生物质气化及气化炉的研究进展

●农村新能源.新疆农机化2007年第3期生物质气化及气化炉的研究进展李鹏,王维新,吴杰,李霞,杨斌(石河子大学机械电气工程学院,新疆石河子832000)摘要:生物质气化是生物质能源应用领域研究的热门。该文对生物质气化原理、国内外气化及其装置研究现状、发展前景进行了阐述，同时提出了进行进一步气化研究的建议。关键词:生物质;气化;气化炉;研究进展中图分类号:S216.文献标识码:A2H20+C=CO+2H2-75.24kJ文章编号:1007-7782 (2007 )03-0046-03H20+C0=CO2+H- 43.58kJ气化装置运行稳定时:当- -定粒度的生物质原生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气而居于料进入气化装置后首先被干燥,随着料层的下落,伴世界能源消费总量第四位的能源",目前世界能源随温度的升高，析出挥发分，并在高温下裂解(热紧缺,石化能源储量有限，亟待开发新能源,实现社解)。裂解后的气体和炭在氧化区与供人的气化介质会可持续发展。然而人类对生物质能开发仍停留在(空气、氧气、水蒸汽等)发生氧化反应并燃烧,燃烧较低水平,其取暖利用方式主要是原始的直接燃烧，放出的热量用于维持干燥热解和还原反应。氧化后利用率和热效率都很低,严重污染环境吧。生物质气的气体含有一些不可燃气体,如:CO2、H20等,经还化技术使秸秆充分燃烧，提高其生物质利用潜能,改原反应减少其含量。最终生成了含有一定量的CO、善低效高耗的能源利用现状，节约大量不可再生的H2、CH,及部分不饱和烃C.H的混合气体，净化后煤炭石油、天然气资源。- 一些国家的生物质能技术即可燃用14.9。和装备已经达到商业化应用程度,实现了规模化产业经营。在我国,各种生物质气化装置和生物质燃气2生物质气化技术及气化装置的研究现状发电机组相继研制成功，生物质固定床热解气化已热解气化技术最早出现于18世纪晚期, 1839发展到农村级规模的集中供气，并且追求中热值燃年第- -台气化炉一-上吸式气化炉问世， 但较大规气的流化床气化装置的研究已取得初步成果。但生模应用生物质热解气化技术,则始于20世纪30、40物质气化率和生物质能利用率还有待进- -步 提高。年代。第二次世界大战期间，为解决石油燃料的短1生物质气化的基本原理缺，用于内燃机的小型气化装置得到广泛使用。从生物质气化是生物质能高品位利用的一-种主要70年代初开始,受石油危机影响,这一-技术有了新技术，通过气化装置将生物质原料的能量进行转换的发展。随后瑞典美国、意大利和德国及我国部分过程,可以将固态生物质原料转换成使用方便而且科研院校先后开展了相关研究。目前，国内外正在研究和开发的生物质气化设清洁的高品位的可燃气体。在气化过程中,燃料基本备主要有以下三种类型: ;上要经过氧化、还原裂解(热解)和干燥四个阶段,其(1)固定床上吸式气主要的反应式为.化炉。其基本结构和反应1产可燃气氧化阶段:C + 0=C0+408.84kJ过程如图1。物料由炉顶2C + 02=2C0+246.44kJ加料口加人炉内，气化剂还原阶段:C + C02=2C0-162.41kJ流化床材料由炉体底部的进风口进H20+C=C0+H-118.82kJ人炉内参与气化反应。炉援龙体内气体流动方向为自收稿日期:2007-01-29基金项目:新疆生产建设兵团高新技术研究发展计划项下而上,最终可燃气由上压力通风目(2006CJS13);石河子大学科学基金项目(ZRKX2005028)部的可燃气出口排出。其圈1固定床上吸式气化炉. 46.2007年第3期新疆农机化●农村新能源●优点是:可燃气经过热分解层和干燥层时将热量传拿大通用燃料气化装置有限公司(0mnifuel Gasifica-递给物料,自身温度降低,炉子热效率高;可燃气热tion System Limitred) 设计制造的流化床气化装置、值较高;热分解层和干燥层对可燃气有过滤作用,使美国标准固体燃料公司(Standard SolidFuels Ine)设出炉的可燃气灰分少。缺点是:添料不方便;可燃气计制造的炭化气化木煤气发生系统、德国茵贝尔特中焦油、蒸汽含量较多。能源公司( Imbert Energietechnik GMBH)设计制造(2)固定床下吸式气化炉。图2为其基本结构的下行式气化炉-内燃机发电机组系统等等，气化和气化反应示意图。物料由效率可达60% ~-90%，可燃气热值为(1.7-2.5)x104炉顶加料口加人炉内,气化可繼气kJ/m2。美国近年来在生物质热解气化技术方面有所剂由炉体上部进入炉内,部突破，研制出了生物质综合气化装置-燃气轮机发分气化剂也可随物料一起还厚屋电系统成套设备，为大规模发电提供了样板图。进人炉膛,炉内料层自上而国外生物质气化应用情况主要为:生物质气化下为干燥层、热分解层、氧发电;生物质燃气区域供热;水泥厂供燃与发电并用化层和还原层,最终可燃气的生物质气化站;生物质气化合成甲醇;生物质气化由炉体下部侧壁排出。其优圉2固定床下吸式气化炉合成氨。点是:高温区的温度稳定效应使工作稳定,产出气成与此同时,为满足发展中国家农村用能的需要,分相对稳定;可随时开盖添料;焦油通过高温区被裂一些国家也研究了小型气化设备。日本的Jun Sakai解,因此出炉的可燃气中焦油较少。其缺点是:可燃等人于70年代设计了一台小型木炭煤气装置用于气的流向与热流方向相反,引风机的功耗要求大;出开动4.4 kW的汽油机并取得了成功。类似的装置在炉的可燃气含灰分较多;出炉可燃气温度高需冷却,菲律宾的Central Luzon 大学(1977),美国密执安州炉内热效率较低四。立大学( 1978)和泰国农业部农业工程局( 1980)相继(3)流化床气化炉，图3为单流化床气化炉的研制成功并逐步走向实用化叫。目前，由Thomas结构及气化反应示意图。颗粒Reed和Ron Larson设计的木材增压家用炊事气化状的物料被搅龙送入炉内,常炉,适用于小木块为原料,Co排放量低,安全方便，掺有精选的惰性材料砂子做宜于家用炊事。印度科学研究所研制的IISe小型气为流化床材料,在炉体底部以热牙解应化炉,用木块和团状垃圾作为燃料,输出热功率3~-4氧化團较大压力通人气化剂,使炉内这原膜kW ,一次加料在炉内可以连续反应2 h,进一步降低呈沸腾鼓泡等不同状态。通.f十+可始气了烟尘排放量。UTin Win设计的稻壳户用气化炉对灰室过物料和气化剂充分接触，发稻壳进行高效无烟燃烧,并且，诸如土豆皮、菜叶新生气化反应。流化床气化炉其图3单流化床气化炉鲜生物质等厨房垃圾切碎均可以和稻壳-起参与气优点是物料反应温度均匀,气化反应"。化反应快,产气率高;炉内温度高而稳定,故可燃气2.2国内生物质气化技术现状中焦油含量较少;可燃气热值较高;生产能力大。其从20世纪80年代初开始,我国生物质气化技缺点是:可燃气中灰分含量较多;结构比较复杂;原术一直受到政府和科技人员的重视,“七五”和“八料主要是木屑、稻壳等颗粒度较小流化性能较好的五”期间取得了较大进展。我国自行研制的集中供气物料。系统已进人实用化试验及示范阶段，山东能源研究2.1国外生物质气化技术现状所研制的XFF系列秸秆气化炉在农村集中供气应国外生物质气化领域处于领先水平的国家有瑞用中获得了一定的社会、经济效益;大连市环境科学典、美国意大利德国等。目前，国外生物质气化装设计研究院用研制的IZ系列生物质干馏热解气化置一般规模较大,自动化程度高,工艺较复杂,以发装置建成了可供1 000户农民生活用燃气的生物质电和供热为主，如加拿大摩尔公司(Moore Canada热解加工厂。Lud)设计和发展的固定床湿式上行式气化装置、加然而，目前的集中供气系统普遍存在着所谓的●农村新能源●新疆农机化2007年第3期.“大马拉小车”问题，即许多气化工程欠户现象严重，发展 规划:生物质能转换技术发展方向是改进和完达不到设计要求的户数，使生物质气化设备的利用善生物质气化供气技术心。气化技术研究工作已经率降低，并且焦油问题难以根绝,致使大型输气管网进行到一-定高度,通过改善气化条件,优化炉型结易堵塞,拆卸和清洗不便,气化站运营和维护成本及构,均可以适当改善燃气质量。但生物质气化供气难度都很高叼,燃气的热值和气化强度依然偏低,不技术存在的两大主要难点问题:燃气热值低(2.86x能充分满足用户使用要求。导致大部分气化站开工10 kJ/m2 )和焦油含量高,还需进一步的研究。率低,基本处于停产和半停产状况。(1)对于大型集中供气系统,在现有示范技术我国小型气化炉的研究开发也在逐步发展,形的基础上,为提高生物质的利用率,收集生物质焦成了多个系列的炉型,可满足多种物料的气化要求，油 ,利用现有技术制作沥青等之类的化工物质。在生产、生活用能、发电、干燥、供暖等领域得到利(2)对于户用型气化炉,因生产量小，焦油不易用。如中国农业机械化科学研究院研制的ND系列收集,应继续寻求炉型关键部件和气化条件等的最生物质气化炉,用气化产出气烘干农林产品,设备简优组合,力求降低产出粗气中的焦油含量,简化后续单,投资少，热效率高,对于小型企业及个体户有使燃气净化系统,降低短距离输气管道堵塞的发生率。用价值,其中ND- 600型气化炉已进行较长时间的另外,建议户用型气化炉向炉灶-体化发展，以满足生产运行,取得了一定效益;中科院广州能源所,对不同环境下用户使用,降低使用要求。上吸式生物质气化炉的气化原理、物料反应性能作参考文献:了大量试验,研制出GSQ型气化炉;云南省研制的[1]周中仁,吴文良.生物质能研究现状及展望[J].农业工程QL -50.60型户用生物质气化炉已通过技术鉴定并学报,2005 ,21:12-15.在农村进行试验示范。我国一些典型的生物质气化[2]蔡宪杰张百良.生物质气化供气技术的发展与分析[J]河南农业大学学报,2000,(1):70-73.炉如下表1。[5]邱钟明,陈砺,生物质气化技术研究现状及发展前景[J].表1我国生物质气化炉的典型发展概况可再生能源,2002, 104(4).16- 19.类型型号热输出(kh)用途 研究单位[4]马隆龙,吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用[M].北上吸式GSQ-1100 (1.09 -2.63)x10生产供热广州能源所京:化学工业出版社,2003 .ND 6001.6x10*锅炉供热广州能源所[3]徐庆贤,谢建,张无敌等.云南省生物质气化技术研究现下吸式6.27x10'木材烘干中国农机院QFF -100 1.25x10气化供气山东能源所状[J].可再生能源,2004,(4):66-68.QFF -2000 2.5x10*[切]唐春福,王莹,任永志等各种生物质气化集中供气系统HQ/HD -280B 1.2x10*炉用炊事中国农机院的技术特点[J].可再生能源,2003,(5):24-27.层式下吸式5.76x10*发电原商业部2.16x10江苏省粮食局[6] 吴创之.生物质气化发电技术讲座(2)生物质气化工艺的循环流化床1.316x106生产供热广州能源所设计与选用[].可再生能源,2003, 108.(2):51-52.9.2x10*技术试验中科院化治所[9]钟浩,谢建,杨宗涛等生物质热解气化技术研究现状及其中热值气化炉0.67x10气化供气广州能源所发展[J].云南师范大学学报,2001 ,21(1):3生物质气化技术发展前景[8] 田成民.我国生物质气化技术研究概况[J]化工时刊,2004,18(12);19- -21.美国科学院在《1985- -2010年的能源转变》报告[9] 刘国喜,庄新姝,尹天佑等.生物质气化技术讲座(六)国外中明确指出:到2010年,大规模生物质转化所获得生物质气化技术的应用[]农村能源,2000,(4):12-14.的能量将是1985年能源总需求的20倍,生物质动[10]孙健.以木薯茎秆为原料的生物质气化系统实验研究加业将成为美国仅次于水电的第二大可再生能源[D]广州:华南理工大学,2004.工业。瑞典、意大利德国及欧盟各国政府都在加大[11] S.C.Battacharya and M.Augustus Leon. Prospects for力度投资生物质气化技术的开发。从“七五”开始，biomass gasifers for cooking applications in asia(J]I Thailand,重点安排了秸秆气化集中供气技术的科技攻关和试Asian Institute of Technology 2005:3-8.点示范项目。生物质气化技术已进入了国家“863”[12] 王华军,李淑兰何晓峰等家用生物质气化机关键设计技术研究与分析[J]河南科学,2001,19(14).和“十五”攻关项目。[13]顾念祖,嵇文娟.秸秆气化炉的研究与探讨[J]工业锅根据2000~2015年新能源和可再生能源产业炉,2004,85(3):21-23.