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。

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。

竹材下吸式固定床气化中试试验及其产物的增值应用

生物质气化技术可将物质原料转化为高热值可燃气和生物质炭,可燃气可用于供热或发电,生物质炭可制成高比表面积活性炭。以毛竹为原料,采用一套产能为340 kW的下吸式固定床气化发电系统,研究气化工艺对可燃气品质和气化炉性能的影响,并采用KOH化学活化法开展气化副产物竹炭的活化试验,研究活化工艺对活性炭性能及其吸附甲基橙染料的影响。试验结果表明:随着进气量从400 m^(3)/h增加至800 m^(3)/h,可燃气的品质和气化性能都有所增加,通过连续24 h的高负荷运行,发现可燃气的最高低位热值为5.20 MJ/Nm^(3),气化炉的原料消耗、产气量和冷气效率的最大值分别为700 kg/h、1 400 m^(3)/h和57.87%,最优工况下可发电340 kW;选用氢氧化钾活化剂对竹材气化炭进行活化制备竹质活性炭,结果表明,当活化温度和碱炭比分别为900℃和3∶1时,活性炭的比表面积、总孔容和碘吸附值均达到最大值,分别为1 338.55 m^(3)/g、0.900 cm^(3)/g和1 849.50 mg/g,表明毛竹气化炭是制备活性炭的优质原料;气化毛竹活性炭对甲基橙的最大吸附量为212.77 mg/g,该吸附过程与Langmuir和Freundlich等温线模型的相关性均表现良好(R;>0.99),且符合准二级吸附动力学方程。

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。

下吸式固定床的生物质H_(2)O/CO_(2)气化数值模拟研究

利用Aspen Plus软件建立干桦木屑在下吸式固定床气化炉中的气化模型,模拟值与文献实验值吻合良好。利用Aspen Plus的灵敏度分析模块模拟分别以水蒸气(H_(2)O)和二氧化碳(CO_(2))为气化剂时气化剂/生物质碳比(GC值)对气化结果的影响,并结合H_(2)O、CO_(2)各自的特点研究其复合气化。结果表明,H_(2)O气化时可获得富氢煤气,但其净CO_(2)排放量较高;CO_(2)气化时碳转化率及冷煤气效率较低,但净CO_(2)排放量较低;H_(2)O、CO_(2)复合气化使碳转化率及冷煤气效率略有降低,但可有效减少气化系统中的净CO_(2)排放量。

下吸式固定床的生物质O_(2)/CO_(2)分段气化流程模拟

建立干桦木屑在下吸式固定床气化炉中的Aspen Plus气化模型,该模型预测煤气组成和煤气热值,与文献试验结果吻合良好。利用灵敏度分析模块模拟了氧碳比、CO_(2)/C对气化结果的影响,并提出O_(2)/CO_(2)分段气化流程,对比常规的CO_(2)气化特征,分析了CO_(2)/C对气化结果的影响。结果表明,纯氧气化时可获得高H_(2)和CO浓度的气化气,但其净CO_(2)排放量较高,氧碳比增加使碳转化率逐渐增加、冷煤气效率先增加后降低;CO_(2)作为气化剂时,随着CO_(2)/C的增加,净CO_(2)排放量逐渐减少,但碳转化率及冷煤气效率大幅降低;与常规CO_(2)气化相比,O_(2)/CO_(2)分段气化在保持低CO_(2)排放量的同时,可有效增加气化过程中的碳转化率及冷煤气效率。

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。

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。

生物质固定床气化炉异常工况的分析

针对以空气为气化介质的径高比为0.32的下吸式固定床气化炉,当通风量为11 m3/h时,分别研究了在正常运行、"搭桥"及"烧穿"情况下反应温度及气化燃气组分百分率变化规律。研究结果表明,在发生"搭桥"、"烧穿"的异常工况下,反应温度会偏离正常值且各燃气组分百分率会明显下降,并分析了产生此效果的原因。

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。

生物质气化炉设计要点

介绍了下吸式生物质气化炉的工作原理、特点,以及主要结构尺寸的设计要点。

生活垃圾衍生燃料分段催化气化

利用下吸式分段催化固定床反应器对生活垃圾衍生燃料进行了气化实验。研究了气化温度、当量空气系数、气化介质和催化剂对气化产物的影响。结果表明,生活垃圾衍生燃料以塑料、纸类和厨余组分为主,热值在10 MJ·kg^(-1)以上,适合直接气化。随着气化温度升高,气化气中H_2和CO的含量、产气率、气化气热值、碳转化率和冷煤气效率升高,而焦油和CO_2含量明显降低;随着当量空气系数升高,CO_2含量、产气率和碳转化率升高,而焦油含量和气化气热值降低,在当量空气系数为0.33时冷煤气效率最高;当采用富氧空气作为气化介质时,N_2对于气化气的稀释作用减弱;添加催化剂能有效减少气化气中焦油的含量,提高H_2和CO的含量。采用下吸式分段催化气化,能有效提高气化气品质和冷煤气效率。