生物质固体废物热解炉的研究开发

缘色科技2010年5月第5期Joumal of Green Science and Technology生物质固体废物热解炉的研究开发田仁祝,薛勇,秦杨，陈科仲(西南科技大学固体废物处理与资源化省部共建教育部重点实验室，四川绵阳621010)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;热值中圈分类号:7Q545文献标识码:A文章编号:1005-569X(2010)05-0126-031引言能源与环境是当今社会发展的两大主题。经济2热解炉的工作原理社会的发展以能源为重要动力,在可持续发展观点热解炉内燃料层自上而下可以分为3层:干燥不断深人人心的时代背景下,可再生能源逐步受到层、热解层和气化层(包括氧化层和还原层),运行稳人们的高度关注,而生物质能作为可再生能源家族定时，一定粒度的生物质原料进人气化装置后首先中的一员,因其存储量大、可再生.利用方式多元化在干燥层被干燥,随着料层的下落，伴随温度的升等可持续发展特性在当今社会能源领域占据了重要高,析出挥发分,并在高温下裂解(热解) 6.]。裂解的地位中。从20世纪80年代初开始，经过近20后的气体和炭在氧化层与供人的气化介质(空气)发年的努力，我国生物质气化技术已逐步发展起来。生氧化反应并燃烧,燃烧放出的热量用于维持干燥、我国自行研制的集中供气和户用气化炉产品已进入热解和还原反应。氧化后的气体含有一些不可燃气实用化试验及示范阶段，形成了多个系列的炉型，体,如:CO2、H2O等,经还原反应减少其含量。最可满足多种物料的气化要求，在生产、生活用能、发终生成了含有一定量的CO.H2、CH,及部分不饱和电、干燥、供暖等领域得到利用。但与国外先进水平烃C.H。的混合气体,净化后即可燃用8。干燥的相比,仍有较大差距[2]。目前，我国生物质热解气化燃料在热解过程中产生CO.CO2、H2,焦油蒸气及技术存在的主要问题有:①燃气热值偏低。- -般约少量的CH, .C_H。等气体以及固体焦[0]。随后,固为4500~5000kJ/m2 ;②焦油含量偏高。一般均超体焦发生如下的氧化,还原反应([0]。过国家有关标准的数倍之多,影响居民正常使用;③氧化阶段:C+O2 = CO2 + 408.84kJ燃气中含氧量较高,安全隐患大。有的热解气含氧2C+O2 = 2C0+246.44kJ量高达近3. 5~4.0%,非常接近发生炉煤气的爆炸还原阶段:C+CO2 =2CO- 162. 41kJH2O+C=C0+ H2-118.82kJ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2H2O+C=CO2 +2H2-75.24kJ的焦油还会造成水体污染;⑤缺乏对气化、净化设备H2O+CO= CO2 + H2- 43.58kJ技术性能参数的系统测试等(~5]。3.上吸式生物质固体废物热解炉的设计总之,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3.1热解气化炉气化剂需要f 的计算可靠性、运行参数的合理确定、燃气的安全使用、环3.1.1秸秆完全燃烧所需的空 气量境污染问题等,均是影响该技术推广使用的问题,亟秸秆含有碳、氢、氧、氮、硫等元素,由于氮和硫待进行研究解决。的含量非常低,所以，研究中不考虑氮.硫与氧的燃收稿日期:2010-05-04作者简介:田仁祝(1986-).女,主要从事环境工程专业研究。126田仁祝等:生物质固体废物热解炉的研究开发能源技术饶反应，只考虑碳、氢与氧的燃烧反应[1]。所用原料的含水率W=7. 37%,较低,所以可碳完全燃烧的反应:以取当量比的下限值,取当量比ao=0.25,则气化.C+Oz = COr所需要的空气量[12]V。=aoXV=0.25X4.143=1.12. 000kg 22. 400m036m*/kg1kg碳完全燃烧需要1. 866m2氧气3.2试验用气化炉 的炉体结构氢燃烧的反应:试验用气化炉的炉体结构如图2.4HO2=2H2O4. 032kg 22. 400m21kg氢燃烧需要5. 550m2氧气法兰盘”愿门本密封槽1kg原料中已经含有氧[O],相当于已经供给[O]X 22. 4/32=0.700[0]m'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(m2/民测温孔kg) =(1.866[C]+5. 55[H]-0.7[0])/0. 21.”保温层表1玉米秸秆的元素分析(干燥基)2内膛元素[C] [H] [O] [N] [S] 灰分空气, 炉栅含量/% 45.43 6.24 46.36 0.92 0.17 ..0.88排灰口由表1可知,玉米秸秆所含主要元素的含量为[C]= 45.43% ,[H]= 6.24% ,[0]= 46.36%,[N]園2试验用气化炉炉体结构示意=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[0])/0. 21=(1.866X4热解炉的性能试验研究及其结果45. 43%+5.55X6.24%-0.700X 46. 36%)/0. 21=4.143m'/kg原料是生物质中典型的玉米秆,物料称重采3.1.2秸秆气化所需的空气量用TGT-100型台秤,秸秆破碎用9FQ- 20多用图1中的曲线为生物质气化时空气的当量比与粉碎机,气体采样用100mL全玻璃注射器，供风采产出气成分之间的关系曲线。由图1可以得出当量用CZR型120W离心式交流鼓风机,管道风速测比为0.00时,没有氧气输入，直接加热原料的反应定采用QDF-2A型热球式电风速仪,炉内温度测属于热分解反应，虽然可以产生H2、CO、CH等可.定用WRN型热电偶和电子式温度指示控制仪,气燃成分,但产出气中焦油含量很高,且约占物料质量体成分分析采用QF型1901- 1904型奥式气体分的30%的炭不能同时转变为可燃气体;当量比为1.析仪。00时,原料与氧气完全燃烧,不能产生可燃气;只有试验步骤:首先检查试验装置的气密性,保证气在当量比为0.25~0. 30,产出气成分较理想，即气化炉和管道系统的密闭性,检查各个仪器能正常使化反应所需的氧仅为完全燃烧时耗氧量的25%~用,将原料破碎到粒径<1cm.然后,加入炉体一些.30%。当生物质物料中水分较大或挥发成分较小时引燃物(0.5kg原料燃烧) ,升高气化炉的温度,然后取上限,反之取下限。将4kg原料填人炉体内部,并压实,同时将两个热0.70电偶从下到上依次从测温孔(图2)插人炉体内部，记录热电偶的初始温度。打开鼓风机,调节风速仪0.50P=latm阀门,使风速保持在一定值(根据进风管径换算成流器0.40FH2量),将空气送人炉体内部.,此后,每5min记录热co0.30电偶的数值，每10min收集气体--次,并进行分析。CO2图3、图4、图5反映了在不同的气化剂量的情H2O况下,气化炉内部下层温度和气体的成分在开始试0.000.000.200.400.600.801.001.20验1h内的变化。当量比圈1燃气成分和空气的关系1272010年5月绿色科技第5期以升至较高的温度,但是空气过量容易形成局部烧一温度+CO◆C0→H2+ -O2穿现象,影响传热,使得热解过程不能持续进行,也700造成可燃气成分含量较低。600因此气化剂量是热解气化的关键因素,它直接起500-图400影响到炉内的温度和升温速率,并影响炉体不同位驷300置的温度变化情况，而温度和升温速率是热解气化200的关键因素,温度的提高和升温速率的加快促进了七气化的过程。0 5 1015 2025 3035 4045 50 5560时间/min5结语圈3风为1.8m/h时,温度、气体含量和成分随时间的变化在当前进度条件下,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，获得了士≠→H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.18600-工艺的产气率及产品(主要是热解可燃气)的质量;之500-提高了生物质热解装置的生产稳定性;降低热解产世400-可300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10我国生物质固体废物的处理和利用领域,有较广阔!051015202530354045505560的应用前景。圈4风量为2.4m/h时,温度、气体含和成分随时间的变化参考文献:[1]股福珊.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).+温度←Co▲cO -H2[2]杜瑛,胡常 伟.生物质热解前景研究[].山西师范大学学报(自然科学版),2007(2).900 r800[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咒:1[D].新能源199.21(1):19~12.。600[4]田成民.我国生物质气化技术研究概况[].化工时刊, 20042出盛500(12).雅400[5] ENCINARJ M, BELTRAN FJ，RAMIROA, et al. Pyrolysis300-gasification of agricultural residues by carbon dioxide in thepresence of different additives : influence of variables [J]. Fuel100Processing Technology, 1998, 55( 3) :219." 051015 202530354045505560[6]李 鹏,王维新,吴 杰,等生物质气化及气化炉的研究进展[J].新农机化,2007(3).围5风量为3.3m2/h 时,温度、气体含和成分随时间的变化[7]邱钟明，陈砺. 生物质气化技术研究现状及发展前景[]].可再生能源,2002.104(4) :16~19.从图3、图4、图5可知,①在低的气化剂流量[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.下,需要达到最高温度的时间较长,影响热解气化效[9]罗凯,陈汉平,王贤华,等. 物质焦及其特性[J].可再生能源果;②气化剂的流量对升温速率影响比较大,升温速2007 .25(1).率随气化剂流量的增多而增大,然而气化剂量过大[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.会使得试验后期温度下降较快,同样影响了热解气[11] XIU SN, YI WM, LIBM. Flash pyrolysis。化效果;③气化剂的流量大小对其最高温度也有影dues using aplasm a heated laminar entrained flow reactor[J].响,气化剂量大,达到的最高温度也高;④气化剂量Biomass and Bioenergy ,2005(29) :135~141.小,造成燃烧不充分，温度升高慢,使得炉内温度较[12]朱孔颖,许德浦.小型秸秆气化炉的改造与应用[J].污染防治低,热解气可燃成分含量低;⑤气化剂量大,虽然可技术,2004,17<2).128田仁祝等:生物质固体废物热解炉的研究开发能源技术Research and Development on Pyrolytic Oven of Biomass Solid WasteTianrenzhu,Xueyong，Qinyang , Chenkezhong(Southwest University of science and Techenology Education priority key laboratory of Solidwaste treatment and the resource一rization of province Ministry build together , SichuanMianyang 621010,China)Abstract: The biomass energy development and the use may alleviate the pressure which now the conven-tional energy source decreasing and the environmental pollution brings, pyrolytic gasification technologymay greatly enbance the using efficiency of the biomass energy. At present ,Civil biomass pyrolytic oven ofproducing the combustible gas mainly existence following question,such as low gas一produced rate, lowcalorific value was, high tar content, low reliability , not a tunable movement parameter low, the fuel gassecurity ，the environmental pollution and so on. In order to overcome these questions, through the pyrolyt-ic oven model experiment，the existing biomass installment craft structure and the non一design parameterwas optimized, the output and the quality enhances its thermal pyrolytic production, the production costwas decreased.Key word: biomass ;pyrolytic oven; gas-produced;calorific value(上接第121页)的防效最好,但要应用于生产实际,还需通过加大药施,物理防治方法,生物防治方法,化学防治方法等量或浓度等进一步的试验,最终确立其最佳药量或综合治理[0]。浓度。于苗期100倍液,大田期300倍液进行叶面喷施的HNsS也有一定的应用价值,可以通过进一参考文献:步的试验研究。本试验中用清水稀释10倍进行叶[1]雷吕奠.防治烟草花叶病的药剂试验[J].中国烟草科学.2002(1):28~29.面喷施的保健驱蚜剂、净土灵、康福多和菌克毒克对[2]易克几种抗烟叶普通花叶病毒病药剂的大田防效对比试验烟草花叶病的防效均较差，而有报道说,菌克毒克[J].湖南农业科学,009(1).75~77.250倍液防治烟草花叶病效果显著[5],本试验中的[3]王彦亭,程多樞.无公害烟叶生产技术探讨[J].煅草科技，2001结果也可能与调查当年气候或其他因素有关,有待(12):3~5.通过进- -步的试验研究。[4]夏振远烟草生物农药的研制及应用进展[J].云南农业大学学报.2004.19(1):110~115.加大生物农药的研究与应用力度,研制高效的[5]陈彦春，常剑波,杨方菌克毒克防治烟草花叶病药效初报生物农药,是当前国际农药研发的一个重要方向°0],[J].烟草科技,2001(8) :44~45.生物农药研究和应用速度的加快,为无公害烟叶的[6]徐宸,陈德鑫. 几种防治烟草病毒病生物制剂的研究进展[J].生产提供了有利的植保措施保证。但是也不能忽安徽农业科学,2009.37(28);13673~ 13674.视，目前在植物上使用的抗病毒药剂的防效-般在[7]严占勇.微生物农药在烟草生产上的应用现状分析与建议[J].植物保护，2009.35<4);24~28.20%~60%;烟草花叶病尚无理想的防治药剂7。[8]童雪霞.烟荜病毒病的发生与防治措施操讨[J].现代农业科技，要从根本上解决烟草花叶病的问题，还要靠加强田2009(22):160~167.间管理,选用抗病品种,采用无毒苗,适宜的栽培措129