生物质气化及气化炉的研究进展

生物质气化是生物质能源应用领域研究的热门。该文对生物质气化原理、国内外气化及其装置研究现状、发展前景进行了阐述,同时提出了进行进一步气化研究的建议。     

小型生物质气化炉HEGF-2的设计及实验研究

针对目前小型生物质气化炉结构存在的缺陷,设计了一种小型生物质气化炉,并以其为研究对象,自行搭建了实验台,进行了实验研究。实验中,通过改变气化剂空气流量,分析了气化剂空气流量对气化炉性能的影响,并通过改变燃气配风量得到了配风量对气化炉烟气排放的影响。实验结果表明,HEGF-2型生物质气化炉具有结构简单、成本低、运行稳定、换热充分、产气品质和热值高、节能环保等优点。     

梯度链条式生物质气化炉数值模拟

梯度链条式生物质气化炉按照气化规律从空间上将生物质气化过程分为4个阶段,可实现对各气化阶段气化条件进行控制。为此,对梯度链条式生物质气化炉进行数值模拟,通过改变ER,计算出不同ER下床层顶部各组分的温度和浓度分布及炉膛气相的气化特性。模拟结果显示:气化合成气出口温度622.24℃;气化合成气中CO为13.81%、CH4为3.26%、C2H4为0.601%、C2H6为0.002%、CnHm为10.936%、H2为3.82%;碳转化效率为75.1%,低位热值为5 501k J/Nm3,气化效率为57.56%。该气化效果比下吸式固定床气化炉、固定床气化炉及鼓泡床气化炉空气气化效果好。     

热管式生物质气化炉的热力学平衡模型研究

为了提高生物质燃气热值,开发一种新型热管式生物质气化炉.结合物料平衡和化学平衡,建立了热管式生物质气化炉的热力学平衡模型,进行生物质水蒸气气化的模拟计算.在此基础上,就物料种类、水蒸气/燃料比和温度对燃气成分和热值的影响进行了预测和分析.模拟结果与试验结果比较表明:物料种类对燃气成分以及热值的影响较小,而温度是影响燃气成分和热值的最关键因素;随着水蒸气/燃料比的增加,燃气热值呈降低趋势,而气化需要的热量呈增长趋势,所以建议水蒸气/燃料比选择0.8;采用高温热管技术提供生物质水蒸气气化的热量,产生的燃气热值较高,一般可达10MJ/m3,为进一步研究奠定了基础.     

户用型上吸式生物质气化炉的改进设计

在分析现有户用型上吸式生物质气化炉优缺点的基础上,针对目前气化炉普遍存在的产气可燃成分含量低,焦油及灰尘含量高,燃气热值不高等缺点,对供风系统进行了改进设计,并增加了一套水蒸汽介质循环反应系统;同时,设计了结构简单、方便实用的小型净化装置,最大程度实现了产气过程中降焦除尘。     

多体式秸秆生物质气化炉的设计

生物质能是一种清洁、可再生的能源,秸秆生物质能的开发、应用具有广阔前景,而气化燃烧是秸秆生物质能利用的一种形式。针对小型家用生物质气化炉在使用中存在气化气中焦油、灰分含量多,物料连续添加工艺复杂,而物料间断供给使用不便等问题,提出一种多体式秸秆生物质气化炉的设计。通过3个气化燃烧炉体且内炉体可拆卸,空气气化剂预热、均布供给,焦油及灰尘杂质二级净化处置等结构设计,可使得生物质物料装填工况满足家用炊事需求、保证气化反应工艺要求、有效去除气化气中焦油及灰尘杂质。多体式秸秆生物质气化炉的使用推广,可实现对秸秆生物质能源有效利用,也有助于解决秸秆生物质资源浪费及污染问题。     

户用生物质气化炉焦油净化技术研究

比较了生物质集中供气技术与户用生物质气化技术。通过炉型分析,提出了上吸式生物质气化炉是农村户用气化炉型的理想选择;同时,分析了目前户用生物质气化炉存在的问题,认为催化裂解是户用气化炉焦油净化的有效途径。在分析小型气化炉焦油净化技术的基础上,开发了一种设置二次催化裂解与分离回收装置的新型气化炉。该炉能利用燃气显热,有效回收液态焦油和冷凝水,具有焦油裂解转化效果好、气化炉效率和燃气热值提高等优点。     

生物质气化炉智能控制系统

针对生物质气化过程具有的非线性、不稳定性、大时滞和强干扰等特点,提出了一种生物质气化炉的智能控制方法控制方法,包括温度控制环和可燃气体含氧量控制环的生物质气化炉双闭环智能集成控制方法。温度控制环采用主、副控制结构:主控制器采用基于BP神经网络模型,建立温度的BP神经网络模型;副控制器根据温度预测结果实现跟随控制。可燃气体含氧量控制环引入温度和含氧量两个反馈,主控制器采用模糊免疫PID控制,推算最优鼓风机转速;副控制器实现对鼓风机速度进行跟随控制。仿真结果表明了该方法的有效性和优越性。     

基于Fluent的固定床生物质气化炉冷态压力场研究

以下吸式固定床生物质气化炉物理模型为研究对象,应用流体仿真软件Fluent,对冷态气化炉在单、双层气化剂配风工况下的床层压力场进行仿真研究。通过气化炉多点测压实验,对仿真结果进行验证。利用欧拉-拉格朗日方法分析气化炉冷态流场分布特性,根据伯努利方程说明气化炉床层压力场的变化原因。结果表明,仿真与实验结果的误差值在2.5%以内,气化剂配风工况的变化改变了炉内流场,双层气化剂配风使氧化层压力场平均值为14.98kPa,高于单层配风工况,且轴向压力分布均匀。     

含床料的回转式生物质气化反应器实验

为将传统回转炉窑机械扰动特性与流态化反应器内惰性床料的均温蓄热特性相结合,提出一种回转式气化反应器设计模式,以棉秆颗粒燃料为实验原料,首先考察了回转炉转速、过量空气系数、温度等参数对气化反应系统的影响。实验结果表明,回转炉转速控制在1~4 r/min之间,随转速增加回转炉混合扰动特性增强,炉内温度分布更加均匀,不同指标参量均有提高,在实验范围内回转炉转速在3 r/min时,取得较好的产气结果;实验控制温度在550~700℃范围,各指标均随温度升高有增大趋势,其中燃气热值、气化效率受温度影响较大,实验条件下,600~650℃温度范围内燃气热值和气化效率等指标有较大提升;过量空气系数对产气结果的各项指标均有较大影响,实验控制过量空气系数在0.2~0.4范围内变动,随过量空气系数增加,除产气率和床料区温度在一定程度增大外,其他指标均有先增大后减小的变化趋势,实验中过量空气系数为0.3时气化效果较好。典型热态实验结果表明,该回转式气化反应器产出的燃气组分与流化床接近,考虑显焓的气化效率约为79.3%、碳转化率约为81.3%;以气化炉为核心进行能量平衡计算,显示系统有效输出效率达到86.8%,散热损失为主要能量损失途径;对床料区底灰的分离研究发现,床料区滞留的底灰超过90%停留在床料区下部,且大部分底灰粒径较小。通过控制变量得到优化实验结果,可为该炉型的运行和设计改进提供参考。     

热管式生物质气化炉中水蒸气汽化试验研究

以木屑为原料在热管式生物质气化炉中进行了水蒸气汽化试验研究,分析了热管对床层温度分布的影响,研究了温度对产气成分、热值及产物分布的影响.试验结果表明,热管式生物质气化炉的床层温度分布基本均匀;随着床层温度从650℃升高到900℃,H2的体积分数逐渐增加,平均含量在60%以上,CH4含量减少,CO含量基本不变,CO2含量略有减少;汽化产物中气体产率逐渐增加,固体和液体产率减少.     

间接供热的热管式生物质气化炉的开发

利用固体生物质气化建立小规模分布式热电联供系统需要廉价而有效的热电转换设备,比较适合的小型设备有微型燃气轮机和燃料电池,这两种设备要求的燃气热值较高,属中热值燃气。因此,在小规模分布式热电联供系统中生物质的气化需要一种能够产生中热值燃气、操作方便和安全可靠的气化炉。这种中热值燃气是依靠生物质间接气化获得,而高温热管间接供热是效果最好的一种供热方式。为此。开发了一种新型间接供热的热管式生物质气化炉,以满足分布式热电联供系统转换设备的要求。     

下吸式气化炉木屑高温蒸汽气化制取富H2实验

设计了生物质高温蒸汽气化实验平台,主反应器为高温蒸汽发生系统和带有喉口的下吸式气化炉。利用该实验平台对木屑进行高温蒸汽气化研究,气化过程通入的蒸汽温度控制在600~1 000℃。实验结果表明:高温蒸汽既是气化过程的气化剂又是部分热载体,能有效提高气化效率,并维持炉内温度场的稳定。实验条件下,气化气可燃组分体积分数达到77%以上,当蒸汽温度为(948±4)℃时,气化气中H2体积分数达到(51.83±0.12)%,气体热值为9.81 MJ/m3,H2/CO组分比达到2.17,气化气可持续稳定燃烧,气化性能较为理想。     

高温空气气化生物质的平衡模型研究

在考虑气化过程中碳的部分转化及系统散热的基础上,对甲烷反应的平衡常数进行修正,建立了基于物料平衡、化学平衡及能量平衡的高温空气气化生物质的平衡模型,模型计算结果与文献试验数据相符。利用该修正模型研究了林木废弃物在下吸式固定床、高温空气气化条件下,空气预热温度、原料含水量及空气当量比对产气组成、气体热值和气化效率的影响。结果表明:提高空气预热温度有利于产气,而原料含水量应尽量降低;空气当量比为0.34时,气化效果最理想。     

生物质气化炉模糊免疫PID-P串级控制研究

针对生物质气化过程是一个具有非线性、非最小相位特征、不稳定性、大时滞和负倚干扰特点的动态过程,提出了一种生物质气化炉的模糊免疫PID-P串级控制方法.内环采用P控制器,以快速消除外界负荷干扰带来的不稳定波动,外环采用模糊免疫PID控制器,以保证气化炉气温及烟气含氧量稳定在给定值.仿真结果表明了模糊免疫PID-P串级控制方法的有效性和优越性.     

Ni-Zn/玄武岩催化剂生物质催化气化实验

采用一步水热法原位合成工艺制备了Ni-Zn/玄武岩复合催化剂,对催化剂微观形貌和表面元素分布进行了表征。以松木颗粒为原料、水蒸气为气化剂,采用下吸式管式气化炉实验平台,研究了Ni-Zn/玄武岩复合材料在不同温度下高温蒸汽的催化气化效果,通过考察气体组分变化,探讨Ni-Zn/玄武岩复合催化剂催化性能随温度变化的规律,并与无催化剂和以白云石为催化剂的催化性能进行实验对比。实验结果表明:水热反应温度为130℃,反应时间为12 h时,Ni、Zn能很好地负载在玄武岩纤维表面;与不加催化剂和加入白云石催化剂相比,Ni-Zn/玄武岩复合催化剂气化温度在950℃时催化效率明显提升,氢气体积分数增加明显,分别由无催化剂时的58. 6%、加入白云石催化剂时的50. 02%升高至63. 28%。     

内燃加热式生物质气化炉设

根据生物质气化原理,针对目前气化炉产气热值低和存在焦油的问题,设计了一种内燃加热式气化炉.内燃加热式气化炉优于已有的固定床气化炉、流化床气化炉;类似于下吸式固定床气化炉,热解气中焦油含量低;设置以热解气为燃料的内加热系统,减少了空气入炉量,提高了热解气热值.内燃加热式气化炉是将生物质气化与焦油的催化裂解集于一体,不需要再为催化裂解提供热源.