（化工过程机械专业论文）新型固定床生物质气化及燃气燃烧特性的研究.pdf

摘要 摘要 生物质气化技术是农林废弃物实现资源化利用的有效途径，对缓解能源压 力、保护环境具有双重意义。本文自行设计的新型反烧式固定床气化炉，是对 传统固定床气化炉的一种创新。该技术不但降低了生物质的有效能量损失，还 减少了产气中的焦油含量，解决了传统固定床床层易“搭桥”的难题。而对低 热值生物质气燃烧器及燃烧特性的研究，则是实现生物质气用于蒸汽锅炉燃料 的关键技术。本文针对新型固定床的反应模式及所产生物质气的特点，结合理 论计算、试验研究及数值模拟多种研究方法，对固定床气化炉的气化特性及低 热值生物质燃气的燃烧特性进行了研究。其主要内容和结论为： ( 1 ) 建立了基于物料平衡、化学平衡及能量平衡的生物质气化热力学平衡 模型。用该模型对固定床气化区进行理论计算，研究了原料含水量及空气当量 比e r 对产气的影响。表明原料干基含水量增大，产气热值和气化效率均下降； e r 存在一个最优值0 4 0 ，此时气化效果最佳。 ( 2 ) 深入研究了空气量对反烧式固定床气化炉气化特性的影响。最优空气 当量比为o 2 4 2 ，此时燃气中h 2 含量1 5 3 、c o 含量1 3 o 、c h 4 含量2 6 7 ， 低位热值为4 5 81 2 k j 腑n 3 ，气化效率为5 7 1 。另外，气化剩余木炭热值高于 2 9 5 1 0 3 u 埏，气化炉燃气与木炭的综合转化效率最高达8 6 5 ，比常规固定 床气化炉高1 0 1 5 ，表明该固定床为一高效的生物质热化学转化设备。 ( 3 ) 气化剩余木炭固定碳含量高于8 7 、灰分与挥发分均低于6 5 ，且 已具备一定的吸附性能；采用压汞法分析了木炭的孔隙结构，表明其孔径以4 岬 与8 m 的中孔为主；e r = o 2 4 2 时热解气化剩余木炭的孔容积、比表面积及孔 隙率均为最大，其值分别为4 0 9 4 c m 3 儋、1 8 6 4 m 2 儋和8 2 1 8 。 ( 4 ) 在自行设计的燃烧器上试验研究了低热值生物质燃气的燃烧特性。结 果表明生物质气化燃气在套筒式扩散喷嘴条件下能实现稳定、清洁燃烧，燃烧 温度为5 0 0 6 5 0 ，完全可以作为蒸汽锅炉及工业炉的燃料。 ( 5 ) 应用f l u e n t 软件对生物质燃气燃烧特性进行了数值模拟，所得结 论与试验结果基本一致。 关键词：生物质固定床气化燃烧数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 eb i o m a l s s 聃i f i c a t i o nt e c l l n o l o g ) ，i sa l le 肫c t i v ew a yt or e a l i z es y i l t h e t i c u t i l i z a t i o nf o ra 鲥c u l m r a la n df o r e s tr e s i d u e s ，a n dh a sm e a n i i l g si nb o t l le n e r g y s a v i n ga n de n v 试) m e n t a lp r o t e c t i o n an e wd o v mc o m b u s t i o nf i x e d - b e dg a s i f i e rh 硒 b e e nd e v e l o p e db yi i l n o v a t i n gu p o n 也et r a d i t i o n a lf e d - b e d g a s i f i e r s t h i s t e c l l n o l o g yn o t0 n l yr e d u c e st h ee f f e c t i v ee n e 唱yl o s so fb i o m a s s ，b u ta l s od e c r e 弱e s m et a rc o n t e n ti l lg a sp r o d u c e d 1 1 1 ep r o b l 锄o f b y p a s s ”i nt l l e 仃a d “i o n a lf e d - b e d h 缎b e e ns o l v e db ym i sn e we q u i p m e n t r e s e a r c ho nl o wh e a tv a l u eb i o m a s sg a s b 啪e r s 姐dc o m b u s t i o np r o p e n i e sa r et h ek e yt e c h n o l o g yf o rb i o m a s sg a su s e da s f i l e lg a si ns t e 锄b o i l e r - a c c o r d i l l gt ot l l er e a c t i o np a _ t t e mo fm eg a s i f i e r 趾d c h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 eg a sp r o d u c e d ，c o m b i n i i l gw i t hv a r i o u sm e m o d so ft l l e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n ，e x p e r i i n e n t a l r e s e a r c h觚dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m eg a s i f i c a t i o n d l a r a c t e r i s t i c so fg a s i f i e ra n dc o m b u s t i o np r 叩e r t i e s0 fl o wh e a tv a l u eb i o m a s sg a s h a v eb e e ns t i l d i e di nt h i st l l e s i s t h em 匈o rr e s e a r c h 锄dc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) at 1 1 e 咖o d ) ，n 锄i c e q u i l i b r i 眦 m o d e lo fb i o m a s s g a s i f i c a t i o n w a s e s t a b l i s h e db ym a t 嘶a lb a l a l l c e ，e n e r j 盯b a l a i l c e 锄dc h e m i c a le q u i l i b m ni i lg a s i f i e r t h em o d e li st h e nu s e dt os t u d ym ei i n p a c t so ft l l em o i s t u r ec o m e n to fb i o m a s s m a t 耐a la i l da i re q u i v a l e n c er a t i oe ro nt h eg a sp r o d u c t i o n 1 1 1 ec a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o wm a tm eh e a tv a l u eo fg a sp r o d u c e da i l dg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yd e c r e 2 l s e 勰t h e i n c r e a s eo fd r yb a s i sm o i s t i l r ec o n t e n ti nb i o m a s sm a t e r i a l t h eo p t i m a lv a l u eo fe r i s0 4 0 ，w h i c hi st 1 1 eb e s tp o mf o rg a s i f i c a t i o n ( 2 ) 1 1 1 e e 行e c to fa i rc a p a c 时o nt l l e g a s i f i c a t i o np e r f o m a i l c e o fd o w n c o m b u s t i o nf e d _ b e dg a s i f i e rh a sb e e nt l l o r o u 曲l yr e s e a r c h e d t 1 1 ee x p e r i m e n t a l r e s u n ss h o wt h a to p t i m a lv a l u eo fe ri so 2 4 2 a tt h i sp o i n t ，t h eg a s e sc o n t e n ti n p r o d u c e dg a sa r e a sf o l l o w s ：h 21 5 3 ，c o1 3 0 ，c h 42 6 7 ；也el o w e rh e a tv a l u e o fg a sp r o d u c e d 锄dg a s i f i c a t i o n e f f i c i e n c ya r e4 5 8 1 2 l ( j n m 3 锄d5 7 1 r e s p e c t i v e l y i i la d d i t i o n ，t h eh e a tv a l u eo fr e m a i l l i i l gc h a r c o a l i sm o r et 1 1 a n 2 9 5 l0 3 l ( j k g t 0 t a lc o n v e r s i o ne 衔c i e n c yc o n t a i l l i n gg a s 锄dc h a r c o a li ng a s i f i e ri s 南京工业大学硕士论文 u pt o8 6 5 ，i ti sa b o u t10 - l5 h i 曲e rt h a l l 仃a d i t i o n a lf e d - b e dg a s i f i e r t h e r e s u l t si 1 1 d i c a t et h a tt l l en e wf i x e d - b e dg a l s i f i e ri sak i l l do fh i g he m c i e n te q u i p m e n t f b rb i o m a s st h e n n o c h e m i c a lc o n v e r s i o n ( 3 ) t h er e m a i n i n gc h a r c o a lp o s s e s s e sac e r t a md e g r e eo fa b s o r p t i o np r o p e r 哆 w i mf e dc a r b o nh i 曲e rt h a n8 7 ，私w e l la s 础a n dv o l a t i l el e s st h 姐6 5 t h e p o r es 仇l c t i l r ep a r a m e t e r so fc h a r c o a ls u c h 弱p o r ev 0 1 u m e ，s p e c i f i cs u r a c ea r e a 柚d p o r o s i 劬d e t e m i n e db ym e r c 哆i n t l l l s i o nm e t h o d ，a r e t 1 1 e l a 玛e s tw h e na i r e q u i v a l e n c er a t i o e ri so 2 4 2 a n dm ev a l u e sa r e4 0 9 4 c m 3 儋，18 6 4 m 2 儋a l l d 8 2 18 r e s p e c t i v e l y ( 4 ) c o m b u s t i o np r 叩e 啊o fb i o m a s s9 2 l sh a sb e e n 咖d i e db ys e l fd e s i 印e d b 啪e r t h er e s u n ss h o wt h a tb i o m 弱sg 弱c 趾s t a b l y 趾dc l e a l l l yc o m b u s ti n c o n c e n t r i cb 哪e r 1 1 1 et e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o nn 锄ei sa b o u t5 0 0 6 5 0 i t c a nb eu s e d 硒f i l e l9 2 l sf o rs t e a mb o i l e r sa n di n d u s t r i a lf i l m a c e s ( 5 ) n u m e r i c a ls i i i l u l a t i o n0 nc o m b u s t i o np r 叩e n yo fb i o m a s sg a sh a sb e e n s t l l d i e db yu s i i l gs o f l w a r ef l u e n t t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t sa r eb a s i c a l l yi n a c c o r d 吼c ew i t ht h ee x p e r i i i l e n t a ld a t a 1 ( e y w o r d s ：b i o m a s s ；f i x e d - b e d ；g a s i f i c a t i o n ；c o m b u s t i o n ；n m n 嘶c a l s i i n u l a t i o n n 第1 章绪论 第1 章绪论 随着世界经济突飞猛进地发展，人类开始面临以煤、石油为主的常规能源 短缺和环境污染加剧的双重压力，加强新能源与可再生能源的研究工作显得尤 为重要。生物质能是唯一可储存和运输的可再生能源，其合理、高效的开发利 用，对解决能源危机、减小环境污染有着重要的意义。生物质气化技术就是一 种高效的热化学处理技术，它将低品位的生物质转化为高品位的可燃性气体， 所得低热值燃气可用于供气、供热、供冷、内燃机发电及作为合成其它化学品 的原料。目前，国内外生物质气化主要采用固定床及流化床两种形式。本课题 研究的一种具有自主知识产权的新型低温反烧式固定床气化炉是对传统固定床 气化炉的一种创新。生物质在较低的温度( 6 0 0 左右) 下热解，提高了生物质 的综合转化效率，降低了系统有效能量损失；反烧技术有效降低了裂解气中焦 油含量，解决了固定床床层容易“搭桥 的难题，使气化炉普遍适用于树枝秸 秆、棉花秸秆、玉米秸秆等中硬质农林废弃物。但还需对其反应机理，相对应 的工艺条件及转化效率作进一步的研究。将生物质气化所得燃气直接燃烧供热 是最简单、最直接的利用方式，将可直接及部分替代化石资源( 煤、油) ，但生 物质气化燃气不同于普通的煤气，其热值比较低，并且含有少量的焦油，难以 稳定燃烧，目前国内用于燃烧该低热值燃气的燃烧器很少，主要是缺乏对生物 质燃气燃烧特性的研究。因此，本课题开展生物质气化及其燃气燃烧特性的研 究具有重要的学术价值和应用前景。 1 1 课题提出背景及意义 生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物能再生的物质。 生物质能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，将太阳能转化为化学 能固定和储藏在生物体内的能量。生物质资源产量巨大，地球每年由光合作用 产生的生物质约有1 2 0 0 亿吨，其中仅1 用作能源，但它已为全世界提供1 4 的能源，并成为世界上1 5 亿人口赖以生存的主要能源。在我国，生物质在能源 消耗中占有举足轻重的地位，它仅次于煤而成为第二大能源，在全部能源消耗 中约占20 i ，特别是在农村能源消费中，生物质能约占生活用能的7 0 ，占整 南京工业大学硕士学位论文 个用能的5 0 ，总量约有6 亿吨用作能源 1 1 。我国理论生物质能资源量每年4 8 7 亿吨油当量，其中有约3 7 亿吨可用于发电和供热，占总量的7 6 。目前可供 利用开发的资源主要为生物质废弃物，包括农作物秸秆、薪柴、禽畜粪便、工 业有机废弃物和城市固体有机垃圾等。 生物质作为一种利用前景广阔的清洁能源，具有产量丰富、可再生的优点， 将生物质资源转化为生物乙醇、生物柴油，可以部分替代石油，缓解石油资源 不足的矛盾【2 1 。从环境效益上看，利用生物质可以实现c 0 2 的零排放，从根本 上解决能源消耗带来的温室效应问题。因为生物质在其生长过程中，由光合作 用而吸收c 0 2 ，在其作为能源利用中，c 0 2 的净排放又有效地被新的光合作用 而吸收，使整个能源利用系统的c 0 2 净排放为零，从而有效地防止了c 0 2 的释 放对环境的危害【3 】。另外，生物质的硫、氮含量很低，有的生物质甚至不含硫， 所以燃烧过程中s 0 2 、n o x 的排放量很小。 生物质一直是我国农村的主要能源之一，大多以直接燃烧为主，不仅热效 率低下( 低于1 0 ) ，而且大量的烟尘的排放使环境遭到破坏。生物质具有分布 比较分散，不利于收集和运输，含水率较高、能源密度低等特点，不宣直接利 用。改变生物质传统的利用方式，研究高效的能量转化技术，建立先进的能源 生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源，对实施可持续 发展战略，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义【4 】。 生物质高效的能量转化技术主要有生化转化法和热化学转化法两种，生物 化学转换技术主要以厌氧消化技术和特种酶技术为主。热化学方法包括热解、 液化及气化等。生物质气化技术由于其技术简单、投资成本低等优点，而受到 人们的日益关注。 1 2 生物质气化技术概况 1 2 1 生物质气化原理 生物质气化是指生物质原料( 薪柴、锯末、麦秸、稻草等) 压制成型或经简 单地破碎加工处理后，在欠氧条件下，送入气化炉中进行气化裂解得到可燃气 体，并进行净化处理而获得产品气的过程。其原理是在一定的热力学条件下， 借助于部分空气( 或氧气) 、水蒸气的作用，使生物质的高聚物发生热解、氧化、 还原、重整反应，热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化为小分子碳氢化合 2 第1 章绪论 物，获得含c o 、h 2 和c h 4 的气体【5 】。由于生物质由纤维素、半纤维素、木质 素及惰性灰等组成，含氧量和挥发分高，焦炭的活化性强。因此，生物质与煤 相比，具有更高的活性，更适合气化【6 】。 生物质气化都要通过气化炉完成，其反应过程很复杂，燃料基本上要经过 氧化、还原、裂解( 热解) 和干燥四个阶段，氧化和还原反应统称为气化反应，其 中主要包括的气化反应见表1 1 所示【7 8 】： 表1 1 气化过程中的反应 t a b l el 1r e a c t i o n so fg a s i & a t i o np r o c e s s 注：+ 代表放热反应，一代表吸热反应o 1 2 2 生物质气化炉类型 生物质气化有多种形式，如果按气化介质分，可分为空气气化、氧气气化、 水蒸汽气化、水蒸汽一氧气混合气化和氢气气化等。按反应器形式分大体上可 分为两大类：固定床气化炉和流化床气化炉。把固体生物质经过气化转变变成 生物质燃气，需要用生物质气化炉来实现，可见气化炉是生物质气化技术的核 心部件。 1 、固定床气化炉 根据固定床气化器内气流运动的方向和组合，固定床气化炉主要分为4 种炉 型：下吸式气化炉、上吸式气化炉、横吸式气化炉及开心式气化炉。固定床气化 炉具有一个容纳原料的炉膛和承托反应料层的炉栅。应用较广泛的是下吸式气化 炉和上吸式气化炉，结构如图1 1 ( a ) ，( b ) 所示【9 】。下吸式气化炉中，生物质物 料自炉顶投入炉内，气化剂由进料口和进风口进入炉内，炉内的物料自上而下分 为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。其特点是：结构简单，工作稳定性好， 南京工业大学硕士学位论文 可随时进料，气体下移过程中所含的焦油大部被裂解，但出炉燃气灰分较高( 需 除尘) ，燃气温度较高。整体而言，该炉型可以对大块原料不经预处理直接使用， 焦油含量少，构造简单。对上吸式气化炉而言，物料自炉顶投入炉内，气化剂由 炉底进入炉内参与气化反应，反应产生的燃气自下而上流动，由燃气出口排出。 ( a ) 上吸式气化炉 ( b ) 下吸式气化炉 图1 1 固定床气化炉【9 】 f 远1 1 f i ) ( e d - b e dg a s i f i e r 【9 1 其特点是：气化过程中，燃气在经过热分解层和干燥层时，可以有效地进行热量 传递，既用于物料的热分解和干燥，又降低了自身的温度，大大提高了整体热效 率。同时，热分解层、干燥层对燃气具有一定过滤作用，使其出口灰分降低，但 是其构造使得进料不方便，小炉型需间歇进料，大炉型需安装专用加料装置。整 体而言，该炉型结构简单，适于不同形状尺寸的原料，但生成气中焦油含量高， 容易造成输气系统堵塞，使输气管道、阀门等工作不正常，加速其老化，因此需 要复杂的燃气净化处理，给燃气的利用( 如供气、发电) 设备带来问题，大规模的 应用比较困难。 2 、流化床气化炉 流化床包括鼓泡流化床、循环流化床及双流化床等炉型。比较常见的为前两 种，结构如图1 2 ( a ) ，( b ) 所示【1 0 1 。鼓泡流化床气化炉是最简单的流化床气化 炉。气化剂由布风板下部吹入炉内，生物质燃料颗粒在布风板上部被直接输送进 4 第1 章绪论 入床层，与高温床料混合接触，发生热解气化反应，密相区以燃烧反应为主，稀 相区以还原反应为主，生成的高温燃气由上部排出。鼓泡流化床气化炉气流速度 较慢，比较适合颗粒较大的生物质原料，生成气焦油含量较少，成分稳定，但飞 灰和炭颗粒夹带严重，运行费用较大【1 1 1 。循环流化床气化炉相对于鼓泡流化床气 化炉而言，流化速度较高，生成气中含有大量固体颗粒，在燃气出口处设有旋风 分离器或布袋分离器，未反应完的炭粒被旋风分离器分离下来，经返料器送入炉 ( a ) 鼓泡流化床( b ) 循环流化床 图1 2 流化床气化炉1 0 l f i g 1 2 f l u i d i z e d - b e dg 舔i f i e r 【1 0 】 内，进行循环再反应，提高了碳的转化率和热效率。其特点是：运行的流化速度 高，约为颗粒终端速度的3 4 倍，气化空气量仅为燃烧空气量的2 0 一3 0 ；为保 持流化高速，床直径一般较小，适用于多种原料，生成气焦油含量低，单位产气 率高，单位容积的生产能力大。 3 、固定床气化炉和流化床气化炉比较 流化床气化与固定床气化相比较，气化温度更均匀，气化强度更高，原料粒 度要求小，对于连续运转，以木材加工厂下脚料和碾米厂的稻壳为原料的中小型 气化发电系统比较适合。但同时由于流化床床层温度相对较低，焦油裂解受到抑 制，产出气中焦油含量较高，用于发电需要复杂的净化系统，流化床内气流速度 5 南京工业大学硕士学位论文 大，石英砂等惰性热载体与床壁易于磨损，燃料颗粒细小，产出气体中带出物较 多，加重后续系统负担。 固定床气化对原料适应性强，原料粒度要求不严格，反应区温度较高有利 于焦油的裂解，出炉灰分相对较少，系统投资较循环流化床低，但固定床气化强 度不高，一般是间歇式工作，在连续工作方面不如流化床，目前在农村集中供气 供热系统和中小型气化发电中广泛应用。 固定床气化炉与流化床气化炉都有各自的特点和一定的适用范围，如表1 2 所示。固定床结构简单、操作便利，运行模式灵活，适用于中小规模生产；而流 化床适合于工业化、大型化，设备较复杂、投资大。 表l - 2 我国生物质气化炉的主要种类和特点【1 2 1 3 】 亿l b l e l 2t h em a 访t ) ，p e s 狮dc h a r a c t e r i s t i c so f b i o m a l s sg a l s i f i e ri i lc h i l l a 【1 2 ，1 3 】 1 3 本课题相关领域的国内外技术现状 1 3 1 生物质气化技术研究状况 在生物质气化方面，近年来国内科研单位加大了研究力度，也取得了明显 进展【1 4 】。中国科学院广州能源研究所在循环流化床气化发电方面取得了一系列 进展，已经建设并运行了多套气化发电系统【协1 8 】；中国林业科学院林产化学工 业研究所在生物质流态化气化技术、内循环锥形流化床富氧气化技术方面取得 了成果【1 9 】；中国科技大学进行了生物质等离子体气化【2 0 1 、生物质气化合成等技 术的研究 2 1 】；山东大学开发了下吸式固定床气化技术【2 2 】；山东省科学院能源研 究所则开发了二步法气化技术【2 3 】；浙江大学对双流化床气化技术进行了研究， 并开发了中热值气化供气与发电装置阻 2 5 】；华中科技大学进行了流化床的气化 6 第1 章绪论 研究【2 眈8 】；同济大学进行了生物质固定床气化过程的研列2 9 捌。南京工业大学 近年来开始开展生物质气化技术的研究，朱跃钊教授领导的团队在大规模的固 定床生物质气化发电技术方面取得了进展，目前5 0 0 k w 固定床气化发电系统 已经安装调试成功，已得到国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划，编号： 2 0 0 8 a a 0 5 2 2 0 7 ) 的资助；张红教授开发研究了热管式生物质气化炉【8 3 1 3 2 1 。此 外，还有众多高校和科研单位也取得了一些特色性的研究进展。 七十年代以来，欧美等发达国家对生物质气化技术的研究十分重视，有许 多单位在进行此项技术的研究，并达到了较高的水平。如德国鲁奇公司正在进 行l o o m w 生物质燃气联合循环( i g c c ) 的示范工程，成功后将是一种高效的发 电系统；美国可再生能源实验室( n r e l ) 和夏威夷大学也在进行i g c c 的蔗渣发 电系统的研究；荷兰特温特( t w e n t e ) 大学进行流化床气化器和焦油催化裂解装置 的研究，推出了近于实用的无焦油气化系统。近期的研究主要集中于将生物质 转换为高氢燃气、裂解油等高品质燃料，并结合燃气轮机，斯特林发动机、燃 料电池等转换方式，转换为电能，为2 1 世纪的电力供应作技术储割3 3 】。加拿大 摩尔公司设计和发展的固定床湿式上行式气化装置、加拿大通用燃料气化装置 有限公司设计制造的流化床气化装置、美国标准固体燃料公司设计制造的炭化 气化煤气发生系统、德国茵贝尔特能源公司设计制造的下吸式气化炉一内燃机 发电机组系统等，其气化效率为6 0 一9 0 【3 4 1 。目前，在生物质气化研发上取得 领先优势的国家有美国 3 5 】、意大利【3 6 1 、德国 3 7 1 、日本【3 8 1 、荷兰【3 9 】、法国 4 0 1 、 瑞典【4 l 】等。 1 3 2 生物质气燃烧供热技术研究状况 生物质气化燃烧供热是指生物质经过气化炉气化后，生成的生物质燃气送入 下一级燃烧器或燃气锅炉中直接燃烧，因而通常不需要高质量的气体净化和冷却 系统，系统相对简单，热利用率高。生物质气化所得燃气是一种特殊的燃气，由 于燃气中可燃性成分( c o 、h 2 、c h 4 等) 含量较少、热值低、消耗量大等特点， 为保证这种燃气安全稳定着火并充分燃烧，开发出适合这种燃气燃烧的燃烧装置 成为生物质气化供热应用的关键技术。国内有不少学者、科研单位进行了相关研 究。河南省科学院能源研究所的雷廷宙等人【4 2 ，4 3 1 ，按照生物质燃气物理、燃烧特 性，根据燃烧学、传热学及燃气互换性原理设计了生物质燃气专用灶具，并用设 计的灶具进行了各种生物质燃气的实验研究。实验结果表明，设计的灶具高效节 7 南京工业大学硕士学位论文 能、低污染、通用性好、易于点火、燃烧稳定。河南农业大学的刘圣勇等人嗍， 根据生物质燃气的特性，采用强制预混燃烧方式，设计了生物质燃气点火器，该 点火器包括点火器喷嘴、引射器及烧嘴组成，并对稳定火焰的方法进行了研究， 得到了生物质燃气的最佳流量为o 0 1 2 1 m 3 s ，火焰温度高达1 5 6 1 ，火焰长达 1 0 6 m ，该点火器具有火焰温度高、适应性强、操作方便等优点。李刚等人【4 5 1 ， 研制了b c t 一1 型生物质燃气燃烧器，其结构如图1 3 所示，该种燃烧器采用鼓 l2 345 1 燃气总阀2 燃气过滤器3 电磁阀4 燃气管路5 电磁阀26 燃气布气器7 光敏传感 探头8 热敏传感探头9 火焰稳定格网1 0 高温烟气区1 1 燃烧区1 2 高压点火器 1 3 柴油雾化喷嘴1 4 供风通道1 5 油泵、风机、控制单元 图1 3b c t 1 型生物质燃气燃烧器结构示意图【4 5 】 f 远1 3s t m c t u r eo f l eb c t - lb i o m a s sg a sb 啪e r 【4 5 】 风扩散式燃烧，使用柴油作为点火介质，燃烧过程实现自动控制，适用于燃烧多 种生物质气化燃气，燃烧器在稳定工作条件下燃烧效率为9 8 ，烟气c o 含量小 于1 1 0 击，各项性能指标达到燃气燃烧器的基本要求。刘永艳，王述祥设计出了 一种工业用的大功率生物质燃气燃烧器，该燃烧器属于低压引射大气式燃烧器， 可用于工业直接供热 3 3 问。实用新型专利【4 7 】( c n 2 6 4 8 2 9 6 ) 公开了一种生物质燃 气燃烧器，包括燃气管，配风阀和一次气体混合室。一次气体混合室后连接有二 次气体混合室，其内设有一混合器，它是由沿圆周均布的折流板组成，折流板与 混合室的轴线相斜交。该燃烧器由于在二次气体混合室内设置了由导向板组成的 混合器，与现有技术相比具有强制配风和火焰稳定的优点。 目前，我国生物质气化燃烧技术已经应用于木材、粮食、烟叶等农副产品 8 第l 章绪论 的干燥【4 们。 1 4 本课题的主要研究内容 新型气化炉的开发是生物质气化利用技术的关键技术之一。目前，国内成 规模的生物质气化技术主要采用流化床，该炉型对生物质颗粒的粒径有较高要 求，且系统复杂、自身的能耗很高，投资成本及运行成本均较高。传统的固定 床气化炉虽然历史相对较长，但对于焦油含量高、系统效率低、规模小、稳定 性差、容易出现的“搭桥”、“烧穿等难题没有有效地解决，极大地限制了固 定床生物质气化炉的大规模推广应用。本文自行设计开发的新型低温反烧式固 定床气化炉，通过该气化炉能够将中硬质秸秆类农林废弃物转换为低热值的生 物质燃气及优质的木炭，同时实现生物质的气化过程与炭化过程，所产燃气热 值与其它形式固定床气化燃气热值相当，而固体产品木炭具有固定碳含量高、 挥发份少、热值高及疏松多孔的优点，适用于作为高级燃料及制备活性炭的原 材料，结果表明反烧式固定床气化炉能大大提高生物质的综合利用效率，是一 种高效的生物质热化学转化设备。 生物质燃气供热利用的关键技术在于燃气燃烧装置的开发，国内仅有用于 农村炊事的生物质燃气专用灶具，而大负荷用于工业加热的生物质燃气燃烧装 置还很少见，主要原因在于对生物质燃气燃烧特性的研究不够，缺乏相关试验 数据。为此，本文还对生物质气化燃气的燃烧特性进行了研究。 主要研究内容为： ( 1 ) 根据固定床气化炉内实际情况，运用热力学分析的方法，依据元素平 衡、能量平衡和化学平衡建立气化过程的平衡模型，应用该模型对气化过程进 行理论模拟计算，研究原料含水量和空气当量比对产气组成、气化效率、热值 及气化炉温度的影响，为试验提供理论依据。 ( 2 ) 对自行设计开发的中型规模的反烧式固定床气化炉进行气化试验，以 松树枝为原料，研究不同空气量下气化炉炉内温度分布情况，确定气化过程的 最优空气当量比。对所产气体采用气相色谱分析其组成，根据所得数据计算气 化指标气化效率、产气率及木炭产率，掌握该种气化炉的运行规律。另外，气 化所得固体产品一木炭是制各活性炭的良好材料，对木炭的孔隙率、比表面积 9 南京工业大学硕士学位论文 等表面特征进行测定，为后续活性炭的制备提供帮助。 ( 3 ) 将气化炉产出的热脏低热值燃气直接通入燃烧室内进行燃烧试验，研 究喷嘴结构，燃气组成及助燃空气量对生物质燃气燃烧性能的影响规律，观察 生物质燃气火焰的宏观特征，测定燃烧室内轴线温度的分布情况，为设计开发 生物质气专用燃烧器提供理论依据。 ( 4 ) 鉴于试验条件的局限性，某些工况试验难以进行，因此借用c f d 软件 f l u e n t 采用数值模拟的方法对生物质燃气的燃烧进行模拟研究，旨在更全面 的掌握生物质气化燃气燃烧时的速度分布、温度分布及组分分布情况。 1 0 第l 章绪论 参考文献： 【1 】马隆龙生物质能利用技术的研究及发展【j 】化学工业，2 0 0 7 ，2 5 ( 8 ) ：9 1 4 【2 】曹湘洪我国生物能源产业健康发展的对策思考 j 】化工进展，2 0 0 7 ，2 6 ( 7 ) ：9 0 5 9 1 3 【3 】阴秀丽生物质气化对减少c 0 2 排放的作用【j 】太阳能学报，2 0 0 0 ，2 1 ( 1 ) ： 4 0 4 4 4 】应浩生物质气化技术及开发应用研究进展 j 】林产化学与工业，2 0 0 5 ，2 5 ( 增刊) ：1 5 1 1 5 5 【5 】马隆龙，吴创之，孙立生物质气化技术及其应用 m 北京：化学工业出 版社，2 0 0 3 【6 c h e ng ， s p l i e 也0 f rh ， a n “e sj ， c a t a l y t i cp y r o l y s i so f b i o m a s sf o r h y d r o g e n r i c hf i l e lg a sp r o d u c t i o n j 】e n e 唱yc o n v e r s i o na n dm a n a g e m e m ， 2 0 0 3 ，4 4 ：2 2 8 9 2 2 9 【7 】袁振宏，吴创之，马隆龙生物质能利用原理与技术【m 】北京：化学工业 出版社，2 0 0 5 ：1 3 9 2 【8 】于红梅热管式生物质气化炉的试验研究【d 】南京：南京工业大学，2 0 0 7 【9 p e t e rm c k e n d 够e n e 唱yp r o d u c t i o n 右r o mb i o m 私s ：g a s i f i c a t i o nt e c t l l l o l o g i e s 阴 b i o r e s o u r c et e c l l l l o l o g y ，2 0 0 2 ，8 3 ：5 5 6 3 【1 0 】r a g n a rw a m e c k e g a s i f i c a t i o no fb i o m a s s ：c o m p a r i s o no ff l x e db e d 肌d n u i d i z e d b e dg a s i f i e r 【j 】b i o m a s s 龃db i o e n e r 影，2 0 0 0 ，1 8 ：4 8 9 4 9 7 【1 1 】刘荣厚，牛卫生，张大雷生物质热化学转化技术【m 】北京：化学工业出 版社，2 0 0 5 【1 2 】 d e i l n i syc ，y i i lxl ，w hcz a r e v i e wo nt h ed e v e l o p m e n ta n dc o m m e r c - i a l i z a t i o no f b i o m a s sg a s i f i c a t i o nt e c l l o l o g i e si 1 1c h i i l a j 】r e n e w a b l ea 1 1 d s u s t a 血a b l ee n e 剃r e v i e w s ，2 0 0 4 ，8 ：5 6 5 5 8 0 【1 3 】董玉平，邓波，景元琢，等中国生物质气化技术的研究和发展现状【j 】山 东大学学报，2 0 0 7 ，2 7 ( 2 ) ：1 8 【1 4 】陈冠益，高文学，颜蓓蓓生物质气化技术研究现状与发展【j 】煤气与热力， 2 0 0 6 ，2 6 ( 7 ) ：2 m 乞6 南京工业大学硕士学位论文 赵先国，常杰，吕鹏梅，等生物质流化床富氧气化实验研究【j 燃料化学 学报，2 0 0 5 ，3 3 ( 2 ) ：1 9 9 2 0 4 吴正舜，马隆龙，吴创之下吸式气化炉中生物质气化发电的运行与测试 【j 】煤炭转化，2 0 0 3 ，2 6 ( 4 ) ：7 9 8 2 吴创之，徐冰燕，罗曾凡，等生物质循环流化床气化的理论及应用【j 煤 气与热力，1 9 9 5 ，1 5 ( 5 ) ：3 8 。 吴创之，徐冰燕，罗曾凡，等生物质中热值气化技术的分析及探讨【j 】煤 气与热力，1 9 9 5 ，1 5 ( 2 ) ：8 1 4 蒋剑春，应浩，戴伟娣，等生物质流态化催化气化技术工程化研究【j 】太 阳能学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 5 ) ：6 7 8 6 8 4 赵增立，李海滨，吴创之，等生物质等离子体气化研究【j 太阳能学报， 2 0 0 5 ，2 6 ( 4 ) ：4 6 8 4 7 2 朱锡锋，v e n d e r b o s c hrh 生物质热解油气化试验研究 j 燃料化学学报， 2 0 0 4 ，3 2 ( 4 ) ：5 l o 5 1 2 赖艳华，吕明新，马春元，等缩口结构对降低生物质两段气化中焦油生 成量的影响研究【j 】太阳能学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 4 ) ：5 4 7 5 5 1 郭东彦，伊晓路，徐健，等生物质循环流化床循环特性研究【j 】可再生能 源，2 0 0 4 ，( 6 ) ：2 3 2 5 张晓东，周劲松，骆仲泱，等生物质中热值气化技术中试实验【j 】太阳能 学报，2 0 0 3 ，2 4 ( 1 ) ：7 4 7 9 方梦祥，施正展，王树荣，等双流化床物料循环系统的试验研究 j 】农业 机械学报，2 0 0 3 ，3 4 ( 6 ) ：5 4 5 8 米铁，唐汝江，陈汉平，等生物质气化技术及其研究进展 j 化工装备技 术，2 0 0 5 ，2 6 ( 2 ) ：5 0 5 6 杨海平，米铁，陈汉平，等生物质气化中焦油的转化方法【j 】煤气与热力， 2 0 0 4 ，2 4 ( 3 ) ：1 2 2 1 2 6 米铁，唐汝江，陈汉平，等生物质能利用技术及研究进展 j 】煤气与热力， 2 0 0 4 ，2 4 ( 1 2 ) ：7 0 l 7 0 5 喻霞，魏敦崧生物质固定床气化过程的研究【j 】煤气与热力，2 0 0 0 ，2 0 ( 4 ) ： 2 4 3 之4 6 1 2 习 印 刀 引 明 叫 u 刁 列 q 习 研 刀 引 印 n n n 口 u 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 第1 章绪论 【3 0 】 3 1 】 3 2 】 【3 3 】 【3 4 】 3 5 】 【3 6 】 【3 7 】 【3 8 】 【3 9 【4 0 】 【4 l 】 【4 2 】 吴亭亭，修同斌，魏敦崧，等生物质一二氧化碳气化反应动力学研究【j 】 煤气与热力，1 9 9 3 ，1 3 ( 2 ) ：8 1 3 张红，陶汉中，庄骏，等利用热管供热的移动床生物质气化炉【p 】中国： c n l 7 3 0 6 1 0 ，2 0 0 6 0 2 0 6 张红，陶汉中，庄骏，等利用热管供热的流化床生物质气化炉 p 】中国： c n l 7 3 0 6 1 1 ，2 0 0 6 0 2 0 8 。 刘永艳大功率生物燃气制供气装置选型及燃烧装置设计理论 d 】吉林： 东北林业大学，2 0 0 7 钟浩，谢健，杨宗涛，等生物质热解气化技术的研究现状及其发展 j 】云 南师范大学学报，2 0 0 1 ，2 1 ( 1 ) ：4 l 4 5 m c l e n d o ntr ，l u iap ，p i i l e a u hrl ，e ta 1 h i 曲- p r e s s u r ec o g a s i f i c a t i o n o fc o a la n db i o m a s si naf l u i d 娩e db e d 【j 】b i o m a s sa n db i o - e n e 玛y ，2 0 0 4 ，2 6 ： 3 7 7 3 8 8 r 印a 班as ， f o s c o l opu c a t a 虮i cg a s i f i c a t i o no fb i o m 鹤st o p r o d u c e h y d r o g e nr i c hg a s 【j 】驰g e ne n e r g ) ，1 9 9 8 ，2 3 ( 7 ) ：5 5 1 5 5 7 j e s u sdp ，b o u 妇sn ，心a u s h a a rc z 锄e t 出ib ，e ta 1 g a s i f i c a t i o no fc o m 觚d c l o v e r 铲a s si ns u p e r c 血i c a lw a t e r 【