生物质热解利用系统的实验研究

2009年3月农机化研究第3期生物质热解利用系统的实验研究王志伟,何晓峰,赵宝珠,白炜,朱金陵,雷廷宙(河南省科学院能源研究所有限公司/河南省生物质能源重点实验室,郑州450008)摘要:根据产气量为20m3/h的热解炉,以玉米秸秆颗粒为生物质原料,对额定功率为10kW的燃气发电系统及其相关的焦油裂解装置进行了研究,得出玉米秸秆颗粒在热解温度为470℃左右时,燃气的热值最高,以煅烧的白云石和镍基催化剂组成的焦油裂解装置,在催化裂解温度为850℃时,可达97%以上的焦油裂解率。结合对热解气副产物生物质炭的分析,得出了生物质热解利用系统的产出能量大概分布,为生物质能源的高效综合利用提供一定的参考关键词:生物质;热解;发电;焦油图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1003-188X(2009)03-0150-040引言利用生物质燃气。该装置实现自动化控制,运行稳定。该设备主要由加热器、热解炉体、螺旋进料器、热生物质能是唯一可以运输的可再生能源,在能源解气管道、排炭口等组成。利用中占有重要的地位。预计到21世纪中叶,采用1.1.2生物质焦油裂解装置新技术生产的生物质替代燃料将占全球总能耗的自行设计的焦油催化裂解反应器采用固定床式40%以上{。我国生物质资源中每年可作燃料利用内径为60mm,外径为200mm,高为1400m,上段装的农作物秸秆和林木废弃物折合约3.5亿t标准煤,煅烧的白云石,占固定床容积的40%,下段装镍基催加上能源作物、工农业有机废料等,我国生物质资源化剂,占固定床容积的60%。镍基催化剂具有很好的约5.5亿t标准煤2。生物质能的高效综合利用是能催化裂解焦油特性“。煅烧的白云石相比镍基催化源利用和发展的重要方向。生物质中的农作物秸秆剂较便宜,在镍基催化剂的上游,装填煅烧的白云石和林木废弃物等热解能够产生热值较高的生物质燃能够有效地减少镍基催化剂的积碳。裂解器前后有气,可用于多种动力设备的发电或炊事等同时产取气孔,中部是加热器。生物质焦油裂解装置,如图1生具有较高利用价值的生物质炭。本文结合生物质所示。热解炉、焦油裂解装置燃气发电机等设备,分析了以热解炉裂解前取气玉米秸秆颗粒为原料的生物质热解利用系统,以探索农林废弃物的资源化、能源化综合利用途径。烧的自云石1实验装置加热器1.1热解及利用系统主要装置基催化剂1.1.1生物质热解炉本实验所利用的主要生物质转化装置是自行设裂解后取气计的产气量为20m3/h的生物质连续热解炉。通过螺旋进料器将生物质压缩颗粒、小木块、木屑等原料送进热解炉,根据不同生物质的热解特性提供不同的热解温度,以产生生物质燃气和生物质炭等。热启动时图1生物质焦油裂解装置简图利用天然气供热解所需热量,热解气稳定产出后切换Fig. I Schematic diagram of biomass tar cracking equip1.1.3生物质燃气发电机收稿日期:2008-04-25该生物质燃气发电机是额定功率为10kW的内燃作者简介:王志伟(1980-),男,河南平顶山人,助理研究员,硕士(E-mail)bioenergy 66( 163. com.式燃气发电机,可满足热值在3MJ/m3以上的生物质2009年3月农机化研究第3期气的发电,发电效率可以在18%以上。该设备主要由1.24快速量热仪发动机、发电机、蓄电池、冷凝循环水箱等组成。本发生物质颗粒及其颗粒炭的热值采用5E快速量热电系统的电力不外输,因此配备的负载装置由可以调仪。该设备利用恒温式外筒,氧弹置于内筒水中,将节功率大小的电热取暖器6台(额定功率1.5kW),灯样品置于密闭的氧弹中,在充分氧气的条件下燃烧,泡20只(0.1kW10只,0.06kW10只)。根据燃烧后内筒中水温的上升等测出样品的弹筒热1.2分析仪器装置值,结合元素分析数据计算出样品的低位热值。1.2.1气相色谱分析仪1.2.5焦油含量测试装置生物质热解气的产物采用2台GC-9800气相色焦油测量装置主要包含湿式气体流量计、取样谱分析。一台色谱釆用TDX-01分离柱,氦气为载器、分析天平、干燥箱等。将干燥箱处理好的玻璃滤气,TCD检测器,分离H2,O2,N2,C,CH4,CO2等气体膜和聚乙烯薄膜装入取样器,结合湿式气体流量计进组分;另一台色谱采用PQ分离柱,氮气为载气,FD行焦油的捕集,利用分析天平进行称重和比较。计算检测器分离CH4,C2H4,C2H5及C气体组分。公式为1.22全自动元素分析仪生物质颗粒及其颗粒炭的元素分析采用EA3000元素分析仪。该设备利用封闭式燃烧系统使样品在式中G1-取样前玻璃滤膜和聚乙烯薄膜的质量(g);其中完全燃烧,燃烧的产物被氦气送人色谱填充柱中C2一取样后玻璃滤膜和聚乙烯薄膜的质量(g);得到分离,利用TCD检测器检测的燃烧产物的浓度v一换算至标准状态下的取样体积(L);从而计算样品中的C,N,H,S,O元素的含量。c焦油的浓度(g/m3)。123全自动工业分析仪生物质颗粒及其颗粒炭的工业分析采用5E全自2结果分析动工业分析仪。基于热重分析方法,将远红外加热设2.1原料物性分析备与称量电子天平相结合,在特定的气体条件下、规热解原料为玉米秸秆颗粒(直径为8mm),玉米秸定的温度和时间内对受热过程中的样品进行称重计秆采自郑州市郊区,用全自动元素分析仪、工业分析算出试样的水分、灰分、挥发份等指标。仪及快速量热仪分析得出物性,如表1所示。表】玉米秸秆颗粒的物性分析Tab. I Properties and ultimate analysis data of com straw kemel工业分析/%元素分析/%低位发热量/MJ·kg-1FCC4.870.1922热解气净化及焦油裂解裂解较大,温度升高裂解率增加不明显)。焦油的裂热解气中含有的尘粒杂质及焦油,是其利用的重解计算采取公式,即要障碍,因此需要净化处理。热解气被罗茨风机抽出CIVI -C2U热解炉后,先经过旋风分离器。旋风分离器上部为圆筒形,下部为圆锥形。含尘气体由圆筒上部的进气管式中焦油裂解率(%沿切向进入旋风分离器。受器壁约束而旋转向下做c1-裂解前焦油含量(g/m3);螺旋形运动,在惯性离心力的作用下,尘粒被甩向器c2-裂解后焦油含量(g/m3);壁与气流分离再沿壁面落至锥底的排灰口6。净化v1一裂解前燃气流量(m3/h);后的燃气由顶部排气管排出,并且进入焦油催化裂解v2-裂解后燃气流量(m/h)。系统。利用焦油含量测试装置得出裂解前生物质焦油含焦油是生物质热解的产物,也是生物质燃气利用量为19.5g/m3,裂解后生物质焦油含量为0.46g/的重要障碍。利用自行设计的焦油催化裂解固定床裂解前的燃气流量为20.10m3/h,裂解后的燃气流量反应器进行焦油催化裂解,在取样流量为210-240L/为20.09m3/h,焦油裂解率为96%。h,催化裂解温度恒定在850℃的条件下分析焦油的裂2.3裂解后气体成分分析解情况(基于此前做过的相关实验在850℃左右焦油裂解后的生物质燃气用2台GC-9800气相色谱2009年3月农机化研究第3期分析仪分析产物的组成及热值随热解温度变化,如表2和图2所示。表2玉米秸秆颗粒的热解温度及其气体成分Tab 2 Pyrolysis temperature and gas products of com straw kernel气体成分体积含量/%热解温度/℃低位热值/MU·m3N2CH CO, CH+CHs c24.2114.3920.7113.1221.123.450.9312.8535.510.231.2615.424.070.4316.1I3l.620.391.912517.9417.924.190.8817.238217.0815.990.5617.5250038.950.050.9625.7515.7614.402915.8553038790101162642150414603610.201545率计算式为5050式中V一单位时间内燃气内燃机消耗的生物质燃气q燃气内燃机发电效率(%);LH一生物质燃气的低位热值(MJ/m3);35038C440470530560P-单位时间内燃气内燃机的输出电功率热解温度(kW)。氢气颗一氧气氧化碳二氧化碳—●一乙烯乙烷碱三以上气体—气体低开启燃气发电机,运行稳定后其最大输出功率为位热值95kW,发电效率最高可达20%。其中,气柜中消耗的图2玉米秸秆颗粒的热解温度及其气体成分气体除开启和结束时外,其余18m3均达到了输出功率Fig2 Pyrolysis temperature and gas products of com straw kermel95kW和发电效率20%,整个发电过程运行平稳。由图2可以看出气体成分随热解温度的变化,热2.5热解气副产物的分析解温度在470℃时,生物质热解燃气的热值最高。而在玉米秸秆颗粒经过热解炉后获得生物质燃气,同380~530℃间,热解气低位热值均在12MJ/m3以上,最时可以得到玉米秸秆颗粒炭。在热解温度为40℃左高热值达到17.52M/m3,可以满足生物质燃气内燃机右时,每千克玉米秸秆颗粒经过热解炉后得到热值为发电。15MJ/m3以上的生物质燃气0.69m3,同时产出玉米秸24燃气内燃机发电秆颗粒炭0.159kg。玉米秸秆颗粒炭的物性分析如表开启内燃机发电前稳定热解温度在470℃左右,3所示。玉米秸秆热解前后的变化,如图3所示。秸运行1h使20m3的贮气柜充满取气柜中少量气体测秆颗粒形状基本不变尺寸有所缩小。得气体低位热值为1591M/m。燃气内燃机发电效表3玉米秸秆颗粒炭的物性分析Tab 3 Properties and ultimate analysis data of com straw kemel charcoal工业分析/%元素分析/%低位发热量/MJ·kg109.2059.0628.982.762.0222.II玉米秸秆颗粒热解利用系统的能量分布可由图4所示,产生了生物质燃气,约占输入的玉米秸秆颗粒能量的65%,同时产生的玉米秸秆颗粒炭约占输入能量式的20%整个能量转化损失的占输人能量的15%玉米秸秆颗粒炭等生物质炭可用于制药食品、轻图3玉米秸秆颗粒热解前后工、医药冶金、化工等领域,也逐渐用于环保、净水、空Fig 3 Form of com straw kernel before and after pyrolysis气分离、生物工程、高能电极材料高效催化剂载体等2009年3月农机化研究第3期领域。。随着热解技术和生物质炭转化技术的逐步成的进一步裂解提供有益条件。熟,其具有越来越广的利用前景。3)除去约占15%的转化能量损失,玉米秸秆颗粒热解损失热解利用系统可产出约占能量65%的燃气和约占能量20%的颗粒炭。燃气可用于发电,颗粒炭可用于工农生物质燃气业生产或空气净化环保等。生物质炭参考文献:[1]中国农业部/美国能源部项目专家组中国生物质能转换技术发展评价[M].北京:中国环境科学出版社,1988:1图4生物质热解利用系统能量分布简图Fig 4 Schematic diagram of energy distribution about biomass pyrolysis[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会可再生能源中3结论长期发展规划[EB/OL].2007-09-04.www,china.comcn/policy/txt2007-09/04/content_9252708 htm1)产气量为20m3/h的热解炉中,玉米秸秆颗粒3]RobR.wal. The BioMax A New Biopower Option for Dis在热解温度为470℃左右时,燃气的热值最高,达到tributed Generation and CHP[J]. IEEE, Power engineering17.52MJ/m3。在热解温度为380~530℃,热解气低Society General Meeting, 2004 (2): 1653-1656位热值均在12.85M/m3以上,完全可以满足生物质4]C.Cum,.E. Makana,C.Pet,eal. Development of Ni燃气内燃机发电。例如,10kW的燃气发电机以热值catalysts for gas production from biomass gasification[ J].Ca.为159MJ/m3的生物质燃气为燃料,运行稳定后最talysis Today, 2000, 63: 427-437[5]金志刚燃气测试技术手册[K].天津:天津大学出版社,大输出功率可达95kW,发电效率可达20%。该发电5系统可为农林废弃物等生物质能的利用提供比较合[6]王素兰,张全国生物质气化焦油净化装置的设计与研究理的途径。[玎].可再生能源,2007,25(1):29-312)以40%的煅烧白云石和60%的镍基催化剂组[7]周劲松,王铁柱骆仲泱等生物质焦油的催化裂解研究成的焦油裂解装置,在催化裂解温度为850℃水平段[].燃料化学学报,2003,31(2):144-148时,可达97%以上的焦油裂解率。煅烧的白云石能有[8]蒋恩臣何光设生物质热分解技术此较研究[可再生效地减少镍基催化剂的积碳,为焦油在镍基催化剂中能源,2006,128(4):38-62Experimental Study of Utilization System on Biomass PyrolysisWang Zhiwei, He Xiaofeng, Zhao Baozhu, Bai Wei, Zhu Jinling, Lei TingzhouEnergy Research Institute Co., Ld /Key biomass Energy Lab of Henan Province, Henan Academy of Sciences, Zhengzhou 450008, ChinaAbstract: In the paper, according to pyrolysis oven with 20m/h biomass gas production rate, com straw kemel is takenas biomass feedstock, biomass gas generation system with 10k W nominal power output and it s tar cracking equipment arestudied. The result shows that the heat value of biomass gas can be maximum at about 470C. Conversion of tar catalyticcracking is more than 97% at 850C with equipment made of calcined dolomite and Ni base catalyst. Combined with a-nalysis of by-product biomass char of pyrolysis gas, energy general distribution about biomass pyrolysis utilization systemis educed, some references may be provided for high efficiency and comprehensive utilization of biomassKey words: biomass; pyrolysis; generation; tar