2009年3月農(nóng)機化研究第3期生物質(zhì)熱解利用系統(tǒng)的實驗研究王志偉,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)能源重點實驗室,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)的焦油裂解裝置進行了研究,得出玉米秸稈顆粒在熱解溫度為470℃左右時,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,可達(dá)97%以上的焦油裂解率。結(jié)合對熱解氣副產(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;焦油圖分類號:TK6文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1003-188X(2009)03-0150-040引言利用生物質(zhì)燃?xì)?。該裝置實現(xiàn)自動化控制,運行穩(wěn)定。該設(shè)備主要由加熱器、熱解爐體、螺旋進料器、熱生物質(zhì)能是唯一可以運輸?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)計的焦油催化裂解反應(yīng)器采用固定床式40%以上{。我國生物質(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)有機廢料等,我國生物質(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,可用于多種動力設(shè)備的發(fā)電或炊事等同時產(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實驗裝置加熱器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)熱解爐本實驗所利用的主要生物質(zhì)轉(zhuǎn)化裝置是自行設(shè)裂解后取氣計的產(chǎn)氣量為20m3/h的生物質(zhì)連續(xù)熱解爐。通過螺旋進料器將生物質(zhì)壓縮顆粒、小木塊、木屑等原料送進熱解爐,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。熱啟動時圖1生物質(zhì)焦油裂解裝置簡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)電機收稿日期:2008-04-25該生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電機是額定功率為10kW的內(nèi)燃作者簡介: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,可滿足熱值在3MJ/m3以上的生物質(zhì)2009年3月農(nóng)機化研究第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)動機、發(fā)電機、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(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焦油含量測試裝置生物質(zhì)熱解氣的產(chǎn)物采用2臺GC-9800氣相色焦油測量裝置主要包含濕式氣體流量計、取樣譜分析。一臺色譜釆用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)合濕式氣體流量計進組分;另一臺色譜采用PQ分離柱,氮氣為載氣,FD行焦油的捕集,利用分析天平進行稱重和比較。計算檢測器分離CH4,C2H4,C2H5及C氣體組分。公式為1.22全自動元素分析儀生物質(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檢測器檢測的燃燒產(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間內(nèi)對受熱過程中的樣品進行稱重計稈采自鄭州市郊區(qū),用全自動元素分析儀、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)機抽出CIVI -C2U熱解爐后,先經(jīng)過旋風(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氣管式中焦油裂解率(%沿切向進入旋風(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);螺旋形運動,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(基于此前做過的相關(guān)實驗在850℃左右焦油裂解后的生物質(zhì)燃?xì)庥?臺GC-9800氣相色譜2009年3月農(nóng)機化研究第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率計算式為5050式中V一單位時間內(nèi)燃?xì)鈨?nèi)燃機消耗的生物質(zhì)燃?xì)鈗燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電效率(%);LH一生物質(zhì)燃?xì)獾牡臀粺嶂?MJ/m3);35038C440470530560P-單位時間內(nèi)燃?xì)鈨?nèi)燃機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—氣體低開啟燃?xì)獍l(fā)電機,運行穩(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啟和結(jié)束時外,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%,整個發(fā)電過程運行平穩(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,生物質(zhì)熱解燃?xì)獾臒嶂底罡?。而在玉米秸稈顆粒經(jīng)過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,可以滿足生物質(zhì)燃?xì)鈨?nèi)燃機右時,每千克玉米秸稈顆粒經(jīng)過熱解爐后得到熱值為發(fā)電。15MJ/m3以上的生物質(zhì)燃?xì)?.69m3,同時產(chǎn)出玉米秸24燃?xì)鈨?nèi)燃機發(fā)電稈顆粒炭0.159kg。玉米秸稈顆粒炭的物性分析如表開啟內(nèi)燃機發(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。秸運行1h使20m3的貯氣柜充滿取氣柜中少量氣體測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%,同時產(chǎn)生的玉米秸稈顆粒炭約占輸入能量式的20%整個能量轉(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)的逐步成的進一步裂解提供有益條件。熟,其具有越來越廣的利用前景。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:[1]中國農(nóng)業(yè)部/美國能源部項目專家組中國生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展評價[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1988:1圖4生物質(zhì)熱解利用系統(tǒng)能量分布簡圖Fig 4 Schematic diagram of energy distribution about biomass pyrolysis[2]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會可再生能源中3結(jié)論長期發(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,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,完全可以滿足生物質(zhì)4]C.Cum,.E. Makana,C.Pet,eal. 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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