●農(nóng)村新能源.新疆農(nóng)機化2007年第3期生物質(zhì)氣化及氣化爐的研究進展李鵬,王維新,吳杰,李霞,楊斌(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院,新疆石河子832000)摘要:生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)能源應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱門。該文對生物質(zhì)氣化原理、國內(nèi)外氣化及其裝置研究現(xiàn)狀、發(fā)展前景進行了闡述，同時提出了進行進一步氣化研究的建議。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);氣化;氣化爐;研究進展中圖分類號:S216.文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A2H20+C=CO+2H2-75.24kJ文章編號:1007-7782 (2007 )03-0046-03H20+C0=CO2+H- 43.58kJ氣化裝置運行穩(wěn)定時:當(dāng)- -定粒度的生物質(zhì)原生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于料進入氣化裝置后首先被干燥,隨著料層的下落,伴世界能源消費總量第四位的能源",目前世界能源隨溫度的升高，析出揮發(fā)分，并在高溫下裂解(熱緊缺,石化能源儲量有限，亟待開發(fā)新能源,實現(xiàn)社解)。裂解后的氣體和炭在氧化區(qū)與供人的氣化介質(zhì)會可持續(xù)發(fā)展。然而人類對生物質(zhì)能開發(fā)仍停留在(空氣、氧氣、水蒸汽等)發(fā)生氧化反應(yīng)并燃燒,燃燒較低水平,其取暖利用方式主要是原始的直接燃燒，放出的熱量用于維持干燥熱解和還原反應(yīng)。氧化后利用率和熱效率都很低,嚴(yán)重污染環(huán)境吧。生物質(zhì)氣的氣體含有一些不可燃?xì)怏w,如:CO2、H20等,經(jīng)還化技術(shù)使秸稈充分燃燒，提高其生物質(zhì)利用潛能,改原反應(yīng)減少其含量。最終生成了含有一定量的CO、善低效高耗的能源利用現(xiàn)狀，節(jié)約大量不可再生的H2、CH,及部分不飽和烴C.H的混合氣體，凈化后煤炭石油、天然氣資源。- 一些國家的生物質(zhì)能技術(shù)即可燃用14.9。和裝備已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用程度,實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)業(yè)經(jīng)營。在我國,各種生物質(zhì)氣化裝置和生物質(zhì)燃?xì)?生物質(zhì)氣化技術(shù)及氣化裝置的研究現(xiàn)狀發(fā)電機組相繼研制成功，生物質(zhì)固定床熱解氣化已熱解氣化技術(shù)最早出現(xiàn)于18世紀(jì)晚期, 1839發(fā)展到農(nóng)村級規(guī)模的集中供氣，并且追求中熱值燃年第- -臺氣化爐一-上吸式氣化爐問世， 但較大規(guī)氣的流化床氣化裝置的研究已取得初步成果。但生模應(yīng)用生物質(zhì)熱解氣化技術(shù),則始于20世紀(jì)30、40物質(zhì)氣化率和生物質(zhì)能利用率還有待進- -步 提高。年代。第二次世界大戰(zhàn)期間，為解決石油燃料的短1生物質(zhì)氣化的基本原理缺，用于內(nèi)燃機的小型氣化裝置得到廣泛使用。從生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)能高品位利用的一-種主要70年代初開始,受石油危機影響,這一-技術(shù)有了新技術(shù)，通過氣化裝置將生物質(zhì)原料的能量進行轉(zhuǎn)換的發(fā)展。隨后瑞典美國、意大利和德國及我國部分過程,可以將固態(tài)生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)換成使用方便而且科研院校先后開展了相關(guān)研究。目前，國內(nèi)外正在研究和開發(fā)的生物質(zhì)氣化設(shè)清潔的高品位的可燃?xì)怏w。在氣化過程中,燃料基本備主要有以下三種類型: ;上要經(jīng)過氧化、還原裂解(熱解)和干燥四個階段,其(1)固定床上吸式氣主要的反應(yīng)式為.化爐。其基本結(jié)構(gòu)和反應(yīng)1產(chǎn)可燃?xì)庋趸A段:C + 0=C0+408.84kJ過程如圖1。物料由爐頂2C + 02=2C0+246.44kJ加料口加人爐內(nèi)，氣化劑還原階段:C + C02=2C0-162.41kJ流化床材料由爐體底部的進風(fēng)口進H20+C=C0+H-118.82kJ人爐內(nèi)參與氣化反應(yīng)。爐援龍體內(nèi)氣體流動方向為自收稿日期:2007-01-29基金項目:新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團高新技術(shù)研究發(fā)展計劃項下而上,最終可燃?xì)庥缮蠅毫νL(fēng)目(2006CJS13);石河子大學(xué)科學(xué)基金項目(ZRKX2005028)部的可燃?xì)獬隹谂懦觥Ｆ淙?固定床上吸式氣化爐. 46.2007年第3期新疆農(nóng)機化●農(nóng)村新能源●優(yōu)點是:可燃?xì)饨?jīng)過熱分解層和干燥層時將熱量傳拿大通用燃料氣化裝置有限公司(0mnifuel Gasifica-遞給物料,自身溫度降低,爐子熱效率高;可燃?xì)鉄醫(yī)ion System Limitred) 設(shè)計制造的流化床氣化裝置、值較高;熱分解層和干燥層對可燃?xì)庥羞^濾作用,使美國標(biāo)準(zhǔn)固體燃料公司(Standard SolidFuels Ine)設(shè)出爐的可燃?xì)饣曳稚佟Ｈ秉c是:添料不方便;可燃?xì)庥嬛圃斓奶炕瘹饣久簹獍l(fā)生系統(tǒng)、德國茵貝爾特中焦油、蒸汽含量較多。能源公司( Imbert Energietechnik GMBH)設(shè)計制造(2)固定床下吸式氣化爐。圖2為其基本結(jié)構(gòu)的下行式氣化爐-內(nèi)燃機發(fā)電機組系統(tǒng)等等，氣化和氣化反應(yīng)示意圖。物料由效率可達(dá)60% ~-90%，可燃?xì)鉄嶂禐?1.7-2.5)x104爐頂加料口加人爐內(nèi),氣化可繼氣kJ/m2。美國近年來在生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)方面有所劑由爐體上部進入爐內(nèi),部突破，研制出了生物質(zhì)綜合氣化裝置-燃?xì)廨啓C發(fā)分氣化劑也可隨物料一起還厚屋電系統(tǒng)成套設(shè)備，為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板圖。進人爐膛,爐內(nèi)料層自上而國外生物質(zhì)氣化應(yīng)用情況主要為:生物質(zhì)氣化下為干燥層、熱分解層、氧發(fā)電;生物質(zhì)燃?xì)鈪^(qū)域供熱;水泥廠供燃與發(fā)電并用化層和還原層,最終可燃?xì)獾纳镔|(zhì)氣化站;生物質(zhì)氣化合成甲醇;生物質(zhì)氣化由爐體下部側(cè)壁排出。其優(yōu)圉2固定床下吸式氣化爐合成氨。點是:高溫區(qū)的溫度穩(wěn)定效應(yīng)使工作穩(wěn)定,產(chǎn)出氣成與此同時,為滿足發(fā)展中國家農(nóng)村用能的需要,分相對穩(wěn)定;可隨時開蓋添料;焦油通過高溫區(qū)被裂一些國家也研究了小型氣化設(shè)備。日本的Jun Sakai解,因此出爐的可燃?xì)庵薪褂洼^少。其缺點是:可燃等人于70年代設(shè)計了一臺小型木炭煤氣裝置用于氣的流向與熱流方向相反,引風(fēng)機的功耗要求大;出開動4.4 kW的汽油機并取得了成功。類似的裝置在爐的可燃?xì)夂曳州^多;出爐可燃?xì)鉁囟雀咝枥鋮s,菲律賓的Central Luzon 大學(xué)(1977),美國密執(zhí)安州爐內(nèi)熱效率較低四。立大學(xué)( 1978)和泰國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)工程局( 1980)相繼(3)流化床氣化爐，圖3為單流化床氣化爐的研制成功并逐步走向?qū)嵱没?。目前，由Thomas結(jié)構(gòu)及氣化反應(yīng)示意圖。顆粒Reed和Ron Larson設(shè)計的木材增壓家用炊事氣化狀的物料被攪龍送入爐內(nèi),常爐,適用于小木塊為原料,Co排放量低,安全方便，摻有精選的惰性材料砂子做宜于家用炊事。印度科學(xué)研究所研制的IISe小型氣為流化床材料,在爐體底部以熱牙解應(yīng)化爐,用木塊和團狀垃圾作為燃料,輸出熱功率3~-4氧化團較大壓力通人氣化劑,使?fàn)t內(nèi)這原膜kW ,一次加料在爐內(nèi)可以連續(xù)反應(yīng)2 h,進一步降低呈沸騰鼓泡等不同狀態(tài)。通.f十+可始?xì)饬藷焿m排放量。UTin Win設(shè)計的稻殼戶用氣化爐對灰室過物料和氣化劑充分接觸，發(fā)稻殼進行高效無煙燃燒,并且，諸如土豆皮、菜葉新生氣化反應(yīng)。流化床氣化爐其圖3單流化床氣化爐鮮生物質(zhì)等廚房垃圾切碎均可以和稻殼-起參與氣優(yōu)點是物料反應(yīng)溫度均勻,氣化反應(yīng)"?；磻?yīng)快,產(chǎn)氣率高;爐內(nèi)溫度高而穩(wěn)定,故可燃?xì)?.2國內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀中焦油含量較少;可燃?xì)鉄嶂递^高;生產(chǎn)能力大。其從20世紀(jì)80年代初開始,我國生物質(zhì)氣化技缺點是:可燃?xì)庵谢曳趾枯^多;結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜;原術(shù)一直受到政府和科技人員的重視,“七五”和“八料主要是木屑、稻殼等顆粒度較小流化性能較好的五”期間取得了較大進展。我國自行研制的集中供氣物料。系統(tǒng)已進人實用化試驗及示范階段，山東能源研究2.1國外生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀所研制的XFF系列秸稈氣化爐在農(nóng)村集中供氣應(yīng)國外生物質(zhì)氣化領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平的國家有瑞用中獲得了一定的社會、經(jīng)濟效益;大連市環(huán)境科學(xué)典、美國意大利德國等。目前，國外生物質(zhì)氣化裝設(shè)計研究院用研制的IZ系列生物質(zhì)干餾熱解氣化置一般規(guī)模較大,自動化程度高,工藝較復(fù)雜,以發(fā)裝置建成了可供1 000戶農(nóng)民生活用燃?xì)獾纳镔|(zhì)電和供熱為主，如加拿大摩爾公司(Moore Canada熱解加工廠。Lud)設(shè)計和發(fā)展的固定床濕式上行式氣化裝置、加然而，目前的集中供氣系統(tǒng)普遍存在著所謂的●農(nóng)村新能源●新疆農(nóng)機化2007年第3期.“大馬拉小車”問題，即許多氣化工程欠戶現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)展 規(guī)劃:生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展方向是改進和完達(dá)不到設(shè)計要求的戶數(shù)，使生物質(zhì)氣化設(shè)備的利用善生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)心。氣化技術(shù)研究工作已經(jīng)率降低，并且焦油問題難以根絕,致使大型輸氣管網(wǎng)進行到一-定高度,通過改善氣化條件,優(yōu)化爐型結(jié)易堵塞,拆卸和清洗不便,氣化站運營和維護成本及構(gòu),均可以適當(dāng)改善燃?xì)赓|(zhì)量。但生物質(zhì)氣化供氣難度都很高叼,燃?xì)獾臒嶂岛蜌饣瘡姸纫廊黄?不技術(shù)存在的兩大主要難點問題:燃?xì)鉄嶂档?2.86x能充分滿足用戶使用要求。導(dǎo)致大部分氣化站開工10 kJ/m2 )和焦油含量高,還需進一步的研究。率低,基本處于停產(chǎn)和半停產(chǎn)狀況。(1)對于大型集中供氣系統(tǒng),在現(xiàn)有示范技術(shù)我國小型氣化爐的研究開發(fā)也在逐步發(fā)展,形的基礎(chǔ)上,為提高生物質(zhì)的利用率,收集生物質(zhì)焦成了多個系列的爐型,可滿足多種物料的氣化要求，油 ,利用現(xiàn)有技術(shù)制作瀝青等之類的化工物質(zhì)。在生產(chǎn)、生活用能、發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域得到利(2)對于戶用型氣化爐,因生產(chǎn)量小，焦油不易用。如中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院研制的ND系列收集,應(yīng)繼續(xù)尋求爐型關(guān)鍵部件和氣化條件等的最生物質(zhì)氣化爐,用氣化產(chǎn)出氣烘干農(nóng)林產(chǎn)品,設(shè)備簡優(yōu)組合,力求降低產(chǎn)出粗氣中的焦油含量,簡化后續(xù)單,投資少，熱效率高,對于小型企業(yè)及個體戶有使燃?xì)鈨艋到y(tǒng),降低短距離輸氣管道堵塞的發(fā)生率。用價值,其中ND- 600型氣化爐已進行較長時間的另外,建議戶用型氣化爐向爐灶-體化發(fā)展，以滿足生產(chǎn)運行,取得了一定效益;中科院廣州能源所,對不同環(huán)境下用戶使用,降低使用要求。上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理、物料反應(yīng)性能作參考文獻(xiàn):了大量試驗,研制出GSQ型氣化爐;云南省研制的[1]周中仁,吳文良.生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀及展望[J].農(nóng)業(yè)工程QL -50.60型戶用生物質(zhì)氣化爐已通過技術(shù)鑒定并學(xué)報,2005 ,21:12-15.在農(nóng)村進行試驗示范。我國一些典型的生物質(zhì)氣化[2]蔡憲杰張百良.生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)的發(fā)展與分析[J]河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,(1):70-73.爐如下表1。[5]邱鐘明,陳礪,生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].表1我國生物質(zhì)氣化爐的典型發(fā)展概況可再生能源,2002, 104(4).16- 19.類型型號熱輸出(kh)用途 研究單位[4]馬隆龍,吳創(chuàng)之,孫立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應(yīng)用[M].北上吸式GSQ-1100 (1.09 -2.63)x10生產(chǎn)供熱廣州能源所京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003 .ND 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Leon. Prospects for力度投資生物質(zhì)氣化技術(shù)的開發(fā)。從“七五”開始，biomass gasifers for cooking applications in asia(J]I Thailand,重點安排了秸稈氣化集中供氣技術(shù)的科技攻關(guān)和試Asian Institute of Technology 2005:3-8.點示范項目。生物質(zhì)氣化技術(shù)已進入了國家“863”[12] 王華軍,李淑蘭何曉峰等家用生物質(zhì)氣化機關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)研究與分析[J]河南科學(xué),2001,19(14).和“十五”攻關(guān)項目。[13]顧念祖,嵇文娟.秸稈氣化爐的研究與探討[J]工業(yè)鍋根據(jù)2000~2015年新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)爐,2004,85(3):21-23.