控制在7 0 0 9 0 0 。它适用于较小的生物质颗料。在大部情况 下它可以不必加流化床热载体，所以它运行最简单，但它的炭回流难以控制，在 炭回流较少的情况下容易变成低速率的携带床。 图l 一7 是意大利e n s g ne n g i n e e r i n g 研究的上流式循环流化床反应器的工艺流 程。典型操作条件为温度6 0 0 ，加工能力1 0 0 k g t h ，以杨木为原料时生物油产率 可达6 5 。优点在于结构紧凑、传热速率高、气相停留时间短、有效抑制二次裂 化，但载气需要量大。 5 双流化床气化炉 双流化床气化炉，见图1 8 ，分为两个组成部分，即第1 级反应器和第2 级 反应器。在第一级反应器中，生物质原料发生裂解反应，生成气体排出后，送入 净化系统。同时生成的炭颗粒经料脚送入第二级反应器。在第1 i 级反应器中炭进 行氧化燃烧反应，使床层温度升高，经过加温的高温床层材料，通过料脚返回第1 级 反应器，从而保证第1 级反应器的热源，双流化床气化炉碳转化率也较高。双床系 统是鼓泡床和循环流化床的结合，它把燃烧和气化过程分开，燃烧床采用鼓 4 口一 气 离一 # 毡 同 j l i 1 ， 一一渺当 f上一|i蓼 e砒叫 盯 h h c 虹 甜 驵 e d 以 一 0 h 加 阡 n 6 们 卜 n gn 第一章绪论 泡床，气化床采用循环流化床，两床之间靠热载体进行传热，所以控制好热截体 的循环速度和加热温度是双床系统最关键也是晟难的技术。 图1 7 意大利e n s y n 循环流化床热解工艺流程 f i g 1 - 7e n s y nc i r c u l a t ef l u i d i z e db e dg a s i f i e r p y r o l y s i st e c h n o l o g y 6 携带床气化炉 携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例。如前所述，它不使用惰性材料作 流化介质，气化剂直接吹动炉中生物质原料，且流速较大，为紊流床。该气化炉 要求原料破碎成非常细小的颗粒，运行温度高，可达1 1 0 0 ，产出气体中焦油 及冷凝成分少，碳转化率可达1 0 0 ，但由于运行温度高，易烧结，选材较难。 华南理t 大学硕士学位论文 图卜8 双流化床气化炉原理图 f i g 1 8p r i n c i p l eo fd u a lf l u i d i z e db e dg a s i f ie r 1 4 全球及中国生物质能利用的现状和展望 生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重