2009年3月農(nóng)機(jī)化研究第3期生物質(zhì)熱解利用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究王志偉,何曉峰,趙寶珠,白煒,朱金陵,雷廷宙(河南省科學(xué)院能源研究所有限公司/河南省生物質(zhì)能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州450008)摘要:根據(jù)產(chǎn)氣量為20m3/h的熱解爐,以玉米秸稈顆粒為生物質(zhì)原料,對(duì)額定功率為10kW的燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)及其相關(guān)的焦油裂解裝置進(jìn)行了研究,得出玉米秸稈顆粒在熱解溫度為470℃左右時(shí),燃?xì)獾臒嶂底罡?以煅燒的白云石和鎳基催化劑組成的焦油裂解裝置,在催化裂解溫度為850℃時(shí),可達(dá)97%以上的焦油裂解率。結(jié)合對(duì)熱解氣副產(chǎn)物生物質(zhì)炭的分析,得出了生物質(zhì)熱解利用系統(tǒng)的產(chǎn)出能量大概分布,為生物質(zhì)能源的高效綜合利用提供一定的參考關(guān)鍵詞:生物質(zhì);熱解;發(fā)電;焦油圖分類(lèi)號(hào):TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-188X(2009)03-0150-040引言利用生物質(zhì)燃?xì)?。該裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,運(yùn)行穩(wěn)定。該設(shè)備主要由加熱器、熱解爐體、螺旋進(jìn)料器、熱生物質(zhì)能是唯一可以運(yùn)輸?shù)目稍偕茉?在能源解氣管道、排炭口等組成。利用中占有重要的地位。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉,采用1.1.2生物質(zhì)焦油裂解裝置新技術(shù)生產(chǎn)的生物質(zhì)替代燃料將占全球總能耗的自行設(shè)計(jì)的焦油催化裂解反應(yīng)器采用固定床式40%以上{。我國(guó)生物質(zhì)資源中每年可作燃料利用內(nèi)徑為60mm,外徑為200mm,高為1400m,上段裝的農(nóng)作物秸稈和林木廢棄物折合約3.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤,煅燒的白云石,占固定床容積的40%,下段裝鎳基催加上能源作物、工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢料等,我國(guó)生物質(zhì)資源化劑,占固定床容積的60%。鎳基催化劑具有很好的約5.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤2。生物質(zhì)能的高效綜合利用是能催化裂解焦油特性“。煅燒的白云石相比鎳基催化源利用和發(fā)展的重要方向。生物質(zhì)中的農(nóng)作物秸稈劑較便宜,在鎳基催化劑的上游,裝填煅燒的白云石和林木廢棄物等熱解能夠產(chǎn)生熱值較高的生物質(zhì)燃能夠有效地減少鎳基催化劑的積碳。裂解器前后有氣,可用于多種動(dòng)力設(shè)備的發(fā)電或炊事等同時(shí)產(chǎn)取氣孔,中部是加熱器。生物質(zhì)焦油裂解裝置,如圖1生具有較高利用價(jià)值的生物質(zhì)炭。本文結(jié)合生物質(zhì)所示。熱解爐、焦油裂解裝置燃?xì)獍l(fā)電機(jī)等設(shè)備,分析了以熱解爐裂解前取氣玉米秸稈顆粒為原料的生物質(zhì)熱解利用系統(tǒng),以探索農(nóng)林廢棄物的資源化、能源化綜合利用途徑。燒的自云石1實(shí)驗(yàn)裝置加熱器1.1熱解及利用系統(tǒng)主要裝置基催化劑1.1.1生物質(zhì)熱解爐本實(shí)驗(yàn)所利用的主要生物質(zhì)轉(zhuǎn)化裝置是自行設(shè)裂解后取氣計(jì)的產(chǎn)氣量為20m3/h的生物質(zhì)連續(xù)熱解爐。通過(guò)螺旋進(jìn)料器將生物質(zhì)壓縮顆粒、小木塊、木屑等原料送進(jìn)熱解爐,根據(jù)不同生物質(zhì)的熱解特性提供不同的熱解溫度,以產(chǎn)生生物質(zhì)燃?xì)夂蜕镔|(zhì)炭等。熱啟動(dòng)時(shí)圖1生物質(zhì)焦油裂解裝置簡(jiǎn)圖利用天然氣供熱解所需熱量,熱解氣穩(wěn)定產(chǎn)出后切換Fig. I Schematic diagram of biomass tar cracking equip1.1.3生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)收稿日期:2008-04-25該生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)是額定功率為10kW的內(nèi)燃作者簡(jiǎn)介:王志偉(1980-),男,河南平頂山人,助理研究員,碩士(E-mail)bioenergy 66( 163. com.式燃?xì)獍l(fā)電機(jī),可滿(mǎn)足熱值在3MJ/m3以上的生物質(zhì)2009年3月農(nóng)機(jī)化研究第3期氣的發(fā)電,發(fā)電效率可以在18%以上。該設(shè)備主要由1.24快速量熱儀發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、冷凝循環(huán)水箱等組成。本發(fā)生物質(zhì)顆粒及其顆粒炭的熱值采用5E快速量熱電系統(tǒng)的電力不外輸,因此配備的負(fù)載裝置由可以調(diào)儀。該設(shè)備利用恒溫式外筒,氧彈置于內(nèi)筒水中,將節(jié)功率大小的電熱取暖器6臺(tái)(額定功率1.5kW),燈樣品置于密閉的氧彈中,在充分氧氣的條件下燃燒,泡20只(0.1kW10只,0.06kW10只)。根據(jù)燃燒后內(nèi)筒中水溫的上升等測(cè)出樣品的彈筒熱1.2分析儀器裝置值,結(jié)合元素分析數(shù)據(jù)計(jì)算出樣品的低位熱值。1.2.1氣相色譜分析儀1.2.5焦油含量測(cè)試裝置生物質(zhì)熱解氣的產(chǎn)物采用2臺(tái)GC-9800氣相色焦油測(cè)量裝置主要包含濕式氣體流量計(jì)、取樣譜分析。一臺(tái)色譜釆用TDX-01分離柱,氦氣為載器、分析天平、干燥箱等。將干燥箱處理好的玻璃濾氣,TCD檢測(cè)器,分離H2,O2,N2,C,CH4,CO2等氣體膜和聚乙烯薄膜裝入取樣器,結(jié)合濕式氣體流量計(jì)進(jìn)組分;另一臺(tái)色譜采用PQ分離柱,氮?dú)鉃檩d氣,FD行焦油的捕集,利用分析天平進(jìn)行稱(chēng)重和比較。計(jì)算檢測(cè)器分離CH4,C2H4,C2H5及C氣體組分。公式為1.22全自動(dòng)元素分析儀生物質(zhì)顆粒及其顆粒炭的元素分析采用EA3000元素分析儀。該設(shè)備利用封閉式燃燒系統(tǒng)使樣品在式中G1-取樣前玻璃濾膜和聚乙烯薄膜的質(zhì)量(g);其中完全燃燒,燃燒的產(chǎn)物被氦氣送人色譜填充柱中C2一取樣后玻璃濾膜和聚乙烯薄膜的質(zhì)量(g);得到分離,利用TCD檢測(cè)器檢測(cè)的燃燒產(chǎn)物的濃度v一換算至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的取樣體積(L);從而計(jì)算樣品中的C,N,H,S,O元素的含量。c焦油的濃度(g/m3)。123全自動(dòng)工業(yè)分析儀生物質(zhì)顆粒及其顆粒炭的工業(yè)分析采用5E全自2結(jié)果分析動(dòng)工業(yè)分析儀?；跓嶂胤治龇椒?將遠(yuǎn)紅外加熱設(shè)2.1原料物性分析備與稱(chēng)量電子天平相結(jié)合,在特定的氣體條件下、規(guī)熱解原料為玉米秸稈顆粒(直徑為8mm),玉米秸定的溫度和時(shí)間內(nèi)對(duì)受熱過(guò)程中的樣品進(jìn)行稱(chēng)重計(jì)稈采自鄭州市郊區(qū),用全自動(dòng)元素分析儀、工業(yè)分析算出試樣的水分、灰分、揮發(fā)份等指標(biāo)。儀及快速量熱儀分析得出物性,如表1所示。表】玉米秸稈顆粒的物性分析Tab. I Properties and ultimate analysis data of com straw kemel工業(yè)分析/%元素分析/%低位發(fā)熱量/MJ·kg-1FCC4.870.1922熱解氣凈化及焦油裂解裂解較大,溫度升高裂解率增加不明顯)。焦油的裂熱解氣中含有的塵粒雜質(zhì)及焦油,是其利用的重解計(jì)算采取公式,即要障礙,因此需要凈化處理。熱解氣被羅茨風(fēng)機(jī)抽出CIVI -C2U熱解爐后,先經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器。旋風(fēng)分離器上部為圓筒形,下部為圓錐形。含塵氣體由圓筒上部的進(jìn)氣管式中焦油裂解率(%沿切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器。受器壁約束而旋轉(zhuǎn)向下做c1-裂解前焦油含量(g/m3);螺旋形運(yùn)動(dòng),在慣性離心力的作用下,塵粒被甩向器c2-裂解后焦油含量(g/m3);壁與氣流分離再沿壁面落至錐底的排灰口6。凈化v1一裂解前燃?xì)饬髁?m3/h);后的燃?xì)庥身敳颗艢夤芘懦?并且進(jìn)入焦油催化裂解v2-裂解后燃?xì)饬髁?m/h)。系統(tǒng)。利用焦油含量測(cè)試裝置得出裂解前生物質(zhì)焦油含焦油是生物質(zhì)熱解的產(chǎn)物,也是生物質(zhì)燃?xì)饫昧繛?9.5g/m3,裂解后生物質(zhì)焦油含量為0.46g/的重要障礙。利用自行設(shè)計(jì)的焦油催化裂解固定床裂解前的燃?xì)饬髁繛?0.10m3/h,裂解后的燃?xì)饬髁糠磻?yīng)器進(jìn)行焦油催化裂解,在取樣流量為210-240L/為20.09m3/h,焦油裂解率為96%。h,催化裂解溫度恒定在850℃的條件下分析焦油的裂2.3裂解后氣體成分分析解情況(基于此前做過(guò)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)在850℃左右焦油裂解后的生物質(zhì)燃?xì)庥?臺(tái)GC-9800氣相色譜2009年3月農(nóng)機(jī)化研究第3期分析儀分析產(chǎn)物的組成及熱值隨熱解溫度變化,如表2和圖2所示。表2玉米秸稈顆粒的熱解溫度及其氣體成分Tab 2 Pyrolysis temperature and gas products of com straw kernel氣體成分體積含量/%熱解溫度/℃低位熱值/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率計(jì)算式為5050式中V一單位時(shí)間內(nèi)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)消耗的生物質(zhì)燃?xì)鈗燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電效率(%);LH一生物質(zhì)燃?xì)獾牡臀粺嶂?MJ/m3);35038C440470530560P-單位時(shí)間內(nèi)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的輸出電功率熱解溫度(kW)。氫氣顆一氧氣氧化碳二氧化碳—●一乙烯乙烷堿三以上氣體—?dú)怏w低開(kāi)啟燃?xì)獍l(fā)電機(jī),運(yùn)行穩(wěn)定后其最大輸出功率為位熱值95kW,發(fā)電效率最高可達(dá)20%。其中,氣柜中消耗的圖2玉米秸稈顆粒的熱解溫度及其氣體成分氣體除開(kāi)啟和結(jié)束時(shí)外,其余18m3均達(dá)到了輸出功率Fig2 Pyrolysis temperature and gas products of com straw kermel95kW和發(fā)電效率20%,整個(gè)發(fā)電過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)。由圖2可以看出氣體成分隨熱解溫度的變化,熱2.5熱解氣副產(chǎn)物的分析解溫度在470℃時(shí),生物質(zhì)熱解燃?xì)獾臒嶂底罡摺６谟衩捉斩掝w粒經(jīng)過(guò)熱解爐后獲得生物質(zhì)燃?xì)?同380~530℃間,熱解氣低位熱值均在12MJ/m3以上,最時(shí)可以得到玉米秸稈顆粒炭。在熱解溫度為40℃左高熱值達(dá)到17.52M/m3,可以滿(mǎn)足生物質(zhì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)右時(shí),每千克玉米秸稈顆粒經(jīng)過(guò)熱解爐后得到熱值為發(fā)電。15MJ/m3以上的生物質(zhì)燃?xì)?.69m3,同時(shí)產(chǎn)出玉米秸24燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電稈顆粒炭0.159kg。玉米秸稈顆粒炭的物性分析如表開(kāi)啟內(nèi)燃機(jī)發(fā)電前穩(wěn)定熱解溫度在470℃左右,3所示。玉米秸稈熱解前后的變化,如圖3所示。秸運(yùn)行1h使20m3的貯氣柜充滿(mǎn)取氣柜中少量氣體測(cè)稈顆粒形狀基本不變尺寸有所縮小。得氣體低位熱值為1591M/m。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電效表3玉米秸稈顆粒炭的物性分析Tab 3 Properties and ultimate analysis data of com straw kemel charcoal工業(yè)分析/%元素分析/%低位發(fā)熱量/MJ·kg109.2059.0628.982.762.0222.II玉米秸稈顆粒熱解利用系統(tǒng)的能量分布可由圖4所示,產(chǎn)生了生物質(zhì)燃?xì)?約占輸入的玉米秸稈顆粒能量的65%,同時(shí)產(chǎn)生的玉米秸稈顆粒炭約占輸入能量式的20%整個(gè)能量轉(zhuǎn)化損失的占輸人能量的15%玉米秸稈顆粒炭等生物質(zhì)炭可用于制藥食品、輕圖3玉米秸稈顆粒熱解前后工、醫(yī)藥冶金、化工等領(lǐng)域,也逐漸用于環(huán)保、凈水、空Fig 3 Form of com straw kernel before and after pyrolysis氣分離、生物工程、高能電極材料高效催化劑載體等2009年3月農(nóng)機(jī)化研究第3期領(lǐng)域。。隨著熱解技術(shù)和生物質(zhì)炭轉(zhuǎn)化技術(shù)的逐步成的進(jìn)一步裂解提供有益條件。熟,其具有越來(lái)越廣的利用前景。3)除去約占15%的轉(zhuǎn)化能量損失,玉米秸稈顆粒熱解損失熱解利用系統(tǒng)可產(chǎn)出約占能量65%的燃?xì)夂图s占能量20%的顆粒炭。燃?xì)饪捎糜诎l(fā)電,顆粒炭可用于工農(nóng)生物質(zhì)燃?xì)鈽I(yè)生產(chǎn)或空氣凈化環(huán)保等。生物質(zhì)炭參考文獻(xiàn):[1]中國(guó)農(nóng)業(yè)部/美國(guó)能源部項(xiàng)目專(zhuān)家組中國(guó)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展評(píng)價(jià)[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1988:1圖4生物質(zhì)熱解利用系統(tǒng)能量分布簡(jiǎn)圖Fig 4 Schematic diagram of energy distribution about biomass pyrolysis[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)可再生能源中3結(jié)論長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃[EB/OL].2007-09-04.www,china.comcn/policy/txt2007-09/04/content_9252708 htm1)產(chǎn)氣量為20m3/h的熱解爐中,玉米秸稈顆粒3]RobR.wal. The BioMax A New Biopower Option for Dis在熱解溫度為470℃左右時(shí),燃?xì)獾臒嶂底罡?達(dá)到tributed Generation and CHP[J]. IEEE, Power engineering17.52MJ/m3。在熱解溫度為380~530℃,熱解氣低Society General Meeting, 2004 (2): 1653-1656位熱值均在12.85M/m3以上,完全可以滿(mǎn)足生物質(zhì)4]C.Cum,.E. Makana,C.Pet,eal. Development of Ni燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電。例如,10kW的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)以熱值catalysts for gas production from biomass gasification[ J].Ca.為159MJ/m3的生物質(zhì)燃?xì)鉃槿剂?運(yùn)行穩(wěn)定后最talysis Today, 2000, 63: 427-437[5]金志剛?cè)細(xì)鉁y(cè)試技術(shù)手冊(cè)[K].天津:天津大學(xué)出版社,大輸出功率可達(dá)95kW,發(fā)電效率可達(dá)20%。該發(fā)電5系統(tǒng)可為農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)能的利用提供比較合[6]王素蘭,張全國(guó)生物質(zhì)氣化焦油凈化裝置的設(shè)計(jì)與研究理的途徑。[玎].可再生能源,2007,25(1):29-312)以40%的煅燒白云石和60%的鎳基催化劑組[7]周勁松,王鐵柱駱仲泱等生物質(zhì)焦油的催化裂解研究成的焦油裂解裝置,在催化裂解溫度為850℃水平段[].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2003,31(2):144-148時(shí),可達(dá)97%以上的焦油裂解率。煅燒的白云石能有[8]蔣恩臣何光設(shè)生物質(zhì)熱分解技術(shù)此較研究[可再生效地減少鎳基催化劑的積碳,為焦油在鎳基催化劑中能源,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