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文档简介

1、第卷第期年月南京林业大学学报(自然科学版)(),收稿日期:修回日期:基金项目:年普通高校研究生科研创新计划项目();年度南京林业大学优秀博士学位论文创新基金项目;国家重点基础研究发展计划项目(); 十二五 国家科技支撑计划项目(); 十二五 农村领域国家科技计划项目()第一作者:马中青,博士生通信作者:张齐生,教授,中国工程院院士:引文格式:马中青,张齐生,周建斌,等下吸式生物质固定床气化炉研究进展南京林业大学学报:自然科学版,():下吸式生物质固定床气化炉研究进展马中青,张齐生,周建斌,章一蒙(南京林业大学竹材工程研究中心,江苏南京)摘要:随着全球能源需求的不断增加和化石能源的日趋枯竭,生物

2、质固定床气化技术作为一种清洁的可再生能源利用技术,引起许多研究者的关注与上吸式固定床气化炉相比,下吸式具有可燃气焦油含量低炭转化率高可燃气热值高可燃气产品用途广的优点笔者详细介绍了下吸式生物质固定床气化炉的原理分类单段下吸式固定床以及两段下吸式固定床的研究现状,并且在综述的基础上,对下吸式固定床气化炉的应用研究提出了展望关键词:生物质气化;下吸式固定床气化炉;可再生能源利用中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,:;生物质气化是以生物质为原料,以氧气(空气富氧性气体或纯氧等)水蒸气或氢气等气体为气化剂,在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃烧的物质转化成可燃烧气体的过程气化技术与直

3、燃技术最根本的区别在于气化过程中需要限量供应上述几种氧(气)化剂生物质气化产生可燃气的主要可燃成分为,还有极少量的()气化除了产生可燃气外,还会产生一定量的副产物,如焦炭焦油等它可将低品位的固体生物质转化成高品位的可燃气体,从而可广泛应用于工农业生产的各个领域,如合成甲醇集中供气供热发电等生物质固定床气化炉主要分为上吸式和下吸式气化炉下吸式固定床气化炉是在上吸式的基础上开发出来的,目的是为了克服上吸式可燃气中焦油含量高的缺点,主要用于小规模的气化发电下吸式气化炉可燃气的流向与生物质的进料方向相同,通常设置高温氧化区,气化剂从炉排上一定高度位置通入气化炉,可燃气从炉排下部被析出下吸式气化炉的这种

4、结构使可燃气必须通过高温氧化区,利于焦油进一步裂解,燃气中焦油含量( )比上吸式( )显著减少该类气化炉适合于气化较干燥的块状物料(含水率);装置的结构简单投资少运行方便可靠;特别适用于拥有丰富生物质原料且电力紧缺的边远农村地区和工农业加工厂的小规模发南京林业大学学报(自然科学版)第卷电(单台气化炉产能)下吸式固定床气化原理及分类下吸式固定床气化过程从上至下主要分为个反应区:干燥区热解区氧化区和还原区()干燥区:生物质中的自由水和结合水蒸发,含水率由 降至以下,干燥区的温度为 ()热解区:生物质在缺氧的条件下裂解产生大量不可冷凝的可燃气(等)和可冷凝的焦油,温度范围为 ()氧化区:气化剂在这个

5、部位送入气化炉,生物质炭与供给的氧气燃烧产生,部分裂解产生的也会与氧气反应生成水,这两个氧化反应会产生大量的热量,若氧气的供应量不足以使炭完全转化为,那么炭也会因部分氧化产生,温度为 由于焦油随着可燃气往下移动,必须经过高温氧化区,因此焦油会发生二次裂解()还原区:在 以及缺氧的环境下,会发生多个吸热的还原反应,增加可燃气中的含量,提高产气热值,整个气化过程主要反应见表表下吸式固定床气化反应区及其主要反应反应区温度范围物理化学反应H()参考文献干燥区 物料中自由水和结合水的蒸发热解区 生物质炭焦油可燃气()氧化区 还原区 由于内燃机()对可燃气中焦油含量()要求较高,因此要降低可燃气中焦油的含

6、量,一种方法是通过气化炉下游的气体净化系统来实现,但是最根本的方法是通过改变气化炉内部的结构尽量降低粗燃气中焦油含量下吸式气化炉因其内部的结构优势,所产可燃气中焦油含量较低,因此,研究人员开发出了多种形式的下吸式固定床气化炉在此将只有单个反应器(气化炉)或只有一步进气的固定床气化炉称为单段式气化炉,将有两个反应器或者两步进气的固定床气化炉称为两段式气化炉因此,下吸式气化炉根据反应器的个数和进气次数分为单段式和两段式气化炉单段式根据有无喉区可分为直筒()式和喉式()气化炉;两段式可分为气化炉和两步进气气化炉;直筒式中根据顶部开闭口形式可分为开心式气化炉和闭口式气化炉单段下吸式气化炉单段下吸式气化

7、炉结构单段下吸式气化炉主要分为带有喉区的喉式()气化炉(图)和不带喉区的直筒式()气化炉(图)喉式下吸式气化炉在中部偏下位置有一个逐渐变窄的喉区或者 形区域,将会形成一个高温喉区( ),气化剂从喉区中部偏上位置喷入,有助于可燃气中焦油的进一步裂解,产生的可燃气中焦油含量较低因此气化炉是下吸式气化炉中研究最多应用最广泛的用于气化炉的生物质原料必须进行烘干切碎筛选等预处理,使其含水率小于,原料的种类一般为阔叶材切碎的木片,而且木片的形态必须为大小一致的块状(长宽),否则气化后的炭将很难顺利通过喉区,造成架桥和烧穿现象,影响气化效果气化炉的启动时间介于横吸式气化炉(最快)和上吸式气化炉(最慢)之间为

8、了改善气化炉对原料尺寸和形态要求比较严苛的缺点,一些研究人员开发了直筒式气化炉直筒式气化炉的圆柱形结构使其制造更加简便,降低了架桥和烧穿现象的发生,便于产能的扩大设计;另外更易于测量炉内各个床层的温度和成分,制成床层的数学模型,对生物质气化工艺参数进行优化设计直筒式气化炉中的开心式气化炉(图),空气在顶部被吸入,均匀的通过气化炉,不仅可以提高炉内热化学反应的效率,而且可防止床层局部过热(飞温)单段下吸式气化炉性能影响因素单段式下吸式气化炉性能主要根据可燃气的成分热值和产量,可燃气中焦油含量,气化炉的产能碳转化率和冷气效率等方面来判断,其性能主要受当量比()表观速度()物料特性(化学组成含水率形

9、态(粒径)气化剂种类等因素的影响第期马中青,等: 下吸式生物质固定床气化炉研究进展图单段下吸式固定床气化炉结构当量比()当量比是指气化过程中单位质量物料实际燃烧消耗的空气量与其完全燃烧所需的空气量比值而起初是按照(空气体积和原料质量比值)来表示进气量和物料之间的关系生物质完全燃烧大概需消耗的空气,因此可根据所选值算出气化过程所需的进气量固定床气化过程中,当量比一般控制在 之间是气化过程中最重要的参数之一,不仅影响可燃气的成分和热值,而且影响氧化区的温度和可燃气中焦油含量随着当量比的不断提高,气化炉供给的空气量增加,气化炉的喉区或氧化区燃烧更剧烈,使得氧化区的温度短时间内急剧上升,从而通过传质和

10、传热作用带动干燥区热解区和还原区温度的升高;然而随着当量比的增加,带入的量也越多,作为一种热载体,跟随可燃气被抽出后,也将带走越来越多的热量,使得喉区或氧化区的温度逐渐下降,表列出了多种生物质在最优当量比时氧化区的温度( ),而要使焦油进一步裂解所需的温度至少为,因此选择合适的当量比还能降低粗燃气中焦油的含量表生物质下吸式气化炉参数及工艺结果生物质气化炉参数实验最优工艺和结果(气化剂都为空气)()产能炉径喉径高度冷气效率当量比热值()产气量()喉区温度参考文献榛子壳 污泥 木片 木刨花 木片 黄檀木 木片 榛子壳 颗粒状甘蔗渣 松木块 牛粪 注: 项产能单位为;项产能单位为为高位热值();为低

11、位热值();为燃气中不含成分许多学者对各种生物质原料气化工艺的最佳当量比进行了研究,记录了最佳当量比时的燃气热值氧化区温度产气量和冷气效率(表)发现其基本规律为:值越高,原料消耗量南京林业大学学报(自然科学版)第卷越大,产气量也越大;在达到最佳当量比值之前,可燃气中的和含量不断增加,随之热值也不断上升,一旦超过最佳当量比值,和的含量不断减少,和含量增加,随之热值也不断减少下吸式固定床气化炉以空气为气化剂时,产出的可燃气成分一般为: , , , ,其余为和极少量的,其中可燃成分一般占总体积的 ,可燃气热值为 下吸式气化炉的冷气效率一般为 表观速度()表观速度是指可燃气通过气化炉横截面上最窄部位的

12、速度(),之所以称为表观速度是由于气流必须通过炉内的炭床层和高温喉区,造成其流速比实际气流速度小,实际气流速度一般为表观速度的 倍研究表明,将会显著影响气体产率气体热值原料消耗量以及炭和焦油的产量等研究发现当为时,气化效果最佳,不仅气化炉效率高,而且可燃气中焦油含量低过低时,炉内热解气化速度减慢,炭和焦油的产率显著增加;相反,过高,炉内热解气化速度加快,炭产率下降,氧化区可燃气温度上升过高还会导致气体在炉内的停留时间减少,使得可燃气热值下降,燃气中焦油裂解不充分等研究了气体流速对生物质消耗率的影响,发现随着气体流速增加,生物质消耗率增加因为随着气体流速的增加,将带入更多的氧气,使得原料燃烧加剧

13、燃烧释放的更多能量还加剧了干燥和热解过程因此,在燃烧干燥和热解过程加剧的共同作用下,生物质消耗率增加物料特性(含水率化学成分物料形态)()含水率生物质进入气化炉后,生物质中自由水和结合水会在干燥区蒸发,这个过程需要消耗大量的热量若生物质含水量过高,必将使气化炉内反应温度降低,导致各反应区反应不充分,降低可燃气质量和产量,影响气化效果有研究发现随着物料含水量的上升,不仅使得原料消耗率降低,还会造成原料热解不充分可燃气质量下降,因此对于下吸式气化炉,原料的含水率要低于(干燥基),大部分的生物质都需要经过干燥预处理后才能进入气化炉等推导出可预测产气成分的平衡模型,发现在一定的情况下,可燃气中含量随着

14、生物质含水率的增加而增加()化学成分气化过程都是围绕生物质中碳氢氧种主要元素展开的,生物质中这种元素及其构成的化合物之间的化学反应构成了气化过程的主要反应是生物质中的主要可燃元素,可与氧发生氧化反应为其他吸热的气化反应提供热量,也是可燃气中和的元素的直接来源是生物质中仅次于的可燃元素,是可燃气中和的元素的直接来源元素在热解过程中被释放出来满足燃烧过程对氧的需求等,通过对榛子壳和污泥气化的研究,发现在相同气化条件下榛子壳产生的可燃气高位热值比污泥高(表),原因是污泥的几种主要化学成分含量都要比榛子壳低秦恒飞等通过对牛粪和猪粪的元素分析和热解研究发现,猪粪含量只有 和 ,热解干馏产生的气体的热值(

15、 )远远少于牛粪( ),而牛粪气化产生可燃气低位热值为 ,因此牛粪具有气化潜力,而猪粪不具备气化潜力()原料形态原料形态包括原料形状和尺寸(粒径),对生物质热解气化过程及产物分布有着重要影响对于秸秆和甘蔗渣等松散能源密度比较低的原料来说,气化前都需要挤压或者打包等预处理,提高其堆积密度等研究了种形态(团状团状和束状混合颗粒状)的甘蔗渣的气化性能,发现随着物料堆积密度的提高,可燃气的热值从 升到 ,可燃气产量从 升到 ,随着物料尺寸的减少,气化炉架桥次数先减少一半,最后不再出现架桥现象因此选择合适的原料形态可减少架桥烧穿并提高燃气热值对于木屑等粒径很小()的原料,粒径是影响气化过程中热裂解反应的

16、主要参数之一,因为它将影响热裂解过程的反应机制研究人员认为粒径在以下时,热解过程受反应动力学速率控制,而当粒径大于时,热裂解过程还同时受到传热和传质现象控制气化剂采用不同的气化剂,所产生的可燃气的成分和热值差异很大,气化剂主要有空气氧气水蒸气空气水蒸气富氧水蒸气等,表列出了以空气水蒸气氧气为气化剂的可燃气的热值范围对于固定床气化炉来说,无需成本的空气是研究最多使用最广的气化剂,但是只能产生低热值的可燃气,因为空气中大量的稀释了可燃第期马中青,等:下吸式生物质固定床气化炉研究进展气中可燃成分的浓度在气化剂中加入水蒸气时,可大大提高可燃气中的浓度,使热值上升等以氧气水蒸气作为气化剂,燃气的最高热值

17、可达 ,产率达到 (生物质)等以空气水蒸气作为气化剂,研究了生物质成分对气化燃气成分的影响,发现纤维素木聚糖木质素种成分单独气化产生燃气中成分为 表不同气化剂的可燃气的热值气化剂热值()等级空气 低热值水蒸气 中热值氧气 高热值综上所述,炉体结构不断朝着降低可燃气焦油含量提高燃气热值便于扩大规模等方向进行改善;工艺上从选择合适的气化剂种类合适的原料种类和预处理方法合适的当量比和表观速度上着手进行优化两段下吸式气化炉 两段下吸式气化炉结构在直筒式气化炉的基础上,为了进一步降低粗燃气中焦油含量,减少气体净化系统成本,提高内燃机的使用寿命,一些科研机构开发了两段式下吸式气化炉,分为两步进气气化炉(图

18、)和气化炉(图)丹麦技术大学()设计的名为的两段式下吸式气化炉,其有两个反应器,分别为热解和气化反应器,以空气和水蒸气混合作为气化剂,能产出高热值和低焦油含量的可燃气泰国的亚洲理工学院(),印度科学研究院()以及巴西的联邦伊塔茹巴大学()设计了两步进气下吸式气化炉,空气气化剂可通过气化炉的两个不同高度位置喷入气化炉和设计的两步进气下吸式气化炉是闭口式的,一步进气位置在气化炉干燥或裂解区,两步进气位置在气化炉氧化区(图)而设计的两步进气下吸式气化炉是开口式的,一步进气位置跟物料进入气化炉的位置一样,都在气化炉的顶部,而二步进气位置是在气化炉的氧化区(图 )图两段下吸式固定床气化炉结构两段下吸式气化炉研究现状丹麦技术大学()对气化炉进行了大量的研究,这种两段式的结构便于控制气化各阶段的温度,能产生极低焦油含量的可燃气等使用空气和水蒸气混合作为气化剂,研究了的气化炉可燃气中焦油含量和颗粒的特性,发现这种结构能够显著的降低可燃气中焦油含量,可以获得焦油含量低于的可燃气年,为了测试气化炉的长期运行能力,又设计了一种无需人工操作,能自动运行,以木片为原料的气化炉,进行了超过的热电联产()整个系统设计和运行情况由等进行了报道经过长期的测试发现,这种结构产生的可燃气中焦油含量少于,粗燃气中能检测到

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