Variation of toxic pollutants emission during a feeding cycle from an updraft fixed bed gasifier for disposing rural solid waste

The variation of toxic pollutants emission during a feeding cycle was examined by field monitoring from a batch feeding updraft fixed bed gasifier for disposing rural domestic solid waste. Results showed that the content of oxygen in flue gas gradually increased, while SO_2 and HCl in flue gas decreased with time after feeding in a whole feeding cycle. Although large amount of CO was produced during the gasifying, low CO content in flue gas could be obtained after the heat treatment with an electric heating device. The distribution characteristics of dioxin congeners in flue gas indicted the re-synthesis of dioxins after flue gas heating, and the increase of oxygen promoted the synthesis of dioxins. The emission content of dioxins could meet the standard(0.1 ng I-TEQ·m^(-3),GB18458-2014) of China when the oxygen content was controlled below 8.3%. Hence, for a batch feeding gasifier,low oxygen condition should be offered by reducing air intake at the later stage of feeding cycle in order to decrease the re-synthesis of dioxins after the flue gas heating.

生物质与聚乙烯共气化过程含氮污染物生成特性数值模拟研究

上吸式气化炉中生物质与聚乙烯共气化可有效提高气化合成气的产气热值与H_(2)产率,但在共气化过程中含氮污染物的生成与排放特性尚不清晰,有待进一步研究。因此,基于颗粒动理学理论和欧拉-欧拉方法构建了上吸式气化炉中气固流动与化学反应耦合的二维数理模型,探究了空气当量比(ER)、生物质与聚乙烯混合比和水蒸气与燃料比例(S/F)对含氮污染物生成的影响规律。结果表明,在生物质与聚乙烯共气化中,NH3和HCN主要来自生物质挥发分的热解反应,主要分布于气化炉的热解区与干燥区。NO主要来自焦炭的燃烧与气化反应,其含量在氧化区最高,但随后会与焦炭、CO和H_(2)等气体的还原反应而降低。随着空气当量比的增加,NO的含量由5.17 ppmv(百万分之一的体积比,下同)逐渐增加为50.10 ppmv,而其他含氮污染物如N2O、NH_(3)和HCN的含量则下降;增加水蒸气与燃料的比例可以导致NO含量由33.74 ppmv降低到0.95 ppmv,但会促进N_(2)O的生成。此外,聚乙烯的加入可有效降低生物质气化过程中含氮污染物的生成,并且共气化过程中生物质与聚乙烯之间的协同作用会进一步抑制含氮污染物NO、NH_(3)和HCN的生成。

生物质气化综合利用技术概述

生物质能源是一种可再生的能源,生物质气化是实现生物质能源高效清洁利用的可行技术之一。目前,生物质固定床气化技术成熟度较高且逐步实现工业化运行。生物质气化制燃气及副产物的开发循环利用高度契合了我国当下碳中和、碳达峰的发展方向。因此,在新的形势下,生物质气化必将融合更多关联技术大步前行。

国内外生物质气化设备研究进展

生物质是重要的可再生能源,生物质气化技术在国内外得到了广泛应用。本文综述了国内外固定床、鼓泡流化床、外循环流化床、内循环流化床、双循环流化床的结构。固定床安装简单,但焦油较多;外循环流化床燃烧效率高,但回料装置较难控制;内循环流化床不易结焦、氢含量高且不用考虑返料问题;双流化床结构复杂但焦油量少。将对固定床和流化床进行对比,认为固定床安装简单适合农村地区,流化床应不断改进和完善,更适应工业化生产。

下吸式生物质固定床气化炉研究进展

随着全球能源需求的不断增加和化石能源的日趋枯竭,生物质固定床气化技术作为一种清洁的可再生能源利用技术,引起许多研究者的关注。与上吸式固定床气化炉相比,下吸式具有可燃气焦油含量低、炭转化率高、可燃气热值高、可燃气产品用途广的优点。笔者详细介绍了下吸式生物质固定床气化炉的原理、分类、单段下吸式固定床以及两段下吸式固定床的研究现状,并且在综述的基础上,对下吸式固定床气化炉的应用研究提出了展望。

生物质气化技术的再认识

近现代,生物技术在工业、农业和能源领域得到广泛应用,对世界科技和经济发展起到重大的变革和促进作用。由于化石燃料资源性枯竭问题和环境污染问题,寻找一种清洁、可再生的替代燃料和燃料生产技术已迫在眉睫。生物质气化技术作为一种清洁的可再生能源利用技术得到了快速发展,然而由于气化设备自身不够成熟以及未对气化副产物(生物质炭和生物质提取液)加以有效利用等问题,严重阻碍了生物质气化技术的商业化推广和运行。生物质气化多联产技术是指基于生物质下吸式固定床气化的气、固、液三相产品多联产及其产品分相回收、利用技术。该技术的提出,以及相关核心设备的开发成功与应用,为生物质气化技术的进一步发展提供了新的思路。笔者详细介绍了气化技术发展的历史和困境、生物质气化多联产技术的路线和核心设备以及多联产技术产品的开发和应用情况。

基于下吸式固定床的木片气化试验

樟子松木材是中国一种重要的生物质能源原料,通过气化技术可将其转化为高热值生物燃气,用于内燃机发电。该文研究了下吸式固定床气化系统中当量比(ER)对樟子松木片气化性能的影响,并且对气化副产物炭和焦油的基本特性进行了分析。结果表明,气化最优ER值为0.251,可燃气热值为4.55 MJ/Nm^3,可燃气成分为CO(17.47%,以体积分数计,下同)、H2(14.67%,以体积分数计,下同)、CO_2(12.43%,以体积分数计,下同)、CH_4(2.12%,以体积分数计,下同),可燃气焦油含量为350 mg/Nm3,冷气效率为65.46%,具备较强的气化发电潜力。木炭的低位热值和比表面积分别为28.17 MJ/kg和342 m^2/g,可制备成型炭燃料和高比表面积活性炭。轻质焦油主要成分为酚类(36.75%,以质量分数计,下同)、乙酸(22.14%,以质量分数计,下同)和酮类(13.73%,以质量分数计,下同),可制成植物生长调节剂;重质焦油主要成分为杂环的芳香烃(59.98%,以质量分数计,下同)、1环的轻质芳香烃(4.71%,以质量分数计,下同)和2-3环的轻质多环芳香烃(16.48%,以质量分数计,下同),可制备高附加值芳香烃类化学品。小试规模的木片气化试验研究将为大规模的气化发电工艺和设备提供优化设计参数。

上吸式固定床气化炉处理生活垃圾时二噁英的形成与迁移

分析了上吸式固定床气化炉处理生活垃圾过程产物中二噁英的分布特征,系统研究了垃圾气化过程中二噁英的形成和迁移机制.结果表明:气化炉出口烟气经湿法洗涤和电捕焦油器净化后,其中的二噁英含量为0.48 ng I-TEQ/Nm3,洗涤水和焦油中的二噁英含量较高,分别为8259.50 ng I-TEQ/L和5941.84ng I-TEQ/kg;垃圾气化过程中二噁英的总排放因子为165.86μg I-TEQ/t-垃圾,其中96.06%通过炉渣排放,3.58%存在于焦油中,仅0.35%随烟气排放,因此炉渣是二噁英的主要排放源,这与生活垃圾焚烧过程中二噁英的排放不同.二噁英的同系物分布特征表明,炉渣、洗涤水、焦油、烟气中的二噁英主要在气化炉内合成,而不是在烟气净化过程中.运用上吸式固定床气化炉处理生活垃圾过程中,控制炉内二噁英的产生是减少二噁英类物质排放的关键.

废轮胎整胎与生物质共气化实验研究

以树枝秸秆及废轮胎整胎为原料,在＂反烧＂式固定床气化炉中以空气为气化剂进行气化实验研究。结果表明,随着空气当量比ER的增加,炉内气化温度升高,气化效率提升,当ER为0.30时,炉内温度达到750℃,气化效率为56.45%,气体热值为4.68 MJ/m3;随着原料中废轮胎比例的增加,气化效率有所提高,燃气热值升高,当废轮胎质量含量为44%时,气化效率达到60.21%,气体热值为5.34 MJ/m3;气化温度是影响气化效率和气体热值的最重要因素,提高空气当量比可以使炉内温度升高,强化气化效果;同时原料中废轮胎比例也对气化效率及气体热值有较大影响,废轮胎质量含量为40%~50%较为适宜。废轮胎以整胎形式与生物质共气化是废轮胎处置与资源化利用的有效方式。

顶部点火上吸式固定床中农业废弃物气化特性分析

为了了解在固定床气化炉中生物质的气化特性和炉内温度演变规律,该研究采用顶部点火上吸式(top-lit up draft,简称TLUD)固定床气化炉研究了农业废弃物的气化行为,重点考察了不同空气流量下炉内温度分布、燃气成分和热值的变化规律,探讨了生物质气化过程机理。结果表明,气化过程明显分为2个阶段,即挥发份的析出和焦炭的缓慢气化。整个气化过程中燃气的热值可稳定维持在3MJ/m3以上,温度场的演变过程与波传递具有相似性,花生壳和稻壳的最佳空气当量比分别为0.31和0.35,且其燃气中焦油含量很低,分别为0.25、0.49g/m3。该研究为TLUD固定床气化炉的设计和运行提供了有益的参考。

上吸式固定床生物质气化的综合计算法模型

针对已有生物质气化模型在实际工程应用中的局限性,以Н.Н.Доброхотов提出的煤气化经验模型为基础,依据改用生物质成型燃料的3M13型上吸式气化炉所测数据,得到上吸式固定床生物质气化的综合计算法模型。该模型主要修正原模型干馏阶段的热解水、CO_2和焦油的产率;并在固定碳气化阶段,引入空气当量比作为参数,改进原模型中C/N特征值取值的随机性。通过与其他学者的上吸式气化炉生物质气化实验对比,模拟结果与试验数据符合良好,证明本模型在工程应用中模拟生物质上吸式固定床气化过程的可行性。

两步进气法和水蒸气对竹材下吸式固定床气化性能的影响

以毛竹加工剩余物为研究对象,采用自制的两步进气下吸式固定床气化炉,在当量比(ER)一定的情况下,研究进气比例(AR,0%和60%)和水蒸气/生物质质量比(ms/mb,0,0.045,0.112,0.153,0.211,0.245和0.305)对气化炉性能(炉内温度分布、原料消耗率和气化强度)和可燃气指标(温度、成分、热值和焦油含量)的影响。结果表明:1)与一步进气法相比,两步进气法(AR为60%时)可显著提高气化炉炉温,并且分别在2个进气位置出现2个温度峰,分别为热解区的606℃和氧化区的856℃,可燃气的温度也增加至377℃; 2)两步进气法可显著提高可燃气的可燃组分含量和热值,降低焦油含量,CO含量、H_2含量和低位热值的最大值分别为17.47%、14.67%和4.54 MJ/Nm^3,焦油含量最低值为55.4 mg/Nm^3; 3)随着m_s/m_b从0.045增加至0.305,气化炉内各反应区的温度逐渐降低,与空气气化剂相比,虽然热值并未增加,但是可燃气中H_2和CO的含量发生变化,导致V(H_2)/V(CO)比例逐渐增加至1.01,有助于应用于合成气的研究。本研究为竹材废弃物的能源化利用提供了新的途径和基础数据。

两步进气下吸式固定床气化系统的设计、调试和运行

开发了一套原料处理量为25 kg/h的两步进气下吸式固定床气化系统,并对两步进气直筒形(stratified)下吸式固定床气化炉的炉型、结构和主体尺寸以及焦油检测系统进行了设计。对鼓风机、引风机、出炭螺旋等关键部件的参数进行了计算。气化炉整体高度为2 683 mm,气化炉有效内径为350 mm,所需引风量和鼓风量都是60 m^3/h。采用木片为原料,通过冷态实验和热态实验对气化系统进行验证,验证了该气化系统完全满足设计和实验需要。通过对比两步进气和一步进气实验结果,发现两步进气法可有效提升炉体温度,显著提高可燃气中可燃气体组分含量和热值,并有效降低可燃气中焦油含量。

生物质流化床气化炉的发展与应用

连续气化的生物质流化床气化炉,以空气和水蒸气为气化剂,用生物质和煤为原料(煤的质量比0~20%),煤气热值为6~7 M J/m3。该炉在生产燃气的同时,还可副产水蒸气和生物质木炭,燃气可民用、工业用及发电用。间歇气化的生物质流化床水煤气炉,采用吹风和制气的二步工作法生产水煤气。水煤气的热值可达12~16 M J/m3,燃气可用于提氢和制备甲醇、二甲醚等。

中部出气的上吸式固定床气化炉及其自动控制的料斗供料系统设计

改进的固定床上吸式生物质气化炉,以锥形下料裙将气化炉分成气化室与储料室两部分,出气口设在下料裙死角处。输出的产出气温度在300℃以上、灰分少、热值高,气化效率高,兼具上吸式与下吸式气化炉的优点,有效解决了常规上吸式气化炉产出气中焦油含量高、热值低问题。自动控制的料斗供料方式保证了气化炉运行的可靠性与安全性,扩展了生物质木料的适用范围。实现产出燃气在蒸汽锅炉中代替煤、木材、油燃烧,可有效解决中小企业的用能问题,达到节能减排的目的。

改进型固定床上吸式气化炉及其在蒸汽锅炉中的代油燃烧应用

在蒸汽锅炉进行生物质能源改造中,生物质气化燃气代替煤、油具有成本、环保、政策方面的优势,但必须解决焦油的二次污染问题。本文提出以改进型即中部出气固定床上吸式气化炉生产生物质可燃气,及焦油成分随燃气直接在锅炉炉膛燃烧的技术路线,并以2 T/h蒸汽锅炉为例对气化炉的主要结构参数进行设计计算。采用基于锅炉输出蒸汽压力的气化炉鼓风自适应控制方法实现系统的闭环控制。最后通过实际应用案例实测数据的热能计算证明生物质气化燃气在蒸汽锅炉中代替煤、油燃烧的可行性。

不同配气工艺下生物质固定床气化试验研究

采用自主研发的连续运行主动配气下吸式固定床气化炉为试验平台,研究了不同配气工艺下气化炉内温度场和压力场的变化,并且以稻草为气化原料进行气化试验,分析了不同配气工艺对燃气组分、燃气热值和燃气中焦油质量浓度的影响。结果表明:改变配气工艺从单层配气到双层配气再到三层配气,反应炉内温度逐渐升高,反应炉内各层压力逐渐均匀,三层配气时炉内氧化层温度在1 100℃左右,炉内最高压力为24.1 kPa,三层配气时气化炉内温度场和压力场的分布具有较高气化反应特性;同单层配气和双层配气相比,三层配气工艺下以稻草为气化原料燃气组分中H2和CO的体积分数明显提高,其值分别为10.23%和20.49%,相比于单层配气提高了3.08%和2.28%,单层配气、双层配气和三层配气工艺下燃气热值分别为4 656.82 kJ/m3、4 934.99 kJ/m3和5 476.77 kJ/m3,燃气中焦油质量浓度分别为0.834×10-3kg/m3、0806×10-3kg/m3和0.721×10-3kg/m3。

1000m^3下吸式固定床气化炉的研制

介绍了下吸式固定床生物质气化炉的气化原理,并结合其出现的问题和现有技术条件,设计了一种适合中小规模乡镇一级的新型下吸式气化炉。该气化炉结构简单,便于操作,运行稳定,产气量大。同时采用空气-水蒸气为气化剂,并加装余热回收装置产生蒸汽和可升降破穿孔装置,明显提高气化气品质,有利于秸秆气化技术的推广。

改良式生物质气化炉发电系统设计及性能分析

对生物质气化炉进行改良,与斯特林发动机结合构建生物质发电系统。通过在上吸式固定床气化炉热裂解区内安装燃烧管进行改良,利用燃烧管所产生的高温烟气加热斯特林发动机,并通过轴带发电机将机械能转换成电能。结果表明:嵌入式燃烧管在气化炉内不经过除焦程序,直接将合成燃气与焦油烧掉,可大幅简化系统复杂度,增加燃烧强度,并可在热裂解区持续产生高温烟气;烟气成分中CO、氮氧化物、硫氧化物和过剩氧体积分数较低,该系统具有较高的环保性;通过调整气化当量比,热电联产系统可稳定地达到斯特林发动机的额定输出电能功率35 kW,且最高输出电能为44kW,[火用]效率可达61%,验证了该系统的有效性。

基于Fluent的下吸式固定床气化炉工艺优化研究

为研究生物质固定床气化的影响因素,优化气化过程参数,利用Fluent软件对生物质气化过程进行模拟。结果表明,炉膛内空气分布的均匀性和空气当量比对产气率和碳转化率有很大的影响。炉膛内气流分布均匀,有效地提高了产气热值、产气率和碳转化率。空气当量比的增大使气体热值、产气量和碳转化率先增大后减小。最佳空气当量比为0.18。