生物质固体废物热解炉的研究开发

摘要:生物质能的开发和利用可缓解当今常规能源短缺和环境污染所带来的压力,热解气化技术可以大大提高生物质能的利用效率。在目前,一般生产可燃气的民用型生物质热解炉主要存在下述问题:产气率低、热值低、焦油含量高、可靠性低、运行参数待优化、燃气安全性低、环境污染等。为克服这些问题,通过热解炉模型试验研究,优化现有生物质热解装置工艺的结构及非结构参数,以提高其热解产品的产量和质量,降低生产成本。

关键词:生物质;热解炉;产气率;热值

中图分类号:7Q545

文献标识码:A

文章编号:1005-569X(2010)05-0126-03

1 引言

能源与环境是当今社会发展的两大主题。经济社会的发展以能源为重要动力,在可持续发展观点不断深入人心的时代背景下,可再生能源逐步受到人们的高度关注,而生物质能作为可再生能源家族中的一员,因其存储量大、可再生、利用方式多元化等可持续发展特性在当今社会能源领域占据了重要的地位[1]。从20世纪80 年代初开始, 经过近20 年的努力, 我国生物质气化技术已逐步发展起来。我国自行研制的集中供气和户用气化炉产品已进入实用化试验及示范阶段, 形成了多个系列的炉型, 可满足多种物料的气化要求, 在生产、生活用能、发电、干燥、供暖等领域得到利用。但与国外先进水平相比,仍有较大差距[2]。目前,我国生物质热解气化技术存在的主要问题有:①燃气热值偏低。一般约为4500~5000kJ/m3;②焦油含量偏高。一般均超过国家有关标准的数倍之多,影响居民正常使用;③燃气中含氧量较高,安全隐患大。有的热解气含氧量高达近3.5~4.0%,非常接近发生炉煤气的爆炸下限;④污水排放引起环境污染。目前的热解气净化多采用水洗,这不仅会溶解可燃气造成浪费,吸附的焦油还会造成水体污染;⑤缺乏对气化、净化设备技术性能参数的系统测试等[3~5]。

总之,我国的生物质气化技术水平仍处于初级阶段,其气化产品的产量和质量、气化设备的性能和可靠性、运行参数的合理确定、燃气的安全使用、环境污染问题等,均是影响该技术推广使用的问题,亟待进行研究解决。

2 热解炉的工作原理

热解炉内燃料层自上而下可以分为3层:干燥层、热解层和气化层(包括氧化层和还原层),运行稳定时,一定粒度的生物质原料进入气化装置后首先在干燥层燥,随着料层的下落,伴随温度的升高,析出挥发分,并在高温下裂解(热解) [6,7]。裂解后的气体和炭在氧化层与供入的气化介质(空气)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。氧化后的气体含有一些不可燃气体,如:CO2、H2O等,经还原反应减少其含量。最终生成了含有一定量的CO、H2、CH4及部分不饱和烃CmHn的混合气体,净化后即可燃用[8]。干燥的燃料在热解过程中产生CO、CO2、H2 ,焦油蒸气及少量的CH4、CmHn等气体以及固体焦[9]。随后,固体焦发生如下的氧化,还原反应[10]。

氧化阶段:C+O2=CO2+408.84kJ

2C+O2=2CO+246.44kJ

还原阶段:C+CO2=2CO-162.41kJ

H2O+C=CO+H2-118.82kJ

2H2O+C=CO2+2H2-75.24kJ

H2O+CO=CO2+H2-43.58kJ

3 上吸式生物质固体废物热解炉的设计

3.1 热解气化炉气化剂需要量的计算

3.1.1 秸秆完全燃烧所需的空气量

秸秆含有碳、氢、氧、氮、硫等元素,由于氮和硫的含量非常低,所以,研究中不考虑氮、硫与氧的燃烧反应,只考虑碳、氢与氧的燃烧反应[11]。

碳完全燃烧的反应:

C+O2=CO2

12.000kg 22.400m3

1kg碳完全燃烧需要1.866m3氧气

氢燃烧的反应:

4H+O2=2H2O

4.032kg22.400m3

1kg氢燃烧需要5.550m3氧气

1kg原料中已经含有氧[O],相当于已经供给[O]×22.4/32=0.700[O]m3氧气,氧气占空气的21%,所以玉米秸秆完全燃烧所需的空气量V(m3/kg)=(1.866[C]+5.55[H]-0.7[O])/0.21。

表1 玉米秸秆的元素分析(干燥基)

元素[C][H][O][N][S]灰分

含量/%45.436.2446.360.920.170.88

由表1可知,玉米秸秆所含主要元素的含量为[C]=45.43%,[H]=6.24%,[O]=46.36%,[N]=0.92%。

玉米秸秆完全燃烧所需的空气量[12]V=(1.866[C]+5.550[H]-0.700[O])/0.21=(1.866×45.43%+5.55×6.24%-0.700×46.36%)/0.21=4.143m3/kg

3.1.2 秸秆气化所需的空气量

图1中的曲线为生物质气化时空气的当量比与产出气成分之间的关系曲线。由图1可以得出当量比为0.00时,没有氧气输入,直接加热原料的反应属于热分解反应,虽然可以产生H2、CO、CH4等可燃成分,但产出气中焦油含量很高,且约占物料质量的30%的炭不能同时转变为可燃气体;当量比为1.00时,原料与氧气完全燃烧,不能产生可燃气;只有在当量比为0.25~0.30,产出气成分较理想,即气化反应所需的氧仅为完全燃烧时耗氧量的25%~30%。当生物质物料中水分较大或挥发成分较小时取上限,反之取下限。

图1 燃气成分和空气量的关系

所用原料的含水率W=7.37%,较低,所以可以取当量比的下限值,取当量比a0=0.25,则气化所需要的空气量[12]V0=a0×V=0.25×4.143=1.036m3/kg

3.2 试验用气化炉的炉体结构

试验用气化炉的炉体结构如图2。

图2 试验用气化炉炉体结构示意

4 热解炉的性能试验研究及其结果

原料是生物质中典型的玉米秆,物料称重采用TGT-100型台秤,秸秆破碎用9FQ-20多用粉碎机,气体采样用100mL全玻璃注射器,供风采用CZR型120W离心式交流鼓风机,管道风速测定采用QDF-2A型热球式电风速仪,炉内温度测定用WRN型热电偶和电子式温度指示控制仪,气体成分分析采用QF型1901-1904型奥式气体分析仪。

试验步骤:首先检查试验装置的气密性,保证气化炉和管道系统的密闭性,检查各个仪器能正常使用,将原料破碎到粒径

图3、图4、图5反映了在不同的气化剂量的情况下,气化炉内部下层温度和气体的成分在开始试验1h内的变化。

图3 风量为1.8m3/h时,温度、气体含量和成分随时间的变化

2010年5月绿 色 科 技

第5期

图4 风量为2.4m3/h时,温度、气体含量和成分随时间的变化

图5 风量为3.3m3/h时,温度、气体含量和成分随时间的变化

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文

从图3、图4、图5可知,①在低的气化剂流量下,需要达到最高温度的时间较长,影响热解气化效果;②气化剂的流量对升温速率影响比较大,升温速率随气化剂流量的增多而增大,然而气化剂量过大会使得试验后期温度下降较快,同样影响了热解气化效果;③气化剂的流量大小对其最高温度也有影响,气化剂量大,达到的最高温度也高;④气化剂量小,造成燃烧不充分,温度升高慢,使得炉内温度较低,热解气可燃成分含量低;⑤气化剂量大,虽然可以升至较高的温度,但是空气过量容易形成局部烧穿现象,影响传热,使得热解过程不能持续进行,也造成可燃气成分含量较低。

因此气化剂量是热解气化的关键因素,它直接影响到炉内的温度和升温速率,并影响炉体不同位置的温度变化情况,而温度和升温速率是热解气化的关键因素,温度的提高和升温速率的加快促进了气化的过程。

5 结语

在当前进度条件下,通过模型试验,研究了影响生物质热解可燃气产量及质量的主要因素,获得了固定床热解装置的合理结构的工作参数。通过试验研究,提高了固定床生物质(主要是农林废物)热解工艺的产气率及产品(主要是热解可燃气)的质量;提高了生物质热解装置的生产稳定性;降低热解产品的生产成本;探讨了降低热解可燃气中粉尘及焦油含量的途径。总的来说,该热解炉可广泛使用于我国生物质固体废物的处理和利用领域,有较广阔的应用前景。

参考文献:

[1] 殷福珊.中国生物质能源的发展现状及趋势[J].日用化学品科学,2006(11).

[2] 杜 瑛,胡常伟.生物质热解前景研究[J].山西师范大学学报(自然科学版 ),2007(2).

[3] 张无敌,宋洪川,夏朝风,等.高热值生物质热解气化技术的探讨[J].新能源,1999,21(1):19~12.

[4] 田成民.我国生物质气化技术研究概况[J].化工时刊,2004(12).

[5] ENCINAR J M, BELTRAN F J , RAMIRO A, et al . Pyrolysis gasification of agricultural residues by carbon dioxide in the presence of different additives : influence of variables [J].Fuel Processing Technology, 1998, 55( 3):219.

[6] 李 鹏,王维新,吴 杰,等.生物质气化及气化炉的研究进展[J].新疆农机化,2007(3).

[7] 邱钟明,陈 砺.生物质气化技术研究现状及发展前景[J].可再生能源,2002,104(4):16~19.

[8] 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,2003.

[9] 罗 凯,陈汉平,王贤华,等.物质焦及其特性[J].可再生能源2007,25(1).

[10] 徐庆贤,谢 建,张无敌,等.云南省生物质气化技术研究现状[J].可再生能源,2004(4):66~68.

[11] XIU SN, YI WM,LIBM.Flash pyrolysis of agricultural residues using aplasm a heated laminar entrained flow reactor[J].Biomass and Bioenergy,2005(29):135~141.

[12] 朱孔颖,许德浦.小型秸秆气化炉的改造与应用[J].污染防治技术,2004,17(2).

Research and Development on Pyrolytic Oven of Biomass Solid Waste

Tianrenzhu,Xueyong,Qinyang,Chenkezhong

(Southwest University of science and Techenology Education priority key laboratory of Solid

waste treatment and the resource-rization of province Ministry build together,Sichuan

Mianyang621010,China)

Abstract: The biomass energy development and the use may alleviate the pressure which now the conventional energy source decreasing and the environmental pollution brings,pyrolytic gasification technology may greatly enhance the using efficiency of the biomass energy.At present,Civil biomass pyrolytic oven of producing the combustible gasmainly existence following question,such as low gas-produced rate,low calorific value was, high tar content, lowreliability ,not a tunablemovement parameter low, the fuel gas security, the environmental pollution and so on.In order to overcome these questions, through the pyrolytic oven model experiment , the existing biomass installment craft structure and the non-design parameter was optimized, the output and the quality enhances its thermal pyrolytic production, the production cost was decreased.

Key word: biomass;pyrolytic oven;gas-produced;calorific value

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文