生物質(zhì)熱解利用系統的實(shí)驗研究

2009年3月農機化研究第3期生物質(zhì)熱解利用系統的實(shí)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(diǎn)實(shí)驗室,鄭州450008)摘要:根據產(chǎn)氣量為20m/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的燃氣發(fā)電系統及其相關(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),燃氣的熱值最高,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97%以上的焦油裂解率。結合對熱解氣副產(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;焦油中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A文章編號:1003-188X(2009)03-0150-040引言利用生物質(zhì)燃氣。該裝置實(shí)現自動(dòng)化控制,運行穩定。該設備主要由加熱器、熱解爐體、螺旋進(jìn)料器、熱生物質(zhì)能是唯一可以運輸的可再生能源,在能源解氣管道、排炭口等組成。利用中占有重要的地位。預計到21世紀中葉,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計的焦油催化裂解反應器采用固定床式40%以上(。我國生物質(zhì)資源中每年可作燃料利用內徑為60mm,外徑為200m,高為140mm,上段裝的農作物秸稈和林木廢棄物折合約3.5億t標準煤,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標準煤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。本文結合生物質(zhì)所示。熱解爐、焦油裂解裝置、燃氣發(fā)電機等設備,分析了以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,以探索農林廢棄物的資源化、能源化綜合利用途徑。煅燒的白云石1實(shí)驗裝置加熱器1.1熱解及利用系統主要裝置鑲基催化劑1.1.1生物質(zhì)熱解爐本實(shí)驗所利用的主要生物質(zhì)轉化裝置是自行設裂解后取氣計的產(chǎn)氣量為20m3h的生物質(zhì)連續熱解爐。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)燃氣和生物質(zhì)炭等。熱啟動(dòng)時(shí)生物話(huà)汕塑裝置簡(jiǎn)圖利用天然氣供熱解所需熱量,熱解氣穩定產(chǎn)出后切換中國煤化工 king equipment1.1.CNMHG收稿日期:2008-04-25該生物質(zhì)燃氣發(fā)電機是額定功率為10kW的內燃作者簡(jiǎn)介:王志偉(1980),男河南平頂山人,助理研究員碩土,式燃氣發(fā)電機,可滿(mǎn)足熱值在3MJ/m以上的生物質(zhì)(E-mail)bioenerg66@163.come2009年3月農機化研究第3期氣的發(fā)電,發(fā)電效率可以在18%以上。該設備主要由1.24快速量熱儀發(fā)動(dòng)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快速量熱電系統的電力不外輸,因此配備的負載裝置由可以調儀。該設備利用恒溫式外筒氧彈置于內筒水中,將節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)根據燃燒后內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,結合元素分析數據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。一臺色譜采用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,Co,CH4,CO2等氣體膜和聚乙烯薄膜裝入取樣器,結合濕式氣體流量計進(jìn)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(jìn)行稱(chēng)重和比較。計算檢測器,分離CH4,C2H4,C2H及C氣體組分。公式為1.2.2全自動(dòng)元素分析儀(1)生物質(zhì)顆粒及其顆粒炭的元素分析采用EA3000元素分析儀。該設備利用封閉式燃燒系統,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)物被氮氣送入色譜填充柱中G2一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一換算至標準狀態(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)。1.23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結果分析動(dòng)工業(yè)分析儀?；跓嶂胤治龇椒?將遠紅外加熱設2.1原料物性分析備與稱(chēng)量電子天平相結合,在特定的氣體條件下、規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)間內對受熱過(guò)程中的樣品進(jìn)行稱(chēng)重,計稈采自鄭州市郊區,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。儀及快速量熱儀分析得出物性,如表1所示表1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-1C4.870.1922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s=, -C2v2C,UI筒形,下部為圓錐形。含塵氣體由圓筒上部的進(jìn)氣管式中5焦油裂解率(%);沿切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器。受器壁約束而旋轉向下做一裂解前焦油含量(g/m3);螺旋形運動(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v1一裂解前燃氣流量(m3/h);后的燃氣由頂部排氣管排出,并且進(jìn)入焦油催化裂解v2-裂解后燃氣流量(m/h)。系統。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)燃氣利用量為19.5g/m3,裂解后生物質(zhì)焦油含量為0.46g/m3,的重要障礙。利用自行設計的焦油催化裂解固定床裂解中國煤化工,裂解后的燃氣流量反應器進(jìn)行焦油催化裂解在取樣流量為20-240L為2CNMHG6%。h,催化裂解溫度恒定在850℃的條件下分析焦油的裂23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,在850℃左右焦油裂解后的生物質(zhì)燃氣用2臺CC-9800氣相色譜1512009年3月農機化研究第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 Pyrol氣體成分體積含量/%熱解溫度/℃C,H4+C2H c低位熱值/MJ·m3N23.450.9312.8535.511.2426.ll16.970.4316.113.620.3925.14179417.920.8817.2334.030.161.0626.8217.0815.990.5617.5250038.950.050.9625.7515.7614.4015.0.101.161626.4215.04率計算式為08642m=v x. X I00式中V一單位時(shí)間內燃氣內燃機消耗的生物質(zhì)燃氣0燃氣內燃機發(fā)電效率(%);LH,一生物質(zhì)燃氣的低位熱值(MJ/m3);35038000530560P-單位時(shí)間內燃氣內燃機的輸出電功率熱解溫度/℃(kW)。亠氮氣一x氧化碳乙烯乙烷碳三以上氣體氣體低開(kāi)啟燃氣發(fā)電機,運行穩定后其最大輸出功率為95kW,發(fā)電效率最高可達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)啟和結束時(shí)外,其余18m3均達到了輸出功率Fig2 Pyrolysis temperature and gas products of com straw kernel9.5kW和發(fā)電效率20%,整個(gè)發(fā)電過(guò)程運行平穩。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)熱解燃氣的熱值最高。而在玉米秸稈顆粒經(jīng)過(guò)熱解爐后獲得生物質(zhì)燃氣,同380~530℃間熱解氣低位熱值均在1MJ/m3以上,最時(shí)可以得到玉米秸稈顆粒炭。在熱解溫度為470℃左高熱值達到17.52M/m3,可以滿(mǎn)足生物質(zhì)燃氣內燃機右時(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)燃氣0.69m3,同時(shí)產(chǎn)出玉米秸24燃氣內燃機發(fā)電稈顆粒炭0.159kg。玉米秸稈顆粒炭的物性分析如表開(kāi)啟內燃機發(fā)電前,穩定熱解溫度在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(mǎn),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15.91M/m3。燃氣內燃機發(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 kermel charcoal工業(yè)分析/%元素分析/%低位發(fā)熱量/M·kg19.205928.982.7662.692.029422.Il玉米秸稈顆粒熱解利用系統的能量分布可由圖4所示,產(chǎn)生了生物質(zhì)燃氣,約占輸入的玉米秸稈顆粒能量的6%,回時(shí)產(chǎn)生的玉米秸稈顆粒炭約占輸人能量的20中國煤化工人能量的15%。CNMH可用于制藥食品、輕圖3玉米秸稈顆粒熱解前后工、醫藥、冶金、化工等領(lǐng)域,也逐漸用于環(huán)保凈水、空Fig3 Form of com straw kermel 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1522009年3月農機化研究第3期領(lǐng)域。隨著(zhù)熱解技術(shù)和生物質(zhì)炭轉化技術(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%的轉化能量損失,玉米秸稈顆粒熱解損失熱解利用系統可產(chǎn)出約占能量65%的燃氣和約占能量20%的顆粒炭。燃氣可用于發(fā)電,顆粒炭可用于工農生物質(zhì)燃氣業(yè)生產(chǎn)或空氣凈化環(huán)保等。生物質(zhì)炭參考文獻:[1]中國農業(yè)部/美國能源部項目專(zhuān)家組中國生物質(zhì)能轉換技術(shù)發(fā)展評價(jià)[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]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì ),可再生能源中3結論長(cháng)期發(fā)展規劃[EB/OL].2007-09-04.www.china,comcn/ policy/txt/2007-09/04/content_9252708. htm1)產(chǎn)氣量為20m3/h的熱解爐中,玉米秸稈顆粒3] Robb r. Walt. The BioMax A New Biopower Option for Dis-在熱解溫度為470℃左右時(shí),燃氣的熱值最高,達到tributed Generation and CHP[J]. IEEE, Power engineering17.52M/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]cCum,E.Mkag,c.Pet,etal. 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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中國煤化工CNMHG153