生物质高温热解气化装置的研制

2013届毕业设计论文课题名称生物质高温热解装置的研制院（系）机械与动力工程学院专业过程装备与控制工程姓名高豪杰学号起讫日期2013-2-20至2013-6-10指导教师2013年 6月 8 日第1章前言能源是人类生产和生活必需的基本物质保障，是确保人类社会文明进步和经济发展最为重要的物质基础。

能源和环境问题已成为全球关注的焦点，随着我国能源消耗的迅速增长，化石燃料的大量使用带来了严重的环境污染。

将生物质能源转化各种清洁能源和化工产品，减少对于化石能源的依赖，是轻环境造成的重要污染。

目前，世界各国都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，以保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。

与煤炭和石油天然气等化石燃料相比，生物质的特点是是低固定碳、高挥发分、低灰分。

生物质的化学活性较好，硫含量低，生物质的这些特性决定了它十分适宜进行热解气化。

生物质能的转换利用形式主要包括化学转化、物理转化和生物转化，涉及热解、气化、液化、成型和直接燃烧等技术。

在众多技术中，生物质高温热解气化是实现生物质高效及清洁利用的重要途径，通过生物质在高温条件下热解可以产生中热值的合成气，并用于供热、发电和作为化工合成原料气，具有广阔的应用前景。

1.1生物质能的特点1.1.1 可再生性生物质能属可再生资源，生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属可再生能源，资源丰富，可保证能源的永续利用。

在各种可再生能源中，生物质是唯一可再生的碳资源。

1.1.2 低污染性与矿物燃料相比，它的挥发分高，炭活性高，含硫量和灰分都比较低，因此燃烧过程中生成的SO X、NO X较少。

生物质作为燃料时，其生长时需要的CO2相当于它排放的CO2的量，因而对大气的CO2净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应。

1.1.3 资源丰富生物质能是世界第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。

根据生物学家估算，地球陆地每年生产1000～1250亿吨生物质；海洋年生产500亿吨生物质。

生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量，相当于目前世界总能耗的10倍。

1.1.4 广泛应用性生物质能源可以以沼气、压缩成型固体燃料、气化生产燃气、燃料酒精、生物柴油等形式存在，应用于国民经济的各个领域。

1.2 生物质能的利用方式分类图1．生物质能的利用方式(1)直接燃烧技术：直接燃烧大致可分炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧和固体燃料燃烧四种情况。

炉灶燃烧是最原始的利用方法，一般适用于农村或山区分散独立的家庭用户，它投资最省，但是效率最低。

锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适用于大规模利用生物质。

它最主要的优点是效率高，并且可实现工业化生产；缺点是投资高、而且不适于分散小规模使用。

固型燃料燃烧是把生物质固化成型后再采用传统的燃煤设备燃用，主要优点是所采用的热力设备是传统的定型产品，不必经过特殊的设计或处理；主要缺点是运行成本高，所以它比较适合企业对原有设备进行技术改造时，在不重复投资前提下，以生物质代替煤，以达到节能的目的，或应用于对污染要求特别严格的场所，如饭店烧烤等。

(2)物化转换技术：物化转换技术包括三方面，一是干馏技术；二是气化制生物质燃气；三是热解制生物质油。

干馏技术主要目的是同时生产生物质炭和燃气，它可以把能量密度低的生物质转化为热值较高的固定炭或气，炭和燃气可分别用于不同用途。

优点是设备简单，可以生物产炭和多种化工产品，缺点是利用率较低，而且适用性较小，一般只适用于木质生物质的特殊利用。

生物质热解气化是把生物质转化为可燃气的技术，根据技术路线的不同，可以是低热值气，也可以是中热值气。

它的主要优点是生物质转化为可燃气后，利用效率较高，而且用途广泛，如可以用作生活煤气，也可以用于烧锅炉或直接发电。

主要缺点是系统复杂，而且由于生成的燃气不便于储存和运输，必须有专门的用户或配套的利用设施。

热解制油是通过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术，它的主要优点是可以把生物质制成油品燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值大大提高，主要缺点是技术复杂，目前的成本仍然太高。

(3)生化转换技术：生化转换技术主要是以厌氧消化和特种酶技术为主。

沼气发酵是有机物质(为碳水化合物、脂肪、蛋白质等)在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下，经过沼气菌群发酵(消化)生成沼气、消化液和消化污泥(沉渣)。

这个过程就叫沼气发酵或厌氧消化。

它包括小型的农村沼气技术和大型的厌氧处理污水的工程。

它主要优点是提供的能源形式为沼气(CH4)，非常洁净，具有显著的环保效益；主要缺点是能源产出低，投资大，所以比较适宜于以环保为目标的污水处理工程或以有机易腐物为主的垃圾的堆肥过程。

利用生物技术(包括酶技术)把生物质转化为乙醇的主要目的是制取液体燃料，它的主要优点可以使生物质变为清洁燃料，拓宽用途，提高效率；主要缺点是转换速度太慢，投资较大，成本相对较高。

(4)植物油利用技术：能源植物油是一类贮存于植物器官中，经加工后，可以提取植物燃料油的油性物质。

它通过植物有机体内一系列的生理生化过程形成，以一定的结构形式存在于油脂或挥发性油类等物质中。

能源油料植物是一类含有能源植物油成分的种和变种，是一类再生资源。

能源油料植物主要包括油脂植物和具有制成还原形式烃的能力，接近石油成分，可以替代石油使用的植物。

植物燃料油是通过能源油料植物油的提取加工后，生产出的一种可以替代石化能源的燃性油料物质。

它的主要优点是提炼和生产技术简单，主要缺点是油产率较低，速度很慢，而且品种的筛选和培育也较困难。

1.3 生物质热解气化技术原理生物质热解气化技术是一种热化学处理技术，通过气化炉将固态生物质转换为使用方便而且清洁的可燃气体，用作燃料或生产动力。

其基本原理是生物质热解是指生物质在没有气化剂（空气、氧气、水蒸气等）存在或只提供有原位水蒸气存在的条件下，加热到高温，通过热化学反应将生物质大分子物质（木质素、纤维素和半纤维素）分解成较小分子的燃料物质（固态炭、可燃气、生物油）的热化学转化技术方法。

生物质热解的燃料能源转化率可达95.5%，可最大限度的将生物质能量转化为能源产品。

1.4 生物质热解技术的研究进展1.4.1 国外进展Acharya等开展了木屑水蒸气气化的实验研究，分析了反应温度、水蒸气/生物质比率和CaO/生物质比率对气化效果的影响，发现随着温度的升高，氢气的产率一直在增大，并在710℃时获得最大氢气产率30.08mL/g，但是当温度高于670℃时，产气中H2的体积分数有所降低。

Luo等在固定床反应器上进行了松木屑水蒸气气化实验，研究了反应温度和水蒸气/生物质比率对生物质气化行为的影响，发现反应温度对生物质水蒸气气化特性有明显影响，当温度从600℃变化到900℃时，干气体产率和碳转化率从1.15Nm3/t和61.96%分别增大至2.53Nm3/t和92.59%，产气中H2和CO2的体积分数明显变大，而CO和CH4的体积分数显著减小。

他们还指出水蒸气的加入促使更多的焦油参与水蒸气气化反应，导致干气体产率和碳转化率明显增大.Demirbas在固定床反应器上开展了4种坚果壳的慢速热解实验研究，考察了温度(500~1200K)对热解产物分布及焦特性的影响，得出了以下主要结论：随着温度的升高，焦的产率在减小，液体产物产率先增大后减小，气体产物产率先略微减小后增大，生物质焦中炭元素的含量在增大，而氢元素和氧元素的含量在减小，其热值一直在增大。

Blasi等在堆积床上开展了木质和农业废弃物(木屑、麦秆、橄榄壳、葡萄残渣和谷壳)的热解实验研究，温度在650~1000K内变化，发现温度对热解产物的产率有明显影响。

1.4.2 国内进展我国的生物质热解气化研究和应用起步比较早，早在二十世纪四十年代，用木炭气化炉发生气驱动的汽车就己在我国许多城市使用。

黄浩等提出了湿生物质定向气化制取高浓度氢气的工艺，该工艺将湿生物质干燥、热解、蒸汽气化和高温原位CO2分离集中在一个反应器内进行，应用湿份干燥产生的蒸汽进行蒸汽气化，在获取产氢浓度较高的气化气的同时简化操作，降低能耗。

郭烈锦等在超临界水中进行生物质的催化气化，生物质的气化率可达到100%，气体产物中H2的体积百分含量甚至可超过50%，反应不生成焦油、木炭等副产品，不会造成二次污染。

山东能源所研制出燃用农作物秸秆(以玉米秆为主)的固定床气化炉，经热解产气，成功地向50多个试点村的村民送上管道煤气。

1.5 热解反应器的类型目前世界上生物质热裂解反应器主要有固定床反应器、旋风反应器、流化床反应器、辐射炉、携带流动式反应器、循环流化床反应器、旋转叶片反应器、旋转锥反应器、多炉膛反应器等多种形式，但每种设备都有它的优缺点，主要有：(1)．流化床：其特点是设备小巧，气相停留时间很短，可以防止热解蒸汽的二次裂解，效率很高，并容易工业放大，但原料颗粒尺寸要求较小，这就大大增加了原料的加工成本，而且规模大时热效率较低。

图2．流化床反应器原理图(2)．真空移动床：其优点是热解蒸汽停留时间很短，减少了二次裂解，但反应器要有非常好的真空度，这就对真空泵和密封材料提高了要求，因此增大了制造成本和运行难度。

(3)．旋转锥反应器：其有可以压实物料、隔绝流动气体的优势，而且升温速度快，固相滞留期短，气相滞留期小，反应过程不需要载气体，不需要很大的装置体积和高成本，但设备的某些结构还不够完善，还处于研究探索阶段。

图3旋转锥反应器示意图(4)．烧蚀反应器：该设备相对于其他系统可以用粒径为2-6.35mm的大颗粒生物质作为原料，但生产的油中的O含量比较高。

图4．烧蚀反应器示意图(5)．引流床：该设备通过燃烧丙烷产生高温气体与木屑融合，并向上流动穿过反应器，在反应器中发生热解反应，生成不凝性气体、水蒸气、生物油和炭。

经过水喷式冷凝器和空气冷凝器快速冷却、收集，生物油的得率可达60%。

但该设备需要大量高温燃烧气，并产生大量低热值的不凝气，这个缺点使得此技术的发展前景不大。

(6)．循环流化床和输运床：此两种设备虽然可以解决热量转化问题，但不易于大型化使用，而且还有焦渣磨损设备的问题。

图5．循环流化床示意图1.6 结论国内外的研究者们已对生物质热解和气化进行了大量实验研究，并详细分析了不同因素对热解和气化特性的影响。

随着技术的不断完善，研究的方向和重点也在拓宽，不仅仅侧重于热解反应器类型及反应参数，以寻求产物最大化。

整体利用生物质资源的联合工艺，以及优化系统整体热效率使得热解技术产生经济效益最大化、具有相当大潜力的发展方向。

生物质热解技术研究方向应侧重于如何提高热解产品收率，寻求高效精制技术，提高热解气品质，提高整个热解过程的热效率，实现产物的综合利用和工业化生产等方面。

例如：开发一种新型的反应器，将湿生物质干燥、热解、蒸汽气化集中在一个反应器内进行，用高含水率生物质干燥产生的原位蒸汽作为气化介质进行蒸汽气化，可以省去预热干燥处理和水蒸汽制备，降低能耗，且提高过程热效率。