生物质气化技术研究

生物质气化技术研究（精选8篇）

生物质气化技术研究 第1篇

生物质是指直接或间接利用光合作用所形成的有机物质, 是可以转化成可替代燃料和其他化学品的可再生资源, 生物质气化技术是生物质能源开发利用的最主要途径之一[1], 其基本原理是生物质在气化炉中经历一系列复杂的热化学反应, 由固态生物质能转化为气态高品位能源[2]。生物质气化制气原料获取广泛且可再生, 利用更, 应用范围广泛。

1 生物质气化技术简介

根据气化介质生物质气化技术分为空气气化、纯氧气化、水蒸气气化和空气- 水蒸气气化等[3]。空气气化条件简单, 适合大规模使用[4];空气- 水蒸汽气化既可实现自供热, 又可减少氧气消耗量[5,6]。按气化器类型, 分为固定床气化、流化床气化和旋风炉气化[7]。固定床气化生产能力小, 对细小颗粒和堆密度小的原料无法处理, 难以实现工业化, 发电成本高。流化床气化对原料适应范围小, 燃气中飞灰含量高, 不利于燃气净化处理, 运行成本高;系统结构复杂, 应用难度大。

旋风气化技术是针对稻壳和木屑等粒状原料的生物质气化技术。其优点:生物质随气流旋转运动, 气固混合充分, 反应剧烈;炉内容积热强度较高, 缩小炉内体积, 结构简单;对燃气中飞灰颗粒进行初步除尘;燃气中焦油含量低;旋风气化系统的可靠性和稳定性高, 能够满足气化发电、生产燃气等多种应用需求[8,9]。

2 生物质旋风气化技术国内外研究现状

2.1 国外研究现状

马来西亚理科大学Muhamad Azman Miskam等人[10,11]对木屑进行了空气旋风气化研究。其旋风气化炉的设计和开发是基于弗雷德里克松的设计, 修改了燃料和空气供给系统, 设计了带有1 个切向入口的公共回流旋风分离。其研究表明燃料粒径在0.25~1 mm范围内, 产气的热值在3.9 MJ/m3左右, 质量转化率最高可达到60%, 气化效率可达到73.4%。

英国Cardiff大学 (UWCC) C. Syred等人[12,13]和瑞典吕勒奥理工大学M. Gabra等人[14,15]都采用旋风气化器与旋风燃烧室联用技术, 使用两级空气气化/ 燃烧系统。气化气无需燃气净化直接通入旋风燃烧室, 减轻了灰分对后续设备的磨损等不良影响。

美国俄克拉何马州立大学Krushna N.Patil等人[16]借鉴了M. Gabra等人的设计思路, 利用研制的旋风气化器进行了不同空气当量比对气化效果的影响规律的实验研究。其气化气中H2体积百分含量为4.2%~6%, CH4为3.2%~4%, CO为1%~20%, 产气率为0.9~1.2 m3/kg。当空气当量比为0.15 时, 气化效果最佳。

Juan D M等人[17]搭建了1 个富碳物质气化制气的两级布风的下降气旋气化器, 该气化器安装了1 个浮动气体储存室来减小压力变化。对木屑两级给风旋风空气气化的研究表明, 在总空气流量20 Nm3/h、分级空气比率4∶1 情况下, 产气CO、CH4和H2含量分别为19.04%、0.89%、16.78%, 低位热值为4 539 k J/Nm3, 冷气化效率可达68%。

Kuprianov等人[18]设计了一种新型的稻壳燃烧装置, 其气化炉主体是在流化床的基础上, 在圆锥底部加装旋流给风装置, 给入的一次风产生气旋, 并在床层激流区给入二次风以作为气化介质, 在该实验台上研究了稻壳含湿量对稻壳的燃烧效率和有害气体排放量的影响。研究表明:当稻壳含湿量在20%~25%, 过量空气系数在0.4~0.5 时, 烟气中污染物含量较低, NO浓度为130×10-6~140 ×10- 6, CO浓度为350 ×10-6, 燃烧效率达99%。

Madhiyanon等人[19]研发了一种新式的旋风气化炉, 这种旋风流化床燃烧器包含了旋风炉和流化床燃烧的显著特点, 旋风涡流气流夹带燃料分成上下两部分燃烧。此气化炉燃烧效率在97%以上, 但由于其床层温度高, 烟气中NOx浓度较高。

瑞典吕勒奥理工大学M.Risberg等人[20,21]在一次给风的空气流旋风气化炉上研究了不同种类生物质对旋风气化炉中空气气化性能的影响。研究表明, 水分低于15%、粒径小于1 mm的生物质在空气当量比为0.27 时的气化效果较好, 气化气经过多级旋风分离、洗焦油和湿式静电除尘处理后, 泥炭、稻壳、树皮、木屑的低位热值分别为4.09、4.54、4.84、4.57 MJ/Nm3, 烘干后的燃料可达5.50 MJ/Nm3。

2.2 国内研究现状

华中科技大学郭献军等人[22,23]设计了一种新型的旋风气化炉, 其燃烧室、气化室结合为一体, 结构紧凑, 气化室温度较高, 微米级颗粒在一次风的携带下切向进入炉膛, 沿炉壁旋流向下, 从而分离了大颗粒未燃炭, 小粒径颗粒与烟气进入气化室再次反应。研究了生物质微米燃料 (BMF) 在旋风气化炉中的气化特性, 表明最佳空气当量比范围是0.28~0.31, 低位热值、碳转化率、气化效率最大分别可达4 308 k J/Nm3、76.56%、40.56%。

烟台大学张孟芝等人[24]应用了华中科技大学郭献军等人设计的气化炉, 研究了生物质微米燃料 (BMF) 在旋风气化炉中的空气气化特性。试验结果表明:当ER=0.28 时, 可燃气的含量达到最大的27.1%;随着BMF粒径减小, 气化效果显著提高。

宿凤明等人[25]利用自行设计的电加热多级送风的旋风气化炉对稻壳的气化特性进行了研究, 其原理是空气携带稻壳物料和半焦颗粒在气化器内做旋流流动的同时完成气化反应, 该反应器具有气固两相混合充分、传热传质快、反应过程可控等优点。

赵义军等[26]在宿凤明等人的基础之上, 进行了木屑的旋风气化特性研究, 研究了空气当量比和二次风对木屑气化的影响, 研究表明, 旋风气化系统可以正常产气, 产气低位热值为3.64~5.76 MJ/Nm3, 碳转化率为55%~67%, 冷气化效率为33%~47%, 气化气含量升高。

2.3 国内外研究现状简析

Juan D M等人[17]、马来西亚理科大学Mubamad Azman Miskam等人[10,11]设计的旋风气化器减小了炉内压力的波动, 但其对气化原料要求较高;瑞典吕勒奥理工大学所采用的气化炉与旋风分离器结构一致, 但由于其气旋速度需与设计值相同才能达到较好的气化效果, 因此其适用性较差;Madhiyanon等人[19]研发了一种新式的旋风气化炉, 其炉内反应充分, 但由于其床层温度高, 燃气燃烧份额增加。英国Cardiff大学 (UWCC) C. Syred等人[12,13]、美国俄克拉何马州立大学Krushna N.Patil等人[16]和瑞典吕勒奥理工大学M. Gabra等人[14,15]都采用旋风气化器与旋风燃烧室联用技术, 其气化气无需净化可直接通入旋风燃烧室, 减轻了灰分对后续设备的磨损等影响。Kuprianov等人[18]在流化床的基础上设计了一次给风的稻壳气化装置, 研究了稻壳含湿量对稻壳的燃烧效率和有害气体排放量的影响。华中科技大学郭献军[22,23]、烟台大学张孟芝等人[24]研究了微米级生物质颗粒旋风气化, 实验表明适当降低物料粒径可以提高燃气品质;哈尔滨工业大学宿凤明、赵义军等人[25,26]利用自行设计的旋风气化炉进行生物质气化实验研究, 表明该气化方式具有焦油含量低且污染小、燃气热值高, 可控性强, 炉内气固混合充分, 反应剧烈等特点。

3 结论

生物质旋风气化技术作为一种高效的生物质利用技术, 被相关研究者广泛关注。研究表明, 旋风气化是目前针对颗粒状生物质最具优势的气化方式, 其具有焦油含量低、污染小、热值高、可控性强等优点, 并且气化系统具有较高的可靠性和稳定性, 能够满足气化发电、生产燃气等多种应用需求。随着生物质气化技术的发展, 国内外对于生物质旋风气化技术研究逐渐深入, 把生物质旋风气化技术应用到我国规模化的产业发展中, 促进我国能源产业发展已成为必然趋势。

摘要：生物质气化技术是生物质高效利用技术之一。综述了生物质气化技术的应用和生物质旋风气化的发展。旋风气化技术是基于生物质热化学转化过程中热解和燃烧解耦的思想, 随着生物气化技术的发展, 把生物旋风气化技术应用到我国规模化的产业发展中已成为必然趋势。针对颗粒状生物质提出的一种气化技术, 具有焦油含量低、污染小、热值高、可控性强等优点。

生物质气化燃烧锅炉应用基础研究 第2篇

关键词：生物质；燃烧锅炉；玉米秸秆；燃料特性；性能模拟

中图分类号：S216 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）07-0024-02

生物质成型燃料具有与化石燃料相差很大的燃烧特性。在参考大量国内外相关文献资料基础上，研究东北地区玉米秸秆的燃料特性、致密成型规律以及玉米秸秆成型燃料的燃烧特性、积灰结渣特性和气化原理，在此基础上，经过几轮样机试制和结构改进，设计出专门的实验用生物质成型燃料气化燃烧锅炉。对其热工及排放特性进行试验研究，并利用数学计算软件MathCAD对典型生物质气化燃烧锅炉进行性能模拟计算，经过详实的数据处理及分析，取得了阶段性的成果，以期为生物质气化燃烧锅炉的应用提供理论依据。

1 生物质成型燃料燃烧应用条件分析

1.1 燃烧特性

以东北地区玉米秸秆为主要研究对象，经过工业分析和元素分析，同时与煤进行对比，发现玉米秸秆挥发成分、氢和氧的含量大，含碳量少，含硫量低，热值较高。其不仅具有良好的代煤效果，还具有优良的着火燃烧性能。但是，这些特性也使玉米秸秆在燃烧机理、反应速度及燃烧产物成分上与煤存在较大差异，必须对其进行试验研究，为研制相应的燃烧设备提供依据。

1.2 压制成型加热温度

成型压力是生物质成型燃料制备中的關键因素。通过试验确定：当成型压力过小（<10 MPa）时，成型颗粒或松散不能成型，或成型密度小，不能满足运输和贮藏需要；但压力达到一定值时，密度增加不明显，反而结焦变多，压缩功耗增加；成型压力在15～46 MPa范围内时，不仅能满足成型需要，并且表面光滑，密度适中。

适当的加热温度可使木质素软化粘结，对成型有利，但是温度过高会使挥发分析出量增大，甚至使物料碳化严重，失去使用价值。加热温度在160～200 ℃范围内，基本可以获得理想的成型效果。

1.3 替代煤的可行性

通过热重试验分析可知，秸秆成型燃料的燃烧过程在TG—DTG曲线上可分为3个阶段，即燃料脱水干燥阶段、挥发分析出和燃烧阶段、固定碳燃烧阶段。TG—DTG曲线表明，与散料相比，生物质成型燃料挥发分析出相对较慢，且燃烧所需要的氧与外界扩散的氧能很好匹配，从而能够使挥发分燃尽，炉温逐渐升高，燃烧相对稳定且波浪小，燃烧速度均匀。挥发分燃烧后剩余的焦炭骨架仍可保持层燃状态，确保燃烧持续稳定。生物质成型燃料改善了生物质散料的燃烧特性，使其具有燃尽率高、燃烧效率高、燃烧时无黑烟、烟气中烟尘含量少、灰渣中含碳量少、热重曲线无表观增重等优点。生物质成型燃料可部分或全部替代煤应用于工业锅炉中，能提高工业锅炉效率，减免脱硫设备及运行维护费用，节约能源，绿色环保。

1.4 结渣影响因素

生物质成型燃料结渣特性试验结果表明，生物质成型燃料有较严重的结渣倾向，变形温度为1 048 ℃，软化温度为1 112 ℃，只稍高于1 000 ℃。因此，为保证锅炉的安全运行，燃料层的温度最好不高于

1 000℃。

试验分析表明，影响生物质成型燃料结渣的因素主要有生物质燃料特性（碱金属含量高）、管壁表面粗糙度、燃料层厚度和锅炉运行工况等。

2 生物质成型燃料锅炉性能试验

2.1 热效率

生物质成型燃料锅炉的热工及排放特性试验结果表明：炉膛出口过量空气系数对排烟温度、锅炉热效率和燃烧产物中的CO、SO2、NOx含量具有明显影响；当炉膛出口过量空气系数α=1.58时，燃料燃烧充分，排烟损失及不完全燃烧损失小，锅炉热效率达78.9%，且锅炉排烟中的NOx、SO2等环保指标低于燃煤锅炉，具有良好的环保效益。

2.2 性能模拟

对生物质成型燃料锅炉进行性能模拟计算，为锅炉的优化设计提供理论依据。锅炉运行中，炉膛出口过量空气系数如果过大，会增加排烟容积，从而使锅炉热效率降低；过大的炉膛出口过量空气系数，还会使对流受热面的磨损加剧，影响锅炉安全运行。随着过量空气系数的增加，炉膛内各种阻力增加，能够增加运行的风机电耗。但是，过小的炉膛出口过量空气系数，有可能使燃料燃烧不完全，增加机械和气体不完全燃烧的热损失。炉膛和锅炉管束的结构设计也是影响锅炉运行的重要因素。炉栅面积过小，会使炉栅的工作条件变差，燃料层变厚，燃料层的通风阻力增大，锅炉的运行电耗增加。锅炉管束的横向相对节距过小，在烟气量不变的条件下，烟气速度增加，加剧对流受热面的磨损，增大阻力和风机电耗。横向相对节距变大，烟气速度减小，则对流管束容易积灰，同时增加对流受热面面积，使金属消耗变大，增加制造成本。将模拟计算结果与实际检测结果进行对比，确定该生物质气化燃烧锅炉在炉膛出口的过量空气系数α=1.5，炉栅面积R=4.0 m2；两组对流受热面管束均采用φ51无缝钢管，烟气横向冲刷的顺列管束，当第一管束横向相对节距s11/d1=1.96、第二管束横向相对节距s12/d2=1.78时，工作状况良好，热效率高，性能模拟热效率80.99%，实际平均热效率达82.75%，并且风机电耗合理，燃烧清洁环保。

2.3 实际推广价值

相关部门对已实际应用的生物质气化燃烧锅炉进行热工检测和环保检测，结果均表明，该种生物质气化燃烧锅炉完全符合国家相关标准，具有高效节能、绿色环保等特点，用户反馈良好、满意度高，值得在工程中广泛推广。

3 生物质燃料燃烧设备研究改进建议

研制生物质燃料相应烧设备时，需要对生物质成型燃料燃烧机理、动力学特性、结渣特性及燃烧设备的主要设计参数进行深入研究，涉及面非常广，包括生物质能利用、工程热力学、燃烧学、传热学、化学动力学、流体力学及锅炉原理等多方面知识。受试验条件和研究时间的限制，在诸多方面可能存在不足。

3.1 拓宽生物质种类及成型形状

主要针对东北地区玉米秸秆进行试验研究，所得结果较为单一。生物质种类多种多样，不同种类生物质之间存在差异，为更广泛的利用生物质能，使生物质锅炉能适应多种能源物质，需要全面了解不同种生物质成型燃料在燃烧设备中的燃烧规律。建议在今后研究中扩展生物质种类，研究不同形状的成型燃料，如棒状或块状。

3.2 改进试验条件

受试验条件及时间的限制，自行设计的加热式液压成型机和进行燃烧特性分析的热重实验台存在不足之处，需要进一步改进。对成型燃料的结渣特性研究以及生物质主要污染物排放变化规律的研究还不够深入，建议今后在这些方面进行更深入、细致的研究，为更好利用生物质能奠定基础。

3.3 选用更适应的模拟计算软件

受模拟计算软件的限制，对生物质成型燃料锅炉的研究不够深入，建议今后采用FLUENT或STARCD等流体计算软件对锅炉进行更全面、细致的研究，为生物质锅炉的改进提供理论依据。

参考文献

[1] 胡亚范，马予芳，张永贵.生物质能及其利用技术[J].节能技术，2007（4）：344-347.

[2] 吴根，白丽梅，于洋.生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨[J].环境学与管理，2008（1）：166-168.

[3] 罗小金.生物质颗粒成型燃料燃烧的实验研究[D].吉林：吉林大学，2008.

[4] 刘峰，孙建业.积极推进我国新能源的开发和利用[J].石油规划设计，2008（1）：8-10.

[5] 罗小金.生物质颗粒成型燃料燃烧的实验研究[D].吉林：吉林大学，2008.

生物质气化技术的研究进展 第3篇

本文主要介绍了生物质气化技术的原理, 生物质气化工艺及气化设备, 并对影响生物质气化装置的优化设计的各种因素进行了分析与讨论, 提出了生物质气化工艺过程亟待解决的问题, 为生物质气化的发展提供了一定的参考。

1 生物质气化原理

生物质的气化过程主要发生在500~1 400℃之间[6]。整个气化过程可分为四个阶段:加热和干燥阶段、热解阶段、氧化阶段和还原阶段[7]。

(1) 加热和干燥阶段

一般而言, 新鲜的生物质原料都含有质量分数为30%~60%的水分。因此, 该过程也即生物质的除湿过程, 在热量的作用下, 使原料中的水分蒸发出去, 得到干物料和水蒸气, 干燥阶段的温度大约为100~250℃。对于气化过程, 有学者研究发现生物质的湿度在10%~15%时气化效果最好[7]。

(2) 热解阶段

热解阶段是指生物质在初始加热阶段的脱挥发分或热分解, 热裂解阶段的主要产物有CO2、CO、H2、CH4、焦油及其它烃类物质等混合气体和固定碳, 热裂解阶段的温度大约为400~600℃[7]。

(3) 氧化阶段

氧化阶段是指气化剂中的氧气和热解产生的焦炭发生部分氧化反应, 生成CO2、CO和水蒸气, 同时也释放出很多的热量, 氧化阶段的温度一般可达到1 000~1 200℃, 氧化阶段发生的主要化学反应如下[7]:

(4) 还原阶段

还原阶段是指生物质经热分解得到的炭与CO2、水蒸气、H2发生反应生成可燃性气体的过程, 由于反应吸收一部分热量, 所以该阶段温度约为700~900℃, 该阶段的主要反应方程式如下[7]:

氧化阶段与还原阶段总称为气化阶段, 实际上, 上述的各个阶段之间并没有严格的界限, 是可以相互交叉渗透的[8]。

2 气化炉的类型

气化炉是生物质气化装置的核心部分, 其各部位结构尺寸将极大地影响气化炉的热效率、合成气组分和合成气的质量, 因此设计合理的生物质气化炉是有效利用生物质的关键。按照生物质与气化剂的接触方式的不同, 气化炉主要分为移动床气化炉、流化床气化炉两大类, 而固定床气化炉与流化床气化炉又有多种不同的型式, 下面就这两大类气化炉进行详细的介绍。

2.1 固定床气化炉

固定床气化炉是指生物质原料相对于传过床层的气流而言, 处于静止状态。结构比较简单, 由一个容纳原料的炉腔和承载生物质原料层的炉栅组成。一般而言, 该类气化炉适用于大颗粒物料。其优点是结构简单、运动部件少、制造容易、运行稳定, 对生物质原料及其粒径的要求不高, 但存在着处理量少, 内部气化过程难控制、生物质颗粒容易搭桥形成空腔等缺点。根据气流方向, 固定床气化炉又可细分为:下吸式气化炉、上吸式气化炉、横吸式气化炉以及开心式气化炉[9]。

2.1.1 下吸式气化炉

下吸式气化炉主要由内胆、外腔及灰室组成。内胆又分为储料区及喉管区, 其中储料区为燃料准备区, 喉管区为气化发生的区域。对于这两个部分而言, 影响气化效果的主要因素为储料区的容积、喉管区直径及高度。灰室位于炉栅下方, 用于暂时储存气化反应后的灰分以及没有反应完全的炭颗粒并定期排放。通过气化炉上部的加料口, 生物质颗粒直接进入到炉膛上部的储料区。内胆和外壁间的空腔实际上为合成气的流动通道[10]。

2.1.2 上吸式气化炉

该类气化炉运行时, 生物质颗粒由气化炉顶部加入, 依靠重力向下运动。炉栅支撑着生物质颗粒, 燃烧后的灰分和灰渣落入炉栅下方的灰室。气化剂由炉底进入气化炉, 生成的合成气从气化炉上部排出。在这类气化炉中, 气流向上流动, 方向和生物质颗粒的运动方向相反[11]。

2.1.3 横吸式气化炉

也称为平吸式气化炉, 生物质颗粒从气化炉顶部加入, 灰分落入到下部的灰室。该类气化炉的特点在于气化剂由气化炉的侧向提供, 合成气由对侧流出, 气流横向通过氧化区, 在氧化区及还原区进行热化学反应, 反应过程与其他固定床气化炉类似, 由于反应温度较高, 灰易熔融形成灰渣。因而, 这种气化炉一般适用于灰含量很低的生物质原料, 如木炭和焦炭等[12]。

2.1.4 开心式气化炉

开心式气化炉结构与气化原理与下吸式气化炉类似, 或者说, 该类气化炉是下吸式气化炉的一种特别形式。在开心式气化炉中, 转动炉栅代替了高温喉管区, 反应主要在炉栅上方的气化区进行。由于该类型的气化炉结构简单, 因此氧化还原区较小, 反应温度较低[13]。

2.2 流化床气化炉

流化床气化炉的出现比固定床晚很多。流化床气化炉既有采用惰性材料 (如石英砂等) 作为流化介质以强化传热, 也有采用非惰性材料 (石灰或催化剂) 促进气化反应速率。流化床气化炉的反应速度快, 产气率高。尤其适合水分含量高、热值低、着火困难的生物质原料。与固定床气化炉相比, 流化床气化炉的气化断面小, 气化效率高;对灰分要求不高, 生物质颗粒的粒径适应范围广;产气能力弹性高;此外, 还具有传热面积大, 效率高, 气化反应温度均衡, 结渣率低。但其不足之处在于:合成气的显热损失大;合成气中的带出物较多。流化床气化炉物料流动可分为鼓泡流化床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床气化炉、携带床气化炉。

2.2.1 鼓泡流化床气化炉

鼓泡流化床气化炉是最基本、最简单的流化床气化炉。生物质颗粒由分布板上方加入, 气化剂从气体分布板底部进入, 在流化床上同生物质原颗粒发生气化反应, 反应得到的合成气由气化炉出口进入到净化系统。由于鼓泡流化床气化炉的流化速度慢, 较适合颗粒较大的生物质原料。此外, 还存在飞灰和炭粒夹带严重、运行费用大等问题[14]。

2.2.2 循环硫化床气化炉

循环流化床的流化速度较高, 合成气中含有大量的为反应的固体颗粒, 因此在气化炉的出口安装旋风分离器。经过旋风分离器进行气固分离后, 未反应完全的炭粒返回至流化床, 重新参加气化反应, 通过循环提高了碳的转化率。该类气化炉适用于较小的生物质颗粒[15]。

2.2.3 双流化床气化炉

双流化床气化炉主要分为两部分, 即第一反应器和第二反应器。在第一反应器中, 生物质颗粒发生热分解反应, 生成气体排出后, 进入净化系统。同时生成的炭颗粒被分离后送入第二反应器, 在第二反应器中进行氧化燃烧反应, 待床层升高到一定温度后, 床料返回第一反应器, 为第一级反应器提供热源, 因此, 这类气化炉的碳转化率相对较高[16]。

2.2.4 携带床气化炉

携带床气化炉是一种特殊的流化床气化炉, 这种气化炉不使用惰性材料作为流化介质。由气化剂直接鼓动气化炉中的生物质颗粒, 在高温条件下进行气化反应。由于携带床的床截面较小, 要求生物质颗粒的粒径必须非常细小。气化过程中的运行温度较高, 通常可达1 100℃。这类气化炉的优点是产气中焦油及冷凝成分少, 碳转化率可达100%, 但由于气化过程的温度高, 炉体材料易烧结[16]。

3 气化过程的操作参数

生物质气化比燃烧过程更为复杂, 该过程的稳定高效运行取决于一些关键的操作参数, 必须对这些关键的参数进行优化。下面对相关的参数进行简介。

3.1 停留时间

停留时间, 顾名思义, 是表示生物质颗粒在气化炉中的停留的时间。为获得合成气, 必须保证生物质颗粒在炉中一定的停留时间。对于固定床而言, 停留时间较长, 对于流动剧烈的气化炉而言, 停留时间可适当的减少[17]。为获得适宜的停留时间, 需对气化炉的通风系统进行合理的设置。对于上述几种类型的气化炉, 固定床中的生物质颗粒的停留时间最长, 携带床的停留时间最短。在携带床中, 仅1~2 s左右, 生物质颗粒就被干燥、热解甚至气化[18]。

3.2 气化剂

由于价廉易得, 空气是最常用的气化剂, 但由于N2含量过高, 利用空气得到的合成气的热值相对较低。水蒸气作为气化剂得到的合成气的热值相对较高, 而水蒸气的价格也介于空气和氧气之间。氧气作为气化剂得到的合成气的热值最高, 但是氧气的价格也在上述三种气化剂中最高[19]。此外, Hernandez等[20]研究了上述三种气化剂混合比例对生物质气化的影响。

3.3 反应温度与压力

反应温度是最重要的参数之一, 必须对其进行精确控制, 否则易产生飞灰累积及烧结现象[21]。此外。研究表明, 温度升高增加合成气中的CO和H2的含量, 降低CO2, CH4和H2O的含量[22,23]。

根据操作压力不同, 气化过程可分为常压气化和加压气化。其中加压气化的效率更高, 生产成本也较大。同时, 压力的增大有利于合成气中焦油和焦炭的降低[24]。

4 结论

生物质气化技术概况与展望 第4篇

关键词：生物质能,气化原理,气化技术,气化设备

0前言

能源是人类生存与发展的前提和基础。人类文明的每一步跨越和进步都与所用能源种类及其利用方式紧密相连。根据2000年世界常规能源概况表明, 石油尚可开采40年。煤炭可开采460年, 天然气可开采62年[1]。能源和环境的双重压力, 使得人类不得不开始寻找一种相对比较清洁的可再生能源, 而生物质能就是目前比较理想的选择之一。

生物质能是指能够当做燃料或者工业原料, 活着或刚死去的有机物。我国是一个农业大国, 生物质能资源相当丰富, 全国每年农作物秸秆的产量约为7亿吨[2]。这些秸秆只有一部分被用作燃料、饲料, 绝大部分的秸秆资源直接被点燃, 一方面未得到充分合理的利用, 一方面, 秸秆的燃烧也污染了大气环境。

1 生物质气化原理

其基本原理是将物质原料加热, 伴随着温度的升高, 析出挥发物, 并在高温下裂解 (热解) ;热解后的气体在气化炉的氧化区与供入的气化介质 (空气、氧气、水蒸气等) 发生氧化反应并燃烧;燃烧放出的热量用于维持干燥、热解和还原反应, 最终生成了含有一定量CO, H2, CH4, Cn Hm的混合气体, 除焦油、杂质后即可燃用或者发电[3]。其原理可以用图1表示。

气化的基本原理是被气化物所含的固体碳, 在特定的条件下向一氧化碳转化的热化学过程。因此, 生物质气化技术包含2个内容, 即热化学过程和保证热化学过程顺利进行所需条件的装置。热化学过程是相当复杂的, 下述化学反应式可以近似地描述该过程[5]:

在上述5个化学反应式中, 式 (1) 是至关重要的, 通过式 (1) 的氧化反应所放出的热量使炉内的温度升高, 保证其余反应能够顺利进行。随着反应温度的升高, 气化速率随之加快, CO2含量减少, 可燃成分增加。如将上述5个化学反应式相加, 则得:

式 (6) 表明, 当75%的C元素被气化为可燃气体后, 余下的121k J热量已不足以驱动反应式 (2) , (4) 的进行, 而反应式 (3) , (5) 因为没有CO, H2也不能进行, 因此气化效率的最高值为75%左右, 余下的热量主要消耗在空气和原料的升温过程中, 气体和灰分也带出了大量的热[6]。

2 生物质气化技术发展概况

热解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。自1839年世界上第一台上吸式气炉问世以来, 气化技术已有160多年的历史, 但较大规模应用生物质热解气化技术, 则始于20世纪30、40年代, 第二次世界大战期间, 为解决石油燃料的短缺, 用于内燃机的小型气化装置得到广泛使用。从上世纪七十年代初开始, 受石油危机影响, 这一技术有了新的发展[7]。

国外生物质气化装置一般规模较大, 多用作气化发电、生物质燃气区域供热、水泥厂供气与发电联产、生物质气化合成甲醇或二甲醚以及生物质气化合成氨。以前两者最为主要。如在美国, 生物质能发电的总装机容量已经超过10000MW, 单机容量达到10-25MW。1999年, 瑞典地区供热和热点联产所消耗的能源中, 26%是生物质能[8]。我国的生物质气化主要是以户用的气化和取暖为主, 表1所示。

备注:1) 中国农业机械化科学研究院研制的ND系列生物质气化炉;2) 中科院广州能源所研制的GSQ型气化炉;3) 山东能源研究所研制的XFL系列秸杆气化炉;4) 大连市环境科学设计研究院用研制的LZ系列生物质干馏气化装置;5) 云南省研制的QL-50、60型户用生物质气化炉。

当然, 我国也在积极的研究生物质气化发电技术。我国沼气发电的研发历史已经有20多年, 在应用研究及设备质量上有一定的基础。我国的沼气发动机主要有两类:即全烧式和双燃料式。目前“沼气—柴油”双燃料发动机的研发引起了普遍的重视[9]。

3 生物质气化技术的关键设备

生物质气化是通过气化装置的热化学反应, 可将低效能的固体生物质转换成高效能的可燃气, 完成气化反应的装置称作气化炉, 因此气化炉自然是生物质气化过程中的关键设备之一。按床体的结构可将气化炉分为固定床气化炉和流化床气化炉2种。如图2, 给出了6种典型的气化炉结构图[4]。

按反应温度可将气化过程分为4个阶段, 4个气化阶段在炉体内4个不同区域内进行。由于结构不同, 各种气化炉的分区情况有所不同, 流化床炉内温度均衡, 其内部分区情况不十分明显。

一般来说, 直接燃烧对气体质量要求较低, 气化发电对气体质量要求较高, 特别是对气体内焦油含量要求较为严格 (表3) 。

固定床气化炉特点:

设备结构简单、易于操作、可以实现多种生物质原料的热解气化、投资少等。

流化床气化炉的工作特点:

气固接触混合良好, 停留时间都较短, 床内压力降较高, 受热均匀, 加热迅速, 气化反应速度快, 可燃气得率高, 炉内温度高而且恒定, 可燃气中焦油含量较小, 但出炉的可燃气中含有较多的灰分, 可频繁启停, 气化强度大、综合经济性好, 非常适合于大型的工业供气系统, 但结构复杂, 设备投资较多。

根据[4]总结出表4。

4 生物质气化性能的影响因素及评价指标[6]

4.1 生物质气化性能的影响因素

4.1.1 原料

在气化过程中, 生物质物料的水分和灰分、颗粒大小、料层结构等都对气化过程有着显著影响。

4.1.2 温度和停留时间

温度是影响气化性能的最主要参数, 温度对气体成分、热值及产率有重要影响。温度升高, 气体产率增加, 焦油及炭的产率降低, 气体中氢及碳氢化合物含量增加, 二氧化碳含量减少, 气体热值提高。

4.1.3 压力

采用加压气化技术可以改善流化质量, 克服常压反应器的一些缺陷。可增加反应容器内反应气体的浓度, 减小了在相同流量下的气流速度, 增加了气体与固体颗粒间的接触时间。最为明显的就是以超高压为代表的超临界气化实验, 压力已经达到35-40MPa, 可以得到氢体积分数为40%-60%的高热值可燃气体。根据中国科学院山西煤炭化学研究所开展的废弃生物质超临界水气化制氢的研究数据可以看出, 高压只需要较低的温度 (450-600℃) 就可达到热化学气化高温 (700-1000℃) 时的产气量和含氢率。

4.1.4 升温速率

加热升温速率显著影响气化过程第一步反应即热解反应, 而且温度与升温速率是直接相关的。不同的升温速率对应着不同的热解产物和产量。

4.1.5 气化炉结构

气化炉结构的改造, 如直径的缩口变径、增加进出气口、增加干馏段成为两段式气化炉等方法, 都能强化气化热解, 加强燃烧, 提高燃气热值。

4.1.6 气化剂的选择与分布

气化剂的选择与分布是气化过程重要影响因素之一。空气—水蒸气作气化剂, 产气率为1.4-2.5m3/kg, 低热值为6.5-9.0MJ/m3, 氢气体积分数提高到30%左右。上下两段的一、二次供风气化方式显著提高了气化炉内的最高温度和还原区的温度, 生成气中焦油的含量仅为常规供风方式的1/10左右。

4.1.7 催化剂

催化剂是气化过程中重要的影响因素, 其性能直接影响着燃气组成与焦油含量。

4.2 生物质气化性能的评价指标

气化性能评价指标主要是气体产率、气体组成和热值、碳转化率、气化效率、气化强度和燃气中焦油含量等。对于不同的应用场所, 这些指标的重要性不一样, 因此气化工艺的选择必须根据具体的应用场所而定。大量试验和运行数据表明, 生物质气化生成的可燃气体, 随着反应条件和气化剂的不同而有差别。气体产率一般为1.0-2.2m3/kg, 也有数据为3.0m3/kg。气体一般是含有CO、H2、CO2、CH4、N2的混合气体, 其热值分为高、中、低3种。气化热效率一般为30%-90%, 依工艺和用途而变。碳转化率、气化效率、气化强度由采用的气化炉型、气化工艺参数等因素而定, 国内行业标准规定气化效率≥70%, 国内固定床气化炉可达70%, 流化床可达78%以上。

5 生物质气化技术展望

我国生物质能资源极为丰富, 每年秸秆产量约7亿吨, 相当于4亿吨标准煤。随着农村整体经济实力增强, 对高效能的洁净气化能源的需求增大, 生物质能必将与太阳能、风能、地热、沼气等一起被列为农村能源开发与利用的重点。

但同时也应考虑到生物质原料的分散性, 不易收集, 建议发展中小规模的生物质高效气化系统, 努力降低焦油含量。其次还应考虑到生物质原料的季节波动性, 建议气化技术应该适应多种原料, 特别是劣质原料。对于生物质资源比较丰富、相对集中且电力比较紧张地区, 建议优先发展供气与发电联产模式。对于经济发达农村, 可考虑发展生物质气化集中供气与生物质燃气空调联合模式。我们有信心相信生物质气化技术在我国的应用前景将是无可限量的。

参考文献

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我国生物质气化技术概况与发展 第5篇

关键词：生物质气化,发展现状,关键设备

0 引言

能源是人类赖以生存的物质基础,是国民经济的基本支撑。我国是能源消费大国,当前能源供应主要依靠煤炭、石油和天然气等化石能源,而化石能源资源的有限性及其开发利用过程对环境生态造成的巨大压力,严重制约着经济社会的可持续发展。同时,我国又是一个农业大国,每年有大量的农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工副产品和能源作物等植物生物质产生。而生物质气化技术正是以植物生物质为原料,采用热解法及热化学氧化法在缺氧条件下加热,使其发生复杂的热化学反应的能量转化过程,在反应条件下按照化学键的成键原理,变成一氧化碳、甲烷、氢气等可燃性气体的分子。最终利用这些气体进行集中供气、发电,从而可在某些情况下替代现有的煤电以及天然气。其不仅减轻了因焚烧秸秆而对环境造成的污染,而且提高了秸秆的利用效果,并为能源的可持续发展提出了有效途径。

农业生物质能不仅具有可永续利用,具有环境友好和可再生双重属性,而且发展农业生物质能产业,突破传统农业的局限,利用农产品及其废弃物生产新型能源,拓展了农产品的原料用途和加工途径,提升产品的附加值和市场竞争力,有利于转变农业增长方式,发展循环经济,延伸农业产业链条,提高农业效益,拓展农村剩余劳动力转移空间,在促进区域经济发展、增加农民收入等方面大有可为。因此,生物质气化技术已成为我国能源及农业研发领域的一个热点内容。

1 生物质气化原理

生物质气化技术是一种热化学处理技术,通过气化炉将固态生物质转换为使用方便而且清洁的可燃气体,用作燃料或生产动力。其基本原理是将生物质原料加热,生物质原料进入气化炉后被干燥,伴随着温度的升高,析出挥发物,并在高温下裂解(热解);热解后的气体和炭在气化炉的氧化区与供入的气化介质(空气、氧气、水蒸气等)发生氧化反应并燃烧;燃烧放出的热量用于维持干燥、热解和还原反应,最终生成了含有一定量CO,H2,CH4,CnHm的混合气体,去除焦油、杂质后即可燃用或者发电[1]。生物质气化原理如图1所示。

2 我国生物质气化技术概况

我国生物质气化技术研究始于20世纪80年代初期,至今已开展了生物质能转换技术以及装置的研究和开发,形成了生物质气化集中供气、燃气锅炉供热、内燃机发电等技术,把农林废弃物、工业废弃物等生物质能转换为高效能的煤气、电能或蒸汽,提高生物质能源的利用效率,实现以生物质替代气、油和煤的新型能源[2]。生物质气化集中供气即将生物质气化炉产生的气体通过净化除焦、除尘后通过用户管网送至用户以实现供暖、供热、供电。生物质气化集中供气系统工艺流程如图2所示。

1.上料器2.气化炉3.净化器4.分离器5.罗茨风机6.沉淀器7安全阀8.贮掘柜9.用户管网

我国通过消化吸收国外先进技术与自主创新并举,目前已研制出集中供气和户用气化设备,形成了多个系列气化炉产品,已进入实用化试验及示范阶段,可满足多种物料的气化要求,在生产、生活用能和发电、干燥、供暖等领域得到了一定利用。国内中科院广州能源所、山东能源研究所、大连市环境科学设计研究院及中国农业机械化科学研究院作为国内的生物质气化早期研究机构,相继研发了以下产品:中科院广州能源所对上吸式生物质气化炉的气化原理、物料反应性能进行了大量试验,研制出GSQ型气化炉;山东能源研究所研制的XFL系列秸秆气化炉在农村集中供气中得到了一定的应用;大连市环境科学设计研究院研制Lz系列生物质馏热解气化装置建成了可供1 000户农民生活用燃气的生物质热解加工厂;中国农业机械化科学研究院研制的ND系列生物质气化炉,其中ND-600型气化炉已在生产中得到了一定应用,并取得了一定的效益;云南省研制的QL-50和QL-60型户用生物质气化炉已通过技术鉴定并在农村进行试验示范。

在我国生物质气化技术不仅在集中供气方面有应用,科研单位又将生物质气化技术进行衍生,利用生物质气化技术发电,并且取得了良好的经济效益和社会效益[3]。生物质气化发电技术的基本原理,是把生物质转化为可燃气,再利用可燃气推动燃气发电设备进行发电。气化发电过程主要包括3个方面:一是生物质气化,在气化炉中把固体生物质转化为气体燃料;二是气体净化,气化出来的燃气都含有一定的杂质,包括灰分、焦炭和焦油等,需经过净化系统把杂质除去,以保证燃气发电设备的正常运行;三是燃气发电,利用燃气轮机或燃气内燃机进行发电,有的工艺为了提高发电效率,发电过程可以增加余热锅炉和蒸汽轮机[4],典型的系统如图3所示。

生物质燃烧发电是将生物质与过量的空气在锅炉中燃烧,产生的热烟气和锅炉的热交换部件换热,产生的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功发出电能。生物质燃烧发电的技术已基本成熟,已进入推广应用阶段,这种技术在大规模下效率较高,单位投资也较合理,但它要求生物质集中,数量巨大[5]。

我国有着良好的生物质气化发电基础,在20世纪60年代就开发了60k W的谷壳气化发电系统,目前160~200k W的生物质气化发电设备在我国已得到小规模应用,显示出一定的经济效益[6]。辽宁省能源研究所于2006年6月在意大利建成的流化床生物质气化发电系统,采用木屑或稻壳为原料,发电量160k W;江苏吴江县生产的稻壳气化炉,利用碾米厂下脚料驱动发电机组,功率可达160k W,已进入示范应用阶段;MW级的中型BGPG系统也已在近些年研究开发出来,1998年10月中科院广州能源所完成1MW级的生物质循环流化床气化—内燃机发电系统(GIEC),5台200k W发电机组并联工作,由于受气化效率与内燃机效率限制,效率低于18%,单位电量生物质消耗量一般大于112kg/(k W·h)。在此基础上中国科学院广州能源研究所还在海南三亚建成了国内首个生物质木屑气化发电厂并于2000年下半年投入运行;中国林科院林产化学工业研究所以稻草、麦草等软秸秆和稻壳等农业剩余物为原料,并建成生物质气化发电装置,已经投入运行,具有明显的直接经济收益。设备正常运行时,每年可处理约3万t多秸秆、稻壳、木屑等生物质废料,每年大大减少CO2的排放[7]。

3 生物质气化技术的关键设备

生物质气化是通过气化装置的热化学反应,可将低效能的固体生物质转换成高效能的可燃气,因此气化炉自然是生物质气化过程中的关键设备之一。我国使用的生物质热解气化技术,主要有固定床、流化床和直接干馏热解3种工艺形式。固定床气化炉工艺一般采用空气为气化剂,气流方式有上吸式、下吸式或是平吸式,特点是设备结构简单、易于操作、可以实现多种生物质原料的热解气化、投资少等。但是得到的生物质燃气热值低,通常在4 200~7 560k J/m3之间,属低热值可燃气,且生物质气焦油含量高,容易造成管路堵塞。流化床气化炉的工作特点:气固接触混合良好,停留时间都较短,床内压力降较高,受热均匀,加热迅速,气化反应速度快,可燃气得率高,炉内温度高而且恒定,可燃气中焦油含量较小,但出炉的可燃气中含有较多的灰分,可频繁启停,气化强度大、综合经济性好,非常适合于大型的工业供气系统,但结构复杂,设备投资较多,常见的气化炉类型如图4所示。直接干馏热解的特点是生物质在隔绝空气条件下进行热分解,产物为固体炭、液体的木焦油和木醋液、可燃性气体,生产过程须外加能源[8]。各气化炉的工作原理及气流走向如图5所示。

生物质气化产出物除可燃气外,还有灰分、水分及焦油等物质[9]。大部分灰分由炉栅落入灰室,可燃气中的灰尘需经除尘装置分离出,然后将可燃气供给用户或者发电机使用[10]。收集到的灰分进一步处理,可加工成耐热保温材料,或提取高纯度的Si O2,也可用作肥料。因此,通过除尘装置将可燃气体中的灰尘分离出来,不仅可以提高可燃气的质量,减少对设备的损伤以及管道的堵塞,并且还可以提高产品附加值。

4 制约生物质气化技术快速发展的主要问题

1)焦油问题。焦油问题是影响气化气使用的最大障碍,除了气化供热,气体燃料直接用于燃烧以外,无论是用于发电或供气,都有焦油问题。焦油会堵塞管路,污染气缸,堵塞火花塞或燃气孔,使发电与供气无法正常运行,还会引起二次污染。因此,焦油问题是气化发电技术的关键之一。解决焦油问题最彻底的方法就是把焦油裂解为永久性气体。目前虽有焦油热裂解与催化裂解的试验,但距实用仍存在一段距离,因此目前要解决焦油问题还应加大力度研究焦油裂解的经济实用方法[11]。

2)二次污染问题。为了处理生物质气化中产生的焦油和对气体进行除尘,气化装置、净化装置需用大量的水作为除尘、除焦介质。除尘、除焦后的水含有焦油和灰分等有害物质,在排放前需进行无害化处理,并尽可能循环使用,使排放的废水中有害物质高于环保要求,从而减少由于除焦、除灰带来了二次污染。对于灰污染问题处理比较简单,只要提高气化效率,并对灰进行煅烧处理,即可满足要求。对于废水问题,就比较难处理,根本方法就是减少焦油的产生,因为其主要来源于水洗除焦油[12]。

3)气体热值偏低问题。由于生物质气化气可燃成分少,热值一般是天燃气热值的1/17~1/7,热值偏低。为了满足热负荷的要求,就要消耗大量的气体,这就使得贮气柜体积增大,使贮气柜的投资增加。

4)提高气化技术的经济效益问题。目前已经建成运行的气化站,多数将燃气供给农民炊事之用,除极少数冬季运行的气化站产出气应用于采暖外,其它的应用形式很少,这样就影响了气化气的运行效果,气化机组闲置时间较长(一般只运行2~3h/d),售出气量少,影响了气化站的经济效益,同时在一定程度上也影响了气化站建设单位或个人的积极性。

5 生物质气化技术展望

显著的技术优势和良好的经济性构成了生物质气化技术装备进入市场的基本动力[13]。可以预见,随着农村整体经济实力增强,对高效能的洁净气化能源的需求增大,生物质能必将与太阳能、风能、地热、沼气等一起被列为农村能源开发与利用的重点,而且其市场覆盖面会越来越广阔。同时,生物质气化技术具有原料可再生及对环境友好的特点,因而受到关注程度越来越高,并在过去几十年里取得了重要进展,尤其是近20年我国在生物质气化发电研究方面已经取得了相当的成就,目前正是该技术步入商业化运用的关键阶段。

浅谈生物质气化发电技术及应用潜力 第6篇

生物质能是绿色植物 (包括蓝绿藻和光合细菌) 通过光合作用, 在太阳光能驱动下把二氧化碳和水合成有机物, 从而把太阳光能变成化学能贮存在生物质中的能源。虽然光合作用太阳光利用效率平均不到0.5%, 但每年全球积累的生物质能总量达到约1800×108t, 蕴含的能量相当于目前全球总能耗的10倍[1]。有代表性的生物质有农作物秸秆、林业加工边角料、速生植物和动物粪便。就目前总量来讲, 生物质能源已经成为世界第四大能源和首屈一指的可再生能源, 仅次于煤炭、石油和天然气。在所有可再生能源中, 生物质能是唯一可储存, 可运输, 可持续利用的能源, 在未来能源结构中占有重要地位。

目前许多国家都制定了生物质能发展规划并取得了较大的成果, 主要集中在供热供电, 制取液体、气体燃料两大方面。截止到2004年, 全世界生物质发电装机39000MW, 年发电量2000×108kW·h, 是风能、太阳能等其他可再生能源发电量的总和。在瑞典和丹麦, 以生物质为燃料的小型热电联产 (10～20MW) 已成为重要的发电供热模式, 2002年, 瑞典能源消费量相当于7300×104t标准煤, 其中生物质能提供了1150×104t标准煤[2]。在美国, 生物质发电装机总容量超过10000MW, 主要分布在纸浆、木材等农林加工企业, 成为大量工业生产用电的选择。

我国生物质发电起步晚, 有许多技术和政策需要不断创新和实践, 以适应节能减排、优化能源结构和新农村建设的时代要求。目前我国大部分农作物秸秆因得不到有效利用而被焚烧, 不仅浪费了资源, 还造成了严重污染;众多粮食、木材、坚果等加工厂, 每年产生大量的稻壳、木屑, 刨花、果壳等废弃物, 由于缺乏合适的消化渠道而被随意处置;一些边远地区, 生物质资源丰富, 属于缺电少电地区, 可利用生物质发电技术就地取材, 为当地供电供热供气。为推动生物质能的发展, 各级政府制定了生物质能发展规划。《可再生能源中长期发展规划》计划到2020年生物质发电装机容量达到30000MW, 生物质能利用量占到一次能源消费量的4%。云南省《十二五生物质能发电发展规划》计划到十二五末全省生物质发电装机规模达到279.1MW。

2 生物质能发电技术

利用农林生物质进行发电的技术有直接燃烧发电、热解气化发电和沼气发电。本文着重前两个发电技术。两种发电各有优劣, 当前两种发电技术路线对比见表1。

2.1 生物质气化发电

生物质气化发电技术就是以生物质固体原料为燃料, 通过与气化剂 (空气, 水蒸汽, 氧气等) 在控制的温度下发生反应, 得到可燃气体进而带动发电机组进行发电的技术。生物质燃气也可用于供热、居民用气和化工原料气。

按照气化剂的不同, 气化技术主要有干馏气化, 空气气化, 氧气气化及水蒸汽气化等。由于空气随处可得, 空气中的氧气可与部分生物质原料燃烧提供气化热量, 因此空气气化设备简单, 容易实现, 得到广泛应用。

根据炉型来区分, 气化设备有固定床、流化床和气流床三种, 最常用的为固定床和流化床两种, 如表2所示。固定床又分为上吸式、下吸式和侧吸式, 对原料尺寸要求比较宽泛, 但是在规模放大时遇到困难, 因此只适用于小型气化发电系统。对于大中型生物质气化系统, 多采用流化床气化技术。流化床气化炉反应速度快, 炉内温度均匀, 控制方便迅速, 可在25%～120%负荷范围内稳定运行, 在当前大规模生物质气化发电工程中得到广泛应用。

生物质气化发电有多种模式可供选择, 如图1所示[3]。采用燃气蒸汽锅炉生产高温高压水蒸汽推动汽轮机发电机组技术, 可以减少生物质直接燃烧造成锅炉结渣的风险。生物质燃气也可在燃气轮机中做功, 推动发电机工作。燃气轮机需要高压燃气才能获得较高效率, 需要加压气化炉与之配合, 且燃气轮机在我国市场上技术不成熟, 造价较高, 没有得到大量应用。目前得到广泛应用的是燃气内燃机技术路线, 采用低速内燃机 (500r/min) 可获得满意的运行效果。对于大中型生物质气化发电, 采用联合循环技术可以提高整体发电效率。

由于生物质原料的限制, 生物质气化技术的装机规模不宜太大。当生物质原料比较集中在一点时, 优化规模是6.2×104t/a, 当生物质原料集中在多个点时, 优化规模是9×104t/a[4]。从原料收集优化数据可得出, 相应的优化装机规模为6～9MW。根据我国目前技术水平, 即使是经济效益较好的生物质气化联合循环发电系统, 装机规模超过10MW时规模经济效益将不再明显[5]。

2.2 生物质直燃发电

生物质直燃发电工艺与传统的燃煤发电类似, 主要有锅炉、汽轮机和辅助设施组成。如图2所示, 生物质原料经过破碎干燥后送入锅炉内燃烧, 锅炉产出高温高压蒸汽, 高温高压蒸汽推动汽轮发电机组发电。锅炉排出的灰渣可作为无机肥料返田。也可根据项目点的具体情况建设生物质热电联产电厂, 增加能源利用效率。

虽然燃烧生物质和煤炭所使用的技术类似, 但是由于燃料性质不同, 致使在燃料供应、锅炉技术等方面大不相同。使用生物质燃料主要面临的问题是腐蚀、结渣和机组效率。

未获得较高的发电效率, 生物质直燃发电规模较大, 一般为10～30MW。多年来, 很多直燃发电项目遇到了原料收集供应方面的问题, 这是由生物质资源的季节性、分散性与生物质发电的连续性、集中性的矛盾引起的。根据实践经验, 对于装机容量为25MW的机组, 燃料成本占到50%, 建设成本占到35.5%, 全部投资的内部收益率为7.76%, 动态投资回收期16.5年, 虽能满足盈利要求, 但低于电力行业平均水平[6]。因此直燃发电项目不宜偏大, 应因地制宜, 选择合适的规模。

3 两种发电技术的比较

3.1 设备投资

生物质气化发电投资强度较低, 单纯的气化发电系统的造价约5000元/kW, 生物质气化联合循环发电系统的造价约6500元/kW[7]。生物质气化发电最小可以做到几十千瓦而能保持较为满意的发电效率, 因此气化发电的总投资较小, 见效快[8]。对于大型的生物质气化发电系统, 单位投资会有所下降, 效益更好。

生物质直燃发电厂的投资成本太高, 一般生物质直燃发电的造价约10000元/kW, 远高于煤炭发电机组的4000元/kW[9]。我国建成的首个生物质直燃发电厂——国能单县生物质发电项目, 造价高达13000元/kW。一个最小的生物质直燃机组 (6MW) 投资约需要6000万元, 目前投入运行的生物质直燃发电厂的装机规模一般在12～30MW, 对于一般中小企业, 特别是有生物质原料又需电的农林加工企业, 一次投资太大, 从而限制了它的推广利用。

3.2 生物质原料的影响

1) 生物质原料收集比较困难:

这个问题是生物质能规模化利用面临的最大难题。北欧等发达国家依靠大农业模式和其发达的农业机械, 将农作物秸秆在田间收获时就打成捆, 方便运输。这在我国现行条件下是较为困难的[10]。我国大部分地区是以农户为生产单位, 耕地面积小且分散, 生物质原料的收集、储存和运输尤其困难。根据一些产粮大省的情况, 每户每年的秸秆获得量仅为2～3t, 扣除饲料、返田等用途, 可收集的大约有1～2t。对于一个装机25MW的生物质直燃电厂而言, 每年消耗生物质原料20×104t, 需要从约10×104户农户中收集。由于秸秆产生的季节性强, 无论对收购的组织还是收集成本控制都是一个极大的考验。装机25MW的直燃电厂每天燃烧约500t燃料, 在我国农村, 主要运输工具是1～5t的小型运输车, 每天需要几百次运输。由于秸秆密度小, 不便于运输, 扩大运输半径将大大增加燃料成本。

生物质电厂运行成本中原料费用占到50%左右, 装机规模越大, 消耗的原料越多, 就越容易引起局部地区燃料价格上涨。这与电厂设计时的原料成本估算相差很大, 从而导致本来经济效益很好的项目建成后却不能盈利。由于生物质直燃电厂只有在大规模的情况下才具有较高的发电效率和经济效益, 因此它适用于生物质资源丰富、集中, 收集成本能够有效控制的地区, 如大型的木材加工厂、现代化农场。

生物质气化发电由于规模灵活, 可根据情况选择发电形式, 特别适用于那些规模不大的农林产品加工企业, 作为自备电站使用。针对生物质原料分散的特点, 可采用不同规模和多种发电模式, 同时又能获得满意的效率。

2) 生物质原料灰熔点较低, 碱金属及氯元素含量高:

生物质原料的灰分中含大量的钾、钙等碱性元素, 灰的高温污染性严重, 主要表现为结渣和沾污。对于云南省有代表性的木屑和烟秆, 其灰分熔点 (变形温度) 分别为1220℃和1070℃, 木屑灰属于中等结渣性, 烟秆灰属于严重结渣性[11]。对于玉米秆, 稻秆和麦秆等黄色秸秆, 其灰分中钾、钠等碱性元素含量更多, 其中钾含量平均在10%左右, 造成其灰分的变形温度更低, 分别为1040℃, 1010℃和950℃, 均属于严重结渣性[12]。锅炉炉膛内燃烧温度一般在1100～1300℃, 极易引起结渣, 影响正常运行。

一些快速生长的生物质, 如秸秆、杂草、树叶等, 其含氯量较高, 这是由于生物质生长特性决定的[13]。在较低的温度下 (600～700℃) 氯元素和碱金属元素就会挥发, 遇到较冷金属凝结生成氯化物, 由于氯化物稳定性差, 又被氧化, 逐渐引起金属管壁的腐蚀[14,15]。

生物质锅炉使用草本类生物质原料时, 会产生严重的腐蚀。丹麦、芬兰等发达国家在开展生物质直燃发电过程中也遇到类似的问题。为了避免腐蚀, 一般采取降低蒸汽温度 (低于520℃) 和选用特种钢材两种手段。前者造成系统发电效率下降, 后者造成系统建设成本上升。

对于生物质气化技术而言, 由于炉内金属部件很少, 使得气化炉的腐蚀问题大大减轻。固定床由于存在温度为1100℃左右的氧化区, 容易造成结渣。流化床气化炉运行温度一般在650～850℃, 避免了灰分结渣的风险。

3.3 技术成熟性

我国生物质直燃发电技术水平较低, 缺乏研发能力。由于难以解决生物质燃料的结焦和腐蚀问题, 早期安装的生物质直燃电厂的锅炉大部分依靠进口[16]。生物质锅炉的设计和运行方式的选择应从不同种类生物质的燃烧特性出发, 才能保证生物质燃烧设备运行的经济性和可靠性, 提高生物质开发利用的效率。应加大研发力度, 实现生物质直燃发电的设备的全部国产化, 降低单位投资, 促进直燃发电在合适的地区得到发展。

生物质气化发电技术在我国开发较早, 设备已经全部实现国产化。发电设备主要采用气体内燃机, 目前我国成熟的生物质燃气内燃机单机最大功率为500kW, 并联多台内燃机可获得更大的装机容量。目前主要存的问题是焦油的去除和适合大规模高效率应用的加压气化技术。传统技术中主要靠水洗和过滤的方法去除焦油, 现在主要采用高温裂解和催化裂解的方式, 使绝大部分焦油转化为不凝性可燃气体, 然后再通过水洗和电捕焦油器除去残余的焦油。洗涤水通过水处理设施将焦油和灰尘除去再生, 避免二次污染。生物质加压气化技术对于大规模高效率生物质气化联合循环发电而言是至关重要的技术, 国内尚没有开展系统的研究。

4 生物质气化发电技术应用潜力

云南省是生物质资源大省, 有着丰富的生物质资源。林业用地3.64×108mu, 居全国第二位, 是全国四大林场之一;耕地面积670×104 hm2。全省农作物秸秆可利用资源量约750×104t, 林业废弃物可利用资源量约2200×104t。丰富的生物质资源为生物质能源的开发利用奠定了坚实基础。

全省土地面积按地形看, 山地占84%, 高原、丘陵约占10%, 坝子 (盆地、河谷) 仅占6%。全省129个县 (市、区) 中, 除昆明市的五华、盘龙两个城区外, 山区比重都在70%以上, 其中110个县山区面积占全县总面积90%以上, 有18个县99%以上的土地全是山地[17]。与平原地区相比, 同样的收集半径下, 收集成本和收集难度加大。即使在山东、河南等地势平坦的地区, 建设几十兆瓦级的生物质直燃发电厂, 目前盈利的都很少, 如果要在云南建设同样级别的生物质直燃发电厂, 经济性更加难以保证。

根据云南省生物质资源情况等特点, 昆明电研新能源科技开发有限公司提出了生物质气化发电多联产系统, 如图3所示。采用生物质部分气化技术, 将生物质原料转变为燃气和生物炭粉, 生物炭粉被送到生物炭加工线, 被做成具有一定形状的性质各异的生物质型炭, 满足云南省工业硅行业的碳还原剂需求 (需求30×104～40×104t/a) 和民用炭需求。燃气经过催化剂床层裂解99%的焦油后进入燃气降温净化单元, 进一步将燃气中的灰尘和参与焦油去除。洁净的燃气进入燃气内燃机中发电, 燃气内燃机尾气排放温度在520～570℃之间[18], 可作为余热蒸汽发生器的热源。余热蒸汽发生器产生压力为1.3～1.5MPa的饱和蒸汽, 推动小型饱和蒸汽汽轮机做功发电。余热蒸汽发生器的尾气温度约170℃, 被送到生物质燃料制备单元烘干原料。燃气净化设施产生的废水, 经过气浮等水处理设备后循环利用, 水处理产生的炭粉、焦油等沥水干燥后后送入气化炉再利用。调节系统运行状况以得到不同比例的产品满足市场需求, 做到经济效益最大化。

东南亚地区共有11个国家, 大部分国家都是农业国家, 由于气候地域等各种原因, 农作物及林业资源丰富, 如每年水稻种植产生的废弃物总量约26000×104t, 玉米秸秆约2100×104t, 林业废弃物约16000×104t。

云南省作为面向西南开放的桥头堡, 应该抓住机遇, 大力向东南亚国家推介生物质发电技术, 促进云南省本土生物质能企业对外技术及产品输出。对中小型企业和比较密集的居民点, 可以采用生物质气化发电;对于一些有条件的地方, 可以推广生物质直燃发电。通过生物质发电技术的输出, 翻过来促进云南省桥头堡建设。

5 结论

生物质能资源和气化技术 第7篇

关键词：生物质,气化参数,气化原理

1 生物质能资源利用

生物质是指生物体通过光合作用生成的有机物, 包括所有的动物、植物、微生物以及这些生命体排泄和代谢所产生的有机物质[1]。

生物质能是人类利用最早的能源之一, 分布极广, 产量巨大, 具有可再生和成本低等优点。据估计, 每年由植物光合作用固定下来的碳约2×1011t, 蕴含约3×1021J能量, 当于每年世界耗能总量的10倍, 发展潜力巨大。

生物质能是人类一直赖以生存的重要能源之一, 在远古时代人们就以生物质能为能量来源加以利用[2]。生物质能在全球能源消费中仍占有重要份额 (15%) , 仅次于煤、石油和天然气, 居于世界能源消费总量的第4位。

2 国内生物质能发展现状

我国是一个人口众多的农业大国, 生物质能十分丰富, 在我国的能源结构中占有相当重要的地位。我国每年农村的秸秆量约7亿吨, 相当于5亿吨标准煤。另外, 我国的林业废弃物每年约3700万立方米, 相当于2000万吨标准煤。若加上畜禽粪便、城市垃圾和工业废水等, 我国每年的生物质资源量可达6亿吨以上标准煤。

目前, 中国生物质能的五大战略产品是燃料乙醇、成型燃料、工业沼气、生物塑料和生物柴油。

3 生物质气化原理

生物质能的开发利用十分重要, 同时也有多种利用技术, 如液化、堆肥、压缩成型、气化等。现在, 开始介绍生物质能利用技术中的一种—气化。

生物质气化即有氧化剂参与的热解过程, 指生物质中碳、氢在高温条件下利用空气中的氧气或含氧物质作为气化剂, 反应得到小分子可燃气体的过程。燃气中的主要成分有CO、H2、CH4、CO2、N2等, 可燃气成分主要是CO、H2和CH4。

3.1 气化过程

气化一般的基本反应包括:干燥、热解、还原和氧化这四个反应。现在大部分气化反应都是空气气化, 反应中氧气与生物质中可燃组分发生氧化反应, 放出热量, 为其他过程提供所需热量。总反应可写为:

CH1.4O0.6代表的是生物质分子式。由于空气中含有79%氮气, 不参与反应并稀释了燃气中可燃组分的含量, 因此燃气热值较低, 仅为4—6MJ/m3。

3.2 气化参数

规定一些参数用以较好的描述气化反应进行中的状态, 可以评价生物质气化效果和描述物料物流和能量流向。包括:当量比 (ER) , 气体产率 (Gv, m3/kg) , 气体热值 (Qv, k J/m3) , 碳转化率 (%) , 气化效率 (η) , 生产强度[k J/ (m3·h) ]等。

4 气化影响因素

4.1 气化剂的影响

生物质气化所用的气化剂有空气、水蒸气、空气—水蒸气、二氧化碳、水蒸气—氧、水蒸汽—二氧化碳等。

西班牙萨拉格萨大学化学与环境工程学部的Javier Gil, Miguel A.Caballero[4]等研究了有关气化剂类型对合成气组分的影响。

实验采用了三种, 即空气、水蒸气、氧气—水蒸气三种气化介质进行实验。通过改变气化媒介和各气化剂的量得出较佳运行参数:

实验得出, 蒸汽气化热值较高, 气化效果很好, 但焦油和焦炭量很大, 成本也很高, 空气气化当量比0.3, GR与S/B为0.9最佳。另外, 实验生物质为实验配置。

4.2 生物质的影响

不同的生物质类型的气化效果不同, 美国俄克拉荷马州立大学的生物与农林学部的Raymond Huhnke, Danielle Bellmer[4]等研究了木屑气化, 波兰的希莱亚希大学能源中心的P.Plis[4]研究了燕麦屑气化以及有些实验室进行了污泥气化的研究, 其气化结果和气化条件相差较大。

尽管元素元素分析结果相似, 但合成气中的CO变化相差很大。一般情况, 像木屑、秸秆一类的生物质含灰量小于10%, 含水率约8%左右, 而污泥气一般含灰量 (干燥后) 在40%以上, 有些污泥含水率也在40%左右。污泥气化产物相对于木屑、秸秆等相差很大, 不同生物质类型在元素分析相似时产气率相差也有可能很大。所以, 不同的生物质类型对气化效果影响很大。

4.3 空气当量比

空气当量比是气化过程中十分重要的一个参数, 由于ER值过大会使生物质燃烧量增大, 有利于气化反应, 但N2等含量也会增大, 从而降低合成气热值。

汉堡—哈儿堡工业大学的Petersen[4等人研究了污水污泥在不同空气进量的两种高度的流化床反应器的气化效果, 并给出详细的数据。因此可以确定某种类型的生物质的最佳ER值。

最后得出结论是增加床高有利于气化过程, 气体停留时间的长短对气化气最后组成的影响十分大。

4.4 含水率

生物质的含水率对气化结果影响也很大, 希莱亚希科技大学的P.Plis[4]研究了固定床中生物质气化的实验过程, 并通过数值计算得出木屑在当量比0.4的条件下随含水率变化合成气组分、热值变化的数据。实验发现:随着含水率的增加, 氢气量增大, CO含量降低, 合成气的热值也会降低。所以, 生物质中含水率是气化的不利因素, 一部分热量会以水蒸汽显热的方式丢失。

参考文献

[1]程备久主编.生物质能学[M].化学工业出版社, 2008:1-10.

[2]刘光青, 董仁杰, 李秀金.生物质能源转换技术[M].化学工业出版社, 2009:7-12.

[3]史济春, 曹湘洪.生物燃料和可持续发展[M].中国石化出版社, 2007:4-13.

生物质气化技术研究 第8篇

小型秸秆生物质转化设备隶属于农村可再生能源利用设备。

生物质炉可以让秸秆等生物质有机碳在无氧状态下高温裂解,这种过程是无氧炭化过程,可以使生物质以较高的比例存留,如大约60%的碳保留等。

生物质原料可以是秸秆、木屑、树皮。作物秸秆,经生物黑炭处理后还田,可以起到固碳减排的作用,炭排量小于秸秆直接粉碎还田分解量,生产过程没有危害物质产生,微量的有害物质低于土壤本身含量。同时还可以使农田土壤改良,实现土壤增汇。

一种可转载于拖拉机拖带,限氧热裂解炭化机具由山西一家企业生产,每小时可处理玉米秸秆450kg,产150kg生物黑炭,用于就地的秸秆炭化处理回收或直接还田改良土壤。现在研发生物炭转化技术和设备的机构,将重点放在就地处理系统上更实际。

生物质原料在缺氧条件下以不同的温度进行热解。秸秆的主要成分是木质素、纤维素、半纤维素。加热炭化时,木质素降解为碳结构体,纤维素和半纤维素裂解释放出挥发物质。生物质的炭化温度有3个阶段的明显不同。

温度低于200℃时,只损失自由水分,纤维素高分子链部分断裂,秸秆原料在外观上无明显变化,但揉搓易碎;半纤维素带有短侧链,热解过程依次发生侧链脱除、高分子链解聚和分子内脱水缩合,在200℃～600℃时,大部分纤维素分子链断裂解聚形成单体,产物以焦炭为主。木质素在此温度段,去除部分挥发组分,以碳结构形式存留。这一阶段原料吸收大量热量,需要加热和控温辅助。温度高于600℃时,焦炭的C-H和C-0键断裂,形成富碳的残渣。因而原料在选择上尽可能干燥或含水量小于3%,有助于进料和降低热能耗。

2 生物质炉结构设计

炉装置由动力系统、进料系统、炭化炉、控温系统、出料系统、气体收集系统和机架7部分组成。动力系统包括电机和减速器,进料系统由料斗、进料助手、进料筒和螺旋进料杆组成,气体收集装置由气管、气体限压阀和储气罐组成。

设备启动后,使用扒举工具,将原料送到传送带上。传送带用步进式电机带动,由进料助手上的伸缩扒指,塞入进料筒,进料筒内的进料螺旋对秸秆进行挤压推进。

秸秆物料层导热率低,心部与边缘温度在初期差异较大,高温时内外温差可以忽略不计。因此低温区筒体设计稍长,中高温区较短。

3 系统控制元件设计

3.1 温控传感器

热电偶是利用物理中的塞内克效应制成的温敏传感器。高温区采用S型热电偶(铂铑10-铂)热电偶,一种贵金属高使用温度为1 300℃,短期最高使用温度为1 600℃。S型热电偶准确度高、稳定性好、测温温区宽、使用寿命长。物理、化学性能良好,热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好,适用于氧化性和惰性气氛中。

中低温区选用RTD电阻传感器,电阻随温度变化而变化。主要材料有铜、铂、镍及镍/铁合金。RTD元件可以是一根导线,或一层采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上的薄膜。0℃时100Ω铂RTD电阻,在1℃时它的阻值通常为100.39Ω,50℃时为119.4Q的误差要比热敏电阻小,对于铂来说,误差一般在0.01%,镍一般为0.5%。使用温度范围在-50℃～850℃。

3.2 报警传感器

报警系统主要为故障及时判断和危险预警,由超压报警,漏气报警,卡料报警组成。

无氧实现的方式是炉内的压力高于外界,通过压实的秸秆初裂解物实现气体缓慢外渗,达到进料与外渗速度均衡。但外渗的速度必须小于进料速度,以防气体外溢。因此当炉内压力大于0.4MP时,必须报警处理,用箔式电阻应变传感器,传递试件应变性能好。这种传感器结构由应变计、弹性元件和一些附件所组成,视弹性元件结构型式和受载性质,在此采用金BA350-2HA传感器。

炭化产物中的裂解气,如果有泄露大量聚集会造成人员中毒或爆炸的危险。当空气中的浓度达到一定值时,必须进行安全处理。在多处如在有水雾或滴水的地方;炉具附近易被油烟、蒸汽等污染的地方或高温环境;被其他物体遮挡的地方都需测量。选用CO传感器TGS5342,其检测范围是0～10 000ppm,输出电流:0.7～1.4nA/ppm,响应时间表<30s,工作温度-40℃～70℃,工作湿度5%～99%RH,传感器信号输出与CO气体的浓度成线性关系,可以达到很好的预报效果。

当进料筒温度较低或意外进料量增多时,进料螺旋有停转的可能。在进料螺旋轴处安装转速传感器,当工作中出现停转现象时,系统报警并延时反转,延时调正。压电式加速度传感器输出阻抗低、抗干扰强、噪声小、性价比高、安装方便,尤其适于多点测量,稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体,本设计选用ADXRS150传感器灵敏度50mV/g

摘要：本文论述了生物质加工的现状、生物质炉的结构要求、自控炉中的控制部件的选择。

关键词：生物质炉,炭化温度,传感器,温控设备

参考文献

[1]王伟文,冯小芹,段继海.秸秆生物质热裂解技术的研究进展[J].中国农学通报,2011,(27):2280.

[2]许艳梅,石朝晖.传感器技术及应用[M].武汉:武汉大学出版社,2011.