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1、生物质气化炉优化设计及原料的试验研究摘要由于生物质能具有储量大、环境友好等特点，生物质气化技术尤其是户用型生物质气化炉有相当的应用研究价值。在了解了国内外生物质气化炉发展水平的基础上，分析比较各类型生物质气化炉设计的优缺点，提出针对相应缺陷的解决方案，并分析研究改进型生物质气化炉对各种原料的适应性。关键词户用型；生物质；气化炉；环境友好；原料比较1 引言人类正面临着发展与环境友好的双重压力。经济社会的发展以能源为重要动力，经济越发展，能源消耗越多，尤其是化石燃料消费的增加，就有两个突出问题摆在我们面前：一是造成环境污染日益严重，二是地球上现存的化石燃料经不起无休止的消耗。生物质能是由植物的光合
2、作用固定于地球上的太阳能，通常包括农业废弃物、木材及森林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃圾以及能源作物等，最有可能成为21世纪主要的新能源之一。生物质能具有以下特点：(1)属于可再生能源，可保证能源的继续利用；(2)种类多而分布广，便于就地取材，利用形式多样；(3)相关技术已经成熟，可贮存性好；(4)节能、环保效果好。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料，生产电力。而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。专家认为，生物质能源将成为未来持续能源重要部分，到2015年，全球总能耗将有40来自生物质能源1-2。2
3、生物质能气化技术的应用前景我国是一个农业大国，每年产生农作物秸秆8.7亿t，其中2.8亿t 用于能源消费，占农村能源消费总量的70%3。在我国农村地区，仅秸秆等农林生物质废弃物资源量就有7lOe8ta，相当于3.1lOe8t标准煤4。大量秸秆的废弃和焚烧现象已持续多年。合理有效地利用这些资源，是一件利国利民、具很大社会、经济、生态效益的大事。户用型生物质气化炉的推出，使大面积使用可再生能源技术成为可能，具有良好的市场前景。近年来，随着农村经济的发展，生物质气化技术得到了推广和使用，而目前户用型生物质气化炉具有气化率达70%、常压产气、随产随用、无贮气装置、炉体结构合理、外壳无高温、产气稳定、燃
4、烧时无烟无味、火焰稳定、一次加满原料可连续产气3 h，满足一般农户一天的生活用能需求的特点4。当然，要使户用型生物质气化炉在农村大规模的应用，还需要算一笔经济账,通过试验了解到：1公斤秸秆大概可产1立方米燃气，成本不过01元，造价比煤气、石油液化气、烧煤烧柴都低，农户每月支出不过3040元。再一笔是环境效益账：男不砍树，女不抱柴，使生活和生态环境焕然一新，既减少了垃圾，又减少了烧大锅引起的大气污染，为将来的可持续发展打下了基础，为新农村建设打下了基础，宏观效益难以估算。3 生物质气化机理及气化技术概况3.1 气化机理生物质气化是利用空气中的氧气或含氧物作气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃
5、部分转化为可燃气(主要是H 、CO和CH )的热化学反应过程。生物质的挥发分含量一般在76 86 ，生物质受热后在较低的温度下就能使大量的挥发分物质析出。生物质气化炉可以分为固定床气化炉和流化床气化炉两种类型。3.2 气化技术概况3.2.1 国外情况上世纪7O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。现已达到了较高水平，如德国鲁奇公司进行100MW 生物质气化联合循环发电(BIGCC)的示范工程，美国可再生能源实验室和夏威夷大学研究开发的Battelle生物质气化发电系统(BIGCC)及瑞典开发成功的TPS生物质的BIGCC系统 目前欧美国家正在致力于生物质气化合成甲醇、制氢燃料
6、的研究。其生物质气化装置均为流化床气化炉，使用氧或水蒸汽作气化剂，产生中热值煤气。美国国家再生能源实验室曾研制成功生物质双器流化床气化炉该方法不用氧而使用空气和水蒸汽生产中热值燃气，并建立了示范厂。由于运行时焦炭和热载体都在高温下进行循环，难以定量控制，使得难以稳定运行目前这种技术尚无实际应用2。3.2.2 国内情况我国的生物质气化技术应用研究起始于上世纪80年代初。目前国内已经开发成功一些生物质气化技术，主要是固定床气化炉，这种固定床气化炉在全国一度有百台以上应用于农村作燃料使用。由于这种气化炉产生的燃气热值低，一般为45MJm，运行不稳定，燃气中焦油含量高，造成后系统堵塞和腐蚀；由于规模小
7、、经济性差，目前大部分处于停运状态。2O世纪9O年代初国内才开展生物质流化床气化的研究，中科院广州能源研究所研究开发了循环流化床气化炉应用于发电，中国林科院林化所研究开发的内循环锥形流化床气化炉应用于燃气生产。这两种流化床气化炉均为常压、采用空气作气化剂，产生低热值燃气。目前已在国内进行了推广。但从总体上来说，我国生物质气化技术水平不高，规模偏小与发达国家生物质气化技术相比还比较落后。由于生物质气化是新技术，同时也是传统煤气化技术基础上的延伸和嫁接，因此我国的生物质气化技术发展应在吸收国外先进技术的基础上，结合我国资源情况、经济发展水平和社会发展的需要，创造出适合我国国情的生物质气化新技术。4
8、 生物质气化技术的试验研究在了解了生物质气化机理及气化技术的概况的前提下，自建了多功能户用型生物质气化炉的实验台，在实验台上进行了了主要技术性能的试验研究，获得了气化炉气化性能运行规律，论证了其设计的合理性以及气化炉改进的效果，并得出了该类型生物质气化炉针对不同生物质原料的性能参数。4.1 实验系统和方法介绍4.1.1 系统的结构及组成自建的气化实验台包括主体反应器户用型多功能生物质气化炉、供风系统（风机及管道）、焦油净化系统、测温系统、供热装置（加热水）、储气装置、燃气旋流式燃烧器(灶头)等装置，如图1。 图1.户用型多功能生物质气化炉4.1.2 气化实验炉本实验使用的气化反应器为自行设计的
9、改进型户用生物质气化炉，它采用上吸式固定床，应用了炉膛集中燃烧和尾部配风的专利技术以及炉膛口径自喉部一下渐缩的独特炉型。改进了的进风口(见图3)，让风机打入的空气先进行环流分布和预热后再进入炉体内，避免因为进风和排气不在同一轴线上而出现燃烧偏离现象；喉部上部炉体为圆筒，避免搭桥现象。炉体结构如图35. 图2 优化后炉体结构 图3 改进后进风口4.1.3 实验方法实验选用家具厂锯木屑，樟树树叶，稻草，糠皮，秸梗等作为气化原料，以空气作为气化剂进行实验，并且在了解各种生物质原料的工业分析成分之后，比较了各原料产生的气化燃气稳定燃烧的时间及燃烧强度。4.2 实验结果及数据分析4.2.1 各生物质原料
10、工业分析成分 首先了解几种生物质的工业成分6，才能更好的分析对比这些生物质的气化优劣性能。表1 几种生物质的工业分析成分工业分析成分种类水分（）挥发分（%）固定碳（%）灰分（%）低位热值（MJ/Kg）樟树树叶9.9360.0614.5315.4811.787锯木屑7.1666.3215.7710.7514.645稻草4.9765.1116.0613.8613.970玉米秸4.8771.4517.755.9314.450糠皮10.0563.9714.7611.4015.807在自行搭建的实验台上针对改进型户用生物质气化炉进行了主要技术性能的试验研究，其中包括生物质原料、鼓风量、气化强度等参数对气
11、化性能的影响，净化装置的脱除效果研究对气化指标的影响等。经过多次实验，我们得到以下相关结论：(1)原料的含水率对气化炉的气化性能有显著影响，一般物料的含水率控制在715时，燃气的热值最为理想。(2)气化时，要形成稳定的料层结构，物料层必须达到一定的高度。当物料层高度在600700 mm时，此时基本上是气化炉满炉运行的情况，燃气品质较好，气化效率可稳定达到65以上，同时焦油和灰尘的含量也大大降低，燃气出口的温度在60左右。(3)改变鼓风量是气化炉最简单迅速的调节手段之一，综合各项性能指标来看，存在一个较佳的鼓风量范围，当然这个范围会随着物料的不同有所差异。（4）通过实验发现，糠皮在所研究的几种生
12、物质中，其产气热值最高，但又有几点显著的缺点：糠皮自然堆积角大，流动性差，反应区易于搭桥、穿孔，不能形成稳定的床层。糠皮中木炭的机械强度很低，在大量挥发分析出后，不能保持现状，迅速形成细而散的炭粒，降低了反应的活性和反应区的透气性。另外，樟树叶在气化过程中会长生较多的黄色颗粒，堵塞燃烧器，并且产气不稳定，不太适合作为气化原料。表2 气化炉运行参数原料类型原料量(Kg)空气量(m/h)运行时间(h)单位时间原料消耗量樟树树叶5.62.21.853.03锯木屑9.52.23.642.61稻草6.12.22.122.88糠皮8.82.23.082.86玉米秸6.62.62.482.662.22.84
13、2.321.83.321.99由表2中数据可知，对于不同的生物质原料，单位时间原料消耗量有比较大的差异，说明它们的产气率存在差异：另外在相同原料投入量的情况下，气化炉的运行时间随着通人气化空气量的增加而变短；通入空气量增大，供氧充足，炉内氧化层放出热量增多，炉膛反应温度升高，整体反应速度加快，单位时间的原料消耗量也变大；即可以通过调节鼓风量的大小改变气化炉的生产能力。当然为了保证气化反应的品质和合理的运行时间，入的空气量也是有一定范围的。 所以，选择合适的气化原料对于得出理想的产气效果是十分重要的，通过改变送风量也能起到延长燃气稳定燃烧时间的效果。5 结束语现阶段户用生物质气化炉的推广应用已具
14、有了良好的政策环境和小范围应用的基础，下一步应努力创造条件，做大做强户用生物质气化炉的产业。随着经济的进一步发展，农村改革的进一步深入，生物质气化技术必将受到相当的重视，并且，生物质气化技术也在一天天趋近成熟，生物质能替代化石原料逐步成为可能。6 参考文献1吴正舜，吴创之，郑舜鹏4 MW 级生物质气化发电示范工程的设计研究J，能源工程，2003(3)：14-17. 2 宋旭,于钦凯,夏利江. 生物质气化技术的发展与研究J,科教前沿，2010.3张平.发展户用生物质气化炉J，能源研究与利用，2006（6）.4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(工学版)，2007，(37)：1-75刘吉普.多功能生物质气化炉的优化设计J，太阳能，2008（2）.6 郑 昀 ，邵 岩 ,李 斌.生物质气化技术原理及应用分析J.热点技术，2010(2).
