（热能工程专业论文）流化床干燥生物质秸秆的实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 农作物秸秆是我国农村常见的农业废弃物，具有可再生、分布广、资源量大 等特点，此类生物质原料的能源化利用对于改善我国的能源结构、保障能源安全、 降低环境污染具有十分重要的意义。近十年来，生物质秸秆能源的开发应用技术 研究得到了大力发展，但由于刚收获的秸秆含湿量都在5 0 一7 0 ，无论是秸秆 能源的哪种利用方式( 气化、液化、固化等) ，都需要对其进行干燥，使其含湿 量降到1 5 以下才可利用。因此，国家“十五 “8 6 3 ”计划项目“生物质气化发 电优化系统及其示范工程 的子课题“农业废弃物流化床气化过程预处理技术研 究”把在生物质能源中占主导地位的农作物秸秆的快速、高效干燥作为一个重要 内容开展研究。 流化床技术由于具有传热效率高、温度均匀、密封性能好等优点而在化工、 轻工、医药、食品以及建材工业都得到广泛应用。本文全面系统地进行了秸秆的 各种理化特性、热重特性和等温干燥特性实验，归纳了这些特性对秸秆干燥过程 的影响；在此基础上，主要利用流化床干燥技术对油菜秸秆的流化特性和等温干 燥特性进行了研究。首先，利用有机玻璃流化床试验台进行了油菜秸秆的冷态流 化实验，分析了秸秆粒径、长度、床层高度等因素对秸秆流化特性的影响，得出 秸秆的合适流化粒径、临界流化速度；然后对油菜秸秆进行了等温干燥实验，获 得了不同风温、风速、初含湿量下的等温干燥曲线，分析了它们的共同点和不同 点；根据试验数据进行理论推导，利用p a g e 方程进行数学模拟并与实验数值加以 比较，找出适合秸秆的干燥数学模型；在此定性描述的基础上，用s p s s 数据分 析软件对风温、风速、初含湿量与干燥速率之间的相关性进行了显著性检验和偏 相关性分析，得出了它们与干燥速率之间的定量偏相关系数，它们对干燥特性的 影响效果，这对秸秆的规模化工业利用将有重大的指导意义。 关键词：秸秆；流化床；等温干燥；p a g e 方程；数学模型；偏相关系数 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec r o ps t a l k sa r ev e r yc o m m o nw a s t em e t e r i a l si no u rc o u n t r y , a n dt h e yh a v e l o t so fm e r i t s ，r e p r o d u c i t y ，w i d e l yd i s t r i b u t i o na n da b o u n dr e s o u r c e s ，a n ds oo n t h e a p p l i c a t i o no ft h eb i o m a s ss t a l k si sv e r ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h ee n e r g ys t r u c t u r e ， g u a r a n t e et h ee n e r g ys a f e t ya n dr e d u c et h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n i nr e c e n tt e ny e a r s ， t h er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a b l et e c h n o l o g i e so fb i o m a s ss t a l k se n e r g yh a sb e e n d e v e l o p e dv i g o r o u s l y h o w e v e r , t h em o i s t u r ec o n t e n to fc r o ps t a l k si nt h eh a r v e s t i n g t i m ei sa b o u t5 0 一7 0 ，s on om a t t e rw h i c hl d n do fu t i l i z i n gm e t h o d ( g a s i f i c a t i o n ， l i q u e f a c t i o no rs o l i d i f i c a t i o ne t c ) i su s e d ，t h eb i o m a s ss t a l k sr e q u i r ed r y i n ga n dt h e y c a no n l yb e c o m eu s e f u la f t e rt h em o i s t u r ec o n t e n ta r er e d u c e dt o1 5 o rl o w e r t h e r e f o r e ，t h ef a s ta n dh i g h l y - e f f i c i e n td r y i n go ft h ec r o ps t a l k s ，w h i c ho c c u p ya l e a d i n gp o s i t i o ni nt h eb i o - m a s se n e r g y , w a ss t u d i e d 勰a ni m p o r t a n tp a r to f r e s e a r c h o np r e - p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yd u r i n gg a s i f i c a t i o np r o c e s so ff l u i d i z e db e df o r a g r i c u l t u r a lw a s t e ”，t h es u b s u b j e c t o f “g a s i f i e db i o - b a s sp o w e rg e n e r a t i o n o p t i m i z e ds y s t e ma n di t sm o d e lp r o j e c t ，w h i c hi st h ep r o g r a mp r o j e c to ft h et e n t h f i v e - y e a rp l a na n d “8 6 3 p r o g r a m a sf l u i d i z e d - b e dd r y e rh a st h ev i r t u eo ft h eh i g he f f i c i e n c yi nh e a tt r a n s f e r , t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t ya n dg o o da i r p r o o fp e r f o r m a n c e ，i th a sb e e nu s e db r o a d l yi n c h e m i c a l e n g i n e e r i n g , l i g h ti n d u s t r y ，c u r a t o r i a li n d u s t r y ，f o o d s t u f fi n d u s t r y ， a r c h i t e c t u r a li n d u s t r ya n ds oo n i nt h ep a p e rv a r i o u st e s t sw e r ec o n d u c t e dr e g a r d i n g t h e p h y s i c a l a n dc h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r m o g r a v i m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s ， i s o t h e r m a l d r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ec r o ps t a l k sa n dt h ei n f l u e n c eo fs u c h c h a r a c t e r i s t i c so nt h ed r y i n gp r o c e s si sg e n e r a l i z a t e d o nt h i sb a s i s ，t h i st h e s i sc h i e f l y s t u d i e st h ef l u i d i z a t i o np r o p e r t i e sa n di s o t h e r m a ld r y i n gc h a r a c t e r i s i c so ft h ec r a p e s t r a w sw i t ht h ef l u i d - b e dd r y i n gt e c h n i q u e f i r s t l y ，t h ec o l df l u i d i z a t i o np r o p e r t i e s t e s t so ft h er a p es t r a w sw e r ec o n d u c t e di naf l u i d i z e db e dr e a c t o r ，a n db ya n a l y z i n g t h ep a r t i c l ed i a m e t e ra n dl e n g t ha n dt h em a t e r i a l sh e i g h ti n f l u e n c et h es t a l k s f l u i d i z a t i o np r o p e r t i e s ，w eg e tt h es u i t a b l ef l u i d i z a t i o np a r t i c l ed i a m e t e ra n dc r i t i c a l f l u i d i z a t i o nv e l o c i t yo ft h er a p es 打a w s s e c o n d l y ，t h ei s o t h e r m a ld r y i n ge x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e d ，b ya n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a s , w eg e tt h ei s o t h e r m a ld r y i n g 江苏大学硕士学位论文 c u r v e so fd i f f e n e r ta i rt e m p e r a t u r e ，a i rv e l o c i t ya n di n i t i a lm o i s t u r ec o n t e n ts t a l k s ，a n d t h e i rc o m m o nf e a t u r e sa n dd i f f e r e n tf e a t u r e s f u r t h e r m o r e ，w eu s ep a g ee q u a t i o nt o s i m u l a t ea n dc o m p a r et h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t e dd a t a s b yt h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n ，w ef i n dt h em a t h e m a t i cm o d e lt h a tf i ts t a l k sd r y i n g o nt h i s b a s eo f q u a l i t a t i v ei n v e s t i g a t i o n ，w ea d o p tt h es p s sd a t aa n a l y t i c a ls o f t w a r e ，p r o c e e dt h et e s t o fs i g n i f i c a n c ea n dt h ea n a l y s i so fp a r t i a lc o r r e l a t i o no nt h ed e p e n d e n c eo ft h ea i r t e m p e r a t u r e ，a i rv e l o c i t ya n di n i t i a lm o i s t u r ea n dt h ed r y i n gr a t e a sar e s u l t ，w eg e t t h e i rq u a n t i t a t i v ep a r t i a lc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t s ，a n dt h ei n f l u e n c eo nt h ed r y i n g c h a r a c t e r i s t i c t h i si ss i g n i f i c a n tf o rg u i d i n gt h ei n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o no fs t a l k d r y i n g k e yw o r d s ：c r o ps t a l k ；f l u i d i z e db e d ；i s o t h e r m a ld r y i n g ；p a g ee q u a t i o n ； m a t h e m a t i cm o d e l ；p a r t i a lc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密回。 学位论文作者签名： 孜国艿 矿口耳月日 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，均已在文中以明确方式 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： 张因另 日期：2 o o 年f 月q - e l 江苏大学硕士学住论文 第一章绪论 1 1 生物质秸秆资源概述 111 我国可开发的生物质资源 生物质( b i o m 撼) 是地球上最广泛存在的物质之一，生物质作为生物质能 的载体，美国能源部( d o e ) 把生物质定义为：生物质是来源于植物和动物的有 机物质，包括一切源于植物光合作用所转化和固定下来的太用能。尽管光合作 用的转化效率不高，平均只有0 1 左右，但生物质所蕴藏的能量是相当惊人的。 根据生物学家估算，地球上每年生长的生物质总量约2 2 1 0 “吨( 干重) ，地球 每年增加的生物质所蕴古的总能量可达3 x 1 0 2 1 j ，相当于当今全球能源总需求量 的l o 倍吲。 全世界秸秆年产量约2 9 亿吨，我国的生物质资源也极为丰富，据2 0 0 5 年统 计结果表明，目前我国秸秆资源产量达7 4 5 0 5 x 1 0 4 吨，约7 4 5 亿吨，相当于3 7 亿吨标煤，预计到2 0 1 0 年将达8 2 0 5 0 1 0 4 吨：薪柴和林业废弃物数量也很大， 林业废弃物( 不包括炭薪林) 每年约1 7 亿吨，相当于1 0 亿吨标煤；如果考虑 日益增多的城市垃圾和生活污水，禽畜粪便等其他生物质资源，禽畜粪便实物量 3 2 亿吨，相当于15 7 亿吨标煤；城市垃圾1 1 8 亿吨，相当于0 5 亿吨标煤，因 此我国每年的生物质资源达6 7 7 亿吨标煤以上，扣除一部分做饲料和其他原料 外，可开发为能源的生物质资源达4 亿多吨标煤1 2 , 4 1 。图1 - 1 为我国四种主要的 生物质资源比例。 埋生 幽1 - l 我国四种主要的生物质资源比例 江苏大学硕士学位论文 由图可知，农作物秸秆在我国生物质资源中占据十分重要的地位。近年来随 着农村经济的发展，我国的农作物秸秆产量也在逐年递增，平均年增长率为 2 3 3 【3 1 。图1 2 为我困历年农作物秸秆产量，表1 。1 为2 0 0 5 年我国各种农作物 秸秆产量3 1 。 留 k 皿删 l 准 搀 1 9 8 81 9 9 01 9 9 21 9 9 4 1 9 9 6 1 9 9 82 0 0 02 0 0 22 0 0 4 2 0 0 6 年份 图1 2 我国历年农作物秸秆产量 表1 1 我国各种农作物秸秆产量表 2 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 利用生物质能源的意义 生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是指直接或问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贮藏在生物体内的能量，每摩尔的固定碳 大约吸收4 7 0 k j 能量刚。由于生物质能的载体是有机物，所以这种能源是以实 物的形式存在的，它是一种唯一可储存和运输的可再生的碳源，可转化成常规的 固态、液态和气态燃料。 从理化特性上看，利用生物质能难度最小，用途最广。生物质的组成是c h 化合物，它与常规的矿物能源如石油、煤等是同源( 煤和石油都是生物质经过长 期转换而来的) ，与煤炭相比，生物质具有含碳量( 固定碳) 较少，挥发分含量 高，含氢量和含氧量较多，发热值低，硫、氮含量低，质地比较疏松，密度小， 易燃等特点，直接用作燃料利用过程中具有低s 0 2 、n o x 和灰尘排放的特点；另 外，生物质还可通过先进的热转化技术、生物化学转换技术进行转换，除了转化 为电力外，还可生成清洁的液体燃料和气体燃料，可直接应用于生物质原料发电、 供热、生产交通车辆用生物柴油或汽油和化学药品等行业。生物质秸秆作为农业 的副产品，营养丰富，秸秆中含有的碳水化合物、蛋白质、脂肪、木质素、醇类、 醛、酮和有机酸等，大都可被微生物分解利用，经过处理后可以加工成饲料供动 物食用。秸秆还富含纤维素、木质素，是生产建材的优良原料。因此，生物质还 是优质的工业原料，几乎可以应用于目前人类工业生产或社会生活的各个方面。 所以在所有新能源中，生物质能与现代的工业化技术和目前的现代化生活有最大 的兼容性，可以充分利用己经发展起来的常规能源技术开发利用生物质能，甚至 在不必对已有的工业技术做根本性改进的前提下即可以替代常规能源，对常规能 源有很大的替代能力。生物质能利用技术的开发与推广难度比较低。 从生态环境效益上看，利用生物质可以实现c 0 2 为零的排放，从根本上解 决能源消耗带来的温室效应及环境污染等问题。我国的资源条件决定了我国以煤 为主的能源消费结构在短期内难以转变，未来煤炭仍将在整个能源过程中发挥不 可替代的作用。在能源的利用过程中，化石燃料的燃烧要排放出各种污染物。据 统计l 5 】，在排放到大气的污染物中，9 9 的氮氧化物o q o x ) ，9 9 的一氧化碳化o ) ， 9 1 的二氧化硫( s 0 2 ) ，7 8 的二氧化碳( c 0 2 ) ，6 0 的粉尘和4 3 的碳化氢( c h ) 是化石燃料燃烧过程中产生的，其中煤燃烧所产生的大气污染物占污染物排放总 量的比例较大，二氧化硫占8 7 ，氮氧化物占6 7 ，一氧化碳占7 1 ，烟尘占 6 0 。煤等化石能源的大量使用给我们的生存环境带来了各种潜在性的危机，环 3 江苏大学硕士学位论文 境污染、温室效应、大气烟尘和酸雨等等。对我国而言，最明显的例子就是2 0 0 8 年1 月份南方的罕见雪灾，据气象专家分析，造成这次我国南方持续低温阴雨雪 ( 冻雨) 和冰冻天气发生的气候背景主要有两个：一是“拉尼娜 事件，二是异 常的大气环流；而总体原因却是全球气候变暖所造成的。 因此，兼顾环境保护和能源的可持续发展战略，开发和使用一种清洁而且可 再生能源已经势在必行。国际能源机构的研究分析表明【6 1 ，生物质的组分主要是 c 和h ，其含硫和含氮量均较低，同时灰分份额也很小，其平均含硫量只有3 8 ，而煤的平均含硫量约达1 ；所以燃烧后的s 0 2 、n o x 和灰尘排放量比化石 燃料要小得多，被喻为绿色煤炭；且在生物质的燃烧利用过程中，大气中的氧和 生物质中的碳、氢相互作用生成c 0 2 和水；而大气中的c 0 2 和地面上的水经过 光合作用又可以形成生物质的碳水化合物，实现了c 0 2 的零排放。这是生物质 最具优势、最吸引人的热点之一，也是生物质对生态环境的最大贡献所在。 从能源角度来看，利用生物质能对改善我国能源结构有重大意义。我国是能 源消耗大国，目前能源主要以煤炭、石油等化石燃料为主，能源结构不合理，这 不仅使得我国的能源供应越来越紧张，而且引起了大量的环境污染问题。根据 ( ( 2 0 0 6 年中国可持续发展战略报告统计【7 1 ，2 0 0 5 年我国能源消费量为2 2 3 3 亿吨标煤，其中煤炭占6 9 ，石油占2 3 4 5 ，天然气仅占3 ，而核能、水能等 清洁能源较少，可再生能源则更少。我国已取代俄罗斯成为世界上第二大能源生 产和消费国，也是世界上c 0 2 第二大排放国，2 0 0 4 年排放量占世界总量的1 5 1 ， 仅居美国的2 2 9 之后。到2 0 1 5 年我国碳排放量可能达到1 7 8 亿吨( d o e 认 数据) 【8 】。可能是届时世界上最大的排放国。这种不合理的能源消费结构，对中 央提出的建设资源节约型、环境友好型、经济可持续发展型社会的宏伟艰巨目标 的实现有着严重影响。从能源角度来看，生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的 第四大能源，与煤炭等化石能源相比，生物质能作为一种低碳、低硫、低氮的可 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，用现代技术开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。我国的生物质资源非常丰富，原有利用水平低，生物 质能利用技术的开发具有很大的发展潜力，生物质能将在我国今后的能源结构中 占有举足轻重的地位。 4 江苏大学硕士学位论文 1 1 3 生物质能转化利用技术 生物质能的转化利用方式一般分为物理转变、热化学转变和生物转变【9 1 0 l 。 生物质的物理转变主要是指生物质致密成型( 固化) ，是生物质能利用技术 的一个重要方面。所谓生物质致密成型就是将生物质粉碎至一定的粒度，用机械 方法在一定条件下，挤压成一定形状( 棒状、粒状和块状等) 。其粘接力主要是 靠挤压过程所产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化粘接，或为了降低其成 型条件而添加一定量的粘结剂。成型物可进一步碳化制成木炭，也可作为其化学 转变的基础。生物质致密成型解决了生物质形状各异、堆积密度小且较松散、运 输和贮存使用不方便的问题，这种技术能提高能源密度，改善燃烧特性，实现优 质能源转化。 生物质化学转变主要包括直接燃烧、液化、气化、热解四个方面。 ( 1 ) 生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法，就是将生物质 直接作为燃料燃烧转换成能量的过程。生物质直接作为燃料燃烧，虽然具有方法 简单，原料廉价等优点；但是，直接燃烧烟尘大，热效率低，能源浪费大。除农 村外，一般在城镇不提倡直接燃烧的方法，一般都是采用燃生物质的专用锅炉将 燃料转化成热能用于集中供热或电厂发电。 ( 2 ) 生物质液化液化是指通过化学生物方式将生物质转变成液体产品的 过程。液化技术主要有直接液化和间接液化两类。直接液化是把生物质放在高压 设备中，添加适宜的催化剂，在一定的工艺条件下反应，制成液化油，作为汽车 用燃料，或进一步分离加工成化工产品，故又称高压液化。间接液化就是把生物 质气化后，再进一步合成为液体产品；或者采用水解法把生物质中的纤维素、半 纤维素转化为多糖，然后再用生物技术发酵成酒精。生物质液化可以制取甲醇、 乙醇、液化油等产品。液体产品便于运输、贮存，通过液化不但可以提供初级化 工产品，而且还可以减小化石能源枯竭带来的能源危机，所以生物质液化将是今 后研究的热点。 ( 3 ) 生物质气化生物质气化是指生物质在高温下部分氧化的转化过程。 该过程是直接向生物质通入气化剂( 空气、氧气或水蒸汽) ，生物质在缺氧的条 件下转变为小分子可燃气体的过程。所用气化剂不同，得到的气体燃料也不同。 目前应用最广的是用空气作为气化剂，产生的可燃气体主要用作燃料，用于居民 烹调、锅炉燃料和发电等。通过生物质气化得到的可燃气，也可作为合成甲醇的 化工原料，进一步转变为甲醇或提炼得到氢气。目前国内外对生物质气化方面的 5 江苏大学硕士学位论文 研究较多。 ( 4 ) 生物质热解热裂解( 又称热解或裂解) ，指生物质在完全缺氧或有限 氧供给的条件下不完全热降解为液体生物油、气体和固体生物质碳三个组成部分 的过程，具体的组成与性质取决于热裂解的方法和反应条件。热解就是利用热能 切断生物质大分子键，使之转变为小分子物质的过程。根据反应条件不同，可将 生物质热解分为慢速、快速和反应性热裂解三种类型。热解是一种很有开发前景 的生物质应用技术。 生物质的生物转换主要是通过微生物发酵或水解发酵工艺来制取气体燃料 ( 甲烷气) 和液体燃料( 乙醇) 等化工产品以及氢气等清洁能源的转变过程。目 前生物技术发展比较快，主要技术是发酵和厌氧消化等，所以生物转变也是今后 研究的方向之一。生物质转化利用技术分类如图1 3 所示： 图1 3 生物质能源转化技术分类 1 1 4 我国农作物秸秆利用现状 我国是农业大国，农作物秸秆资源丰富，农作物秸秆是生物质能的重要组成 部分，占我国生物质能的5 0 以上。但其利用率却很低，目f j 我国农作物秸秆主 要用作( 一) 生活用能；( 二) 牲畜饲料；( 三) 秸秆还田( 秸秆肥料) ；( 四) 工 业原料等利用，约1 1 7 5 的剩余秸秆就地焚烧或闲置。秸秆的各种用途所占比 例如图l 一4 所示【3 1 。 6 江苏大学硕士学位论文 百分比 即0 皤 4 5 口嘎 4 口0 口l 衢d 嘎 3 0 0 哦 2 5 0 暖 2 0 口0 瞄 1 5 口嘣 1 0 口皤 5 0 嘎 0 0 嘎 生活用能畜牧饲料秸秆还田工业原料秸秆剩余 图1 42 0 0 4 年秸秆主要利用方式所占百分比 ( 一) 秸秆转化作生活用能的利用形式主要有作为燃料、气化发电、热解生产可 燃气体、液化制生物油和乙醇等，各方面的利用现状如下所述： ( 1 ) 长期以来，秸秆直接用作燃料是我国农村利用秸秆的主要方式，农村 炊用的传统炉灶燃用薪柴和农作物秸秆时的热效率仅为1 5 左右，一方面热能利 用率很低，造成了生物质资源的严重浪费；另一方面不完全燃烧造成的大量烟尘 排放量还会污染环境。因此，为了提高秸秆直接燃烧的热效率，我国研制开发出 层燃技术、流态化燃烧技术和悬浮燃烧技术等新技术。 传统的层燃技术，是指生物质秸秆燃料铺在炉排上形成层状，与一次配风 相混合，逐步地进行干燥、热解、燃烧及还原过程，可燃气体与二次配风在炉排 上方的空间充分混合燃烧，可分为炉排式和下饲式。目前国内生活垃圾发电厂几 乎都采用这种炉型燃烧。 流态化燃烧技术流化床锅炉适合燃用各种水分大、热值低的生物质秸 秆，具有较广的燃料适应性；燃烧生物质流化床锅炉是大规模高效利用生物废料 最有前途的技术之一。根据生物质原料的不同特点，分为鼓泡流化床技术( b f b ) 和循环流化床技术( c f b ) 。 国内哈尔滨工业大学早在1 9 9 1 年就进行了生物质燃料的流化床燃烧技术研 究；浙江大学的陈冠益、方梦祥等【l l 】在1 9 9 9 年与无锡锅炉厂合作设计开发了一 台3 5 t l l 稻壳流化床锅炉，并给出了稻壳在流化床燃烧时流化、混合和着火特性 的研究结果。2 0 0 6 年，浙江大学又在对丹麦的水冷振动炉排技术理解吸收的基 础上，考虑流态化燃烧固有的优势和秸秆的燃烧特性，针对秸秆的特点与北京中 7 江苏大学硕士学位论文 环联合环境工程有限公司合作开发了拥有自主知识产权的循环流化床秸秆燃烧 技术【1 2 1 。在该技术成功开发的基础上，还和中节能( 宿迁) 生物质能发电有限 公司在江苏宿迁联合实施了秸秆燃烧的工程示范项目。这是我国自主开发并完全 拥有自主核心技术的示范项目，是我国同时也是世界上第1 台以稻、麦秸秆为单 一燃料的循环流化床锅炉。 悬浮燃烧技术悬浮燃烧是在旋风作用f 点火沸腾燃烧，使生物质颗粒在 不断运动中连续点燃和烧尽。目前主要用于粒度和重度差异较小的城市垃圾焚烧 炉利用。 ( 2 ) 秸秆气化8 0 年代以来，全国多家高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【1 3 j ： 2 0 世纪8 0 年代初期，中国林业科学研究院研究开发了以木质原料和农业剩 余物为原料的上吸式气化炉，并已先后在黑龙江、福建等建成工业化装置，气化 炉的最大生产能力达6 3 1 0 6 k j h ( 消耗木片量为3 0 0 k g h ) 。 2 0 世纪9 0 年代开始，山东能源研究所研究开发了下吸式气化炉，主要适用 于硬秸秆类农业剩余物的气化，在农村居民集中居住地区得到了较好的推广应 用，已形成产业化规模。广州能源所开发了外循环流化床生物质气化技术，制取 的木煤气作为干燥热源和发电，完成了国内最大发电能力为1 m w 的气化发电系 统，为木材加工厂提供附加电源。 ( 3 ) 秸秆热解生物质热解根据反应条件不同可分为慢速、快速和反应性 热裂解三种类型。目前，几乎所有的研究都集中在快速热解上，原因是其液体产 物收率高和独特的性质。姚建中等【1 4 】在不同传热状态下进行了玉米秸秆的热解 实验，结果表明在4 8 0 左右，可得到约4 5 的液体产品；采用改进的固体热载 体循环流化技术，秸秆粉料能实现连续高温热解。陈冠益【l5 】针对中国农村的实 际状况，提出了生物质问壁式热解生产燃气方案，通过对稻秆、稻壳和木屑在固 定床热解反应器内的热解特性研究，发现热解气的热值在1 2 。1 5 m j n m 3 之间， 可满足民用煤气的热值要求，可以解决广大农村地区民用煤气短缺的问题。东南 大掣1 6 】对秸秆类生物质的热解行为进行了热重分析和差分热重分析研究，建立 了北方典型的秸秆类生物质的反应动力学方程，得出了该类物质热解反应动力学 参数、表观活化能和频率因子，并提出了相应的热解机理。 ( 4 ) 秸秆液化国内近年来对生物油的研究开展得比较多，如清华大学、 浙江大学、广州能源所、河南农业大学、大连理工大学等等，研究对象己经拓展 到微藻类。 8 江苏大学硕士学位论文 山东理工大掣1 7 1 研究了利用等离子体加热玉米秸秆快速热解液化制取生物 油的技术，自行研制出一套以等离子体作为加热热源的层流炉液化系统。浙江大 学【1 8 】结合流化床的优势和生物质秸秆的特殊性，自行研制成功给料速度达5 k e r n 的流化床闪速热裂解反应器，并制取得到产率高达6 0 的生物油，同时针对木屑 和秸秆的系统实验研究，得出了反应温度和原料种类等主要参数对生物质闪速热 裂解制油的影响规律。 我国浙江大学、山东大学等单位在利用植物纤维原料生产乙醇方面也进行了 大量的研究【1 9 2 0 l 。由浙江大学主持的“利用农林纤维废弃物代替粮食生产酒精” 的项目己在河北完成中试，并正式投入工业化生产，该项目采用玉米棒芯为原料 出酒率达2 2 2 ( w w ) 。 ( 5 ) 致密成型及炭化技术我国从2 0 世纪8 0 年代引进开发了螺旋推进式 秸秆成型机，近几年形成了一定的生产规模。例如，陕西省武功县轻工机械厂研 制的螺旋推进式秸秆成型机，辽宁省能源研究所研制的颗粒成型机，南京林产化 工研究所研制的多功能成型机，河南农业大学机电工程学院研制的活塞式液压成 型机，在国内都己形成了产业化f 2 l 】。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。 ( 二) 畜牧饲料农作物秸秆是一种非常规性饲料资源，若不经任何处理， 其质地粗硬、适口性差、消化率低、营养价值不高。为提高秸秆饲料的适口性和 营养价值，近年来我国采用了氨化、微生物发酵贮存、热喷、揉搓等技术处理秸 秆，目前全国的年加工处理量约1 0 0 0 万t ，已开发秸秆氨化炉、调质机、青贮收 获机、揉搓机、压饼机和热喷机等秸秆加工设备。 ( 三) 秸秆还田秸秆还田是目前秸秆利用的重要方面，据统计，2 0 0 0 年 我国主要粮食作物秸秆粉碎还田的面积占其种植面积的5 8 6 【2 2 l 。秸秆还田方式 分为沤制粗肥还田、过腹还田和直接还田3 种。目前，我国机械化秸秆还田的方 法有整株还田、粉碎还田、有根茬切碎耕翻还田及联合作业还田技术等。我国黑 龙江省大田农业机械制造有限公司已研制生产出i i _ j d 5 3 5 型机引液压五铧犁 2 3 1 ，可将整株玉米秸秆扣翻在垡片下，覆盖严密，无扬茬漏茬。我国还研制开 发出了铧式犁、驱动圆盘犁和反转灭荐旋耕机等秸秆还田产品。据统计，全国秸 秆粉碎还田机生产厂家和科研单位已达数百个。 ( 四) 秸秆工业原料及其利用 秸秆作为工业原料主要用于工业造纸，占秸秆总产出量的2 9 。用秸秆制 9 江苏大学硕士学位论文 浆具有成本低廉、成纸平滑度好，容易施胶等优点，其它目前正在兴起的研究与 应用有2 4 , 2 5 】： ( 1 ) 利用秸秆生产轻型建材替代木材秸秆富含纤维素、木质素，是生产 建材的优良原料。南京林业大学将秸秆压缩成型制作秸秆板材、建筑材料、包装 材料等； ( 2 ) 利用秸秆生产可降解包装缓冲材料西北农业大学用玉米秸秆热压工 艺成型生产出瓦楞纸芯，己投入小批量生产。此类产品比纸制品成本低，完全可 以替代纸制品。 ( 3 ) 秸秆作为食用菌培养基的利用目前国内利用熟料麦秸作为培养基， 生产食用菌技术己成熟，平均生产l k g 食用菌( 平菇、香菇、金针菇) 可消耗秸 秆l k g 左右，菌渣还可以还田作有机肥料。 1 2 流化床干燥概述 1 2 1 流化床技术基础 1 流态化现象 流态化( f l u i d i z a t i o n ) 是指固体颗粒在流体( 气体或液体) 作用下悬浮在流 体中跳动或随流体流动的现象【2 6 】。流态化技术自1 9 2 1 年发明以来，干燥是其应 用最早的领域之一。 设有一圆筒形容器【2 7 】，在容器下部安装一块筛板，称为气体分布板，在分 布板上堆积一层固体颗粒( 见图1 5 ) 。当气速较小时，固体颗粒处于静止状态， 气体通过颗粒间隙流过床层，此床称为固定床，此时床层压降随气速的增加而加 大。当气速增加到压降刚好平衡床层颗粒的重力时，床层开始膨胀而流化，此时 的气速称为初始流化速度。当再增大流速时，床层总压降不再变化，此流化状态 称为散式流化。当进一步提高气速时开始出现鼓泡，压强波动明显，此称鼓泡床， 并称为聚式流态化。对于细长的流化床，进一步提高气速，导致气泡在上升过程 中进一步长大而接近床截面尺寸，形成气栓，此气栓像活塞一样向上移动，直至 表面气栓破裂，此时压降出现有规律的脉动，此现象称为腾涌或节涌流态化。随 着气速进一步提高，床层湍动加剧，气泡尺寸变小，床层表面变得比较模糊，此 称湍动流态化。再继续提高气速，颗粒挟带随之增加，至某一临界速度，这时在 没有颗粒补充的情况下，床层颗粒很快被吹空。如果有新的颗粒不断补充进入床 层底部，这种操作町以不断维持下去，这种流态化状态称为快速流态化，又称循 1 0 江苏大学硕士学位论文 环床或快床。再继续提高气速，流态化将进入稀相气力输送区域。即流化床随着 气速的增加依次会出现固定床、散式床，鼓泡床、节涌床，湍动床、快速流化 床和气力输送等床型，见图1 - 6 。 上述随气速的提高出现不同流态化并非所有不同颗粒都会发生，对于工业流 化床而言，通常在散式流态化区操作，腾涌和节涌在工业操作中被视为非正常流 化现象。颗粒性质对流化行为的影响，由g e l d a r t 对颗粒的分类可作说明。颗粒 分为以下a ，b 、c 、d 四类： a 类颗粒为细颗粒，具有较小粒度( 3 0 1 0 0p m ) ，表观密度也较小 ( p 1 4 0 0 k g m 3 ) 。a 类颗粒的初始鼓泡速度明显高于初始流化速度比村。如f c c ( 催化裂化催化剂) 。 f ；警黪薹 ? 之：i ：! i 互t i 二t r ： 蔓芝j 乏要：j 爱囊萋器 0 譬0 0 ：。：j 0 ： ” 漉化颗粒 分布扳 气漉 图1 - 5 流化床示意图 b 类颗粒称为粗颗粒或鼓泡颗粒，具有较大的粒度( 1 0 0 6 0 0 , u r n ) 及表观 密度( p = 1 4 0 0 - - 4 0 0 0 k g m 3 ) ，其初始鼓泡速度与初始流化速度相等，气速一旦 超过初始流化速度床层内即出现两相，即气泡相和密相，密相中气固返混较小， 如砂粒。 c 类颗粒属黏性颗粒或超细颗粒，一般平均粒度在2 0 , u m 以下。这类颗粒由 于粒径很小，极易导致颗粒的团聚，极难流化。 d 类颗粒称为粗颗粒，一般平均粒度在0 6 r a m 以上，该颗粒流化时易产生极 大气泡或节涌，如玉米，小麦颗粒。 _卜hrhi”啦 i“遗 、 、q o，；“， 江苏走学硕士学位论文 斟图匾圜亘圜匦 嘲圭球数式废箍赳瘁椎i 曩库潮摩 恢墙，力 - 一 舭“l i l t 囊武嚣吝他 国l 石气固流态化中各种流体力学流型的特征示意图 2 非正常流化现象 ( 1 ) 沟流 在气一固流卷化中川，气体通过床层，其气速虽然超过临界流化速度，但 床层并不流化，而是大量气体短路穿过床层，床层内形成一条狭窄通道，此时大 部分床层仍处于静止状态，这种现象称为沟流，未流化部分称为死床。分别如图 l - 7 中的a 和b 所示。如沟流仅发生在床层的局部，称为局部沟流；如沟流贯穿 整个床层，称为贯穿沟流。 沟流会造成床层密度不均匀，气固接触不良，使传热传质过程不能很好进行， 降低产品质量和设备的生产效能；而死床部分容易产生产品的烧结现象。研究表 明，颗粒性质、流体的速度、床层高度、设备结构等因素，都会影响沟流的产生， 消除沟流的有效方法是加大气速、物料预先干燥、在床内设置内部构件等。 ( 2 ) 腾涌 在气一固流化床中脚1 ，床内气泡汇合长火，当气泡直径接近容器直径时， 床内物料成活塞状向上运动，料层达到某一高度后崩裂，颗粒似雨淋而下，这种 现象称为腾涌，又称为活塞流等，见图1 7 中的c 图。腾涌会造成床层密度极不 均匀：降低催化剂的寿命和产品产量；增加固体颗粒的机械磨损和带出。另外， 设备内部会受到冲击，容易损坏床内的零部件。 颗粒的性质、床层的高度、流体的速度等因素，都会影响腾涌的产生。在必 须采用高床层、丈颗粒物料的条件下，为消除腾涌，可以在床层内设置内部构件。 一般在i j d 及设备较大时不易产生腾涌。 江苏大学硕士学位论文 3 流态化状态分类 由流态化过程可见，当流化介质超过临界流化速度之后，床层继续膨胀而处 于流态化阶段时，可以表现为两种状态 2 6 1 ，聚式流态化和散式流态化。文献中 多以此两种状态作为流态化状态分类的方法。 ( 1 ) 聚式流态化 。 在气一固流化系统的流化床中，床层中存在气泡相和乳相，气泡中只有很少 的或者没有固体颗粒存在，在乳相中颗粒的浓度要比气泡中大的多。临界流化速 度以后，有相当一部分气体以气泡形式通过床层，气泡在床层中上升并相互聚合， 引起床层的波动，这种波动随流速的增大而增大。同时床面也有相应的波动，波 动剧烈时，很难确定其具体位置，与液一固流化系统中的清晰床面大不相同。这 些现象都是由于床内存在有气泡，气泡中没有或很少有固体颗粒，气泡向上运动 时，将一部分颗粒夹带至床面，而气泡到达床面时发生破裂，压力释放，于是这 部分颗粒由于自身的重力作用又落回床内。由于气泡的不断产生和破裂，因而床 内就有一团团的固体颗粒被夹带向上运动，至床面又解体，落回床内。所以气一 固流化床的外观与液一固流化床不同，颗粒不是均匀地分散于床中，而是程度不 同的一团一团聚集在一起作不规则的运动。这种现象对小颗粒更为明显，故称为 聚式流态化、气体流化床) 。 ( 2 ) 散式流态化 当流体通过固体颗粒床层时，随着流体流速的增加，也同样存在着固定床、 流化床和输送床三个阶段。液一固流化系统和气一固流化系统的不同之处是在流 化床阶段。对于液一固系统，当流速高于最小流化速度时，随着流速的增加，得 到的是平稳的、逐渐膨胀的床层，固体颗粒均匀地分布于床层各处，床面清晰可 辨，略有波动，但相当稳定，床层压降的波动也很小且基本保持不变。即使在流 速较大时，也看不到鼓泡或不均匀的现象。这样的床层称散式流态化( 或称均匀 流化床、液体流化床) 。 一般认为液一固流化为散式流态化，而气一固流化为聚式流态化，两者的差 别主要归因于颗粒与流体之间的密度差。本论文研究的是气固流化床，流化现象 为聚式流态化。 4 流态化技术的优缺点 ( 一) 流态化干燥技术的优点【2 6 】： ( 1 ) 流体和固体之间的传热和传质增强，床层温度均匀； 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 气固两相接触充分，热容系数高达8 4 0 0 2 5 0 0 0 k j m 3 h ，传热效率较 高； ( 3 ) 物料可以像流体一样大量输送； ( 4 ) 便于实现过程的连续化和自动化； ( 5 ) 固体颗粒可以作为热载体。 ( 二) 流态化技术的缺