1、 生物质气化技术综合实验台的设计与探索 崔亨哲 宋秋 任永志 赵永 辽宁省能源研究所 115000 关键词 ： 生物质气化技术，热化学反应 ,综合实验台 ,生物质气化利用， 气化反应 前言： 生物质气化反应是，在特定气化剂条件下的复杂而多向化学反应的总和 .要分析和正确反映生物质气化反应的机理 ,并对气化反应的全过程进行控制 ,需要一套完备的综合实验台设备 .综合实验台的可控性和完备性直接影响到 ,对生物质气化反应过程机理分析的正确性和准确性 .这要求生物质综合实验台不但具备良好的可控性能之外 ,还要具备瞬时数据采集功能 ;并能 将采集到的各个数据传输到计算机中进行数据处理和分析 .本文通过首
2、台生物质实验台的设计和制造并实际运行测试，得出了初步的设计理论。 1. 实验台的工艺设计方案 : 生物质气化综合实验台的气化产气系统工艺与目前正通用的实际秸秆气化应用领域中传统工艺系统基本相同 ,既应具备气化器、净化器、过滤器、鼓风机等基本设备单元 .但做为综合实验台 ,在这基础上又要具备一套可靠完整的数据采集系统 .这两个系统组成一个完整的生物质综合实验台的总工艺系统，生物质气化综合实验台的具体工艺流程如下图所示 . 工 艺 流 程 图 根据实验台主要应用 于教学和科研实验的实际情况和以往气化装置的设计经验 ,设计中首先确定了：实验台产气能力在 55m3/h 20 m3/h 范围并有较好可控
3、性的气化产气系统的设计方案 ,并适用的气化原料是生物质颗粒或块状的原料 ,气化剂是空气 .按照此方案 ,设计出相应的气化炉 ,并围绕气化炉配齐相适应的净化设备和鼓风机及可控软硬件 . 1. 气化产气系统的设计： 在整套 气化产气系统 中，气化炉的性能直接影响整个 气化产气 系统的稳定可靠运行。本套 实验台的气化产气系统工艺 采用的是下吸式结构的气化炉 .下吸式气化炉的结构特性，为了从气化反应核心过程中降低气化产 气中的焦油含量提供了 保障 .因为气态下的焦油成分在较高的温度条件下 ,吸热反应之后可以进行再次裂解 .从下吸式气化炉的结构来看 ,热解层和还原层分别位于其燃烧层上下部 ,这样在燃烧时
4、产生的高温 CO2 和热解层产生的混合气体都要经过高温区的燃烧层和炽热的碳层 (还原层 ),为焦油成分的再次热解提供了高温环境和热源保障 .同时，要提高气化效率和保证气化过程的稳定进行 ,必须有源源不断的充足的热源 ,在有限的空间内要产生足够量的热量 ,燃烧层附近的气化物料必须与气化剂（空气）充分接触和混合 .这要求气化炉的喉管区要形成合理的空气流动场 ,有 助于 各反应层的形成 .根据这些因素和要求 ,在气化炉的设计中采用了空气喷嘴轴线相切与特定半径的虚拟圆这种独特的配风方式 .这种配风方式从结构上保证了空气与气化物料的充分接触 .在这基础上，在气化炉的空气入口管上配备了孔板流量计和控制阀
5、,这样既能监控进入气化炉的空气流量 ,又能监控不同工况条件下所需要的单位空气流量 .为了监控整个气化过程中的气化反应速度 ,在气化炉的底部安装了电子显示称 ;同时要监控各个反应区域的温度变化 ,在每个反应层附近设置了耐高温的热电偶，从而在整个气化炉结构设计选型和针对监控气化反应过程的控件利用 ,为了此生物质综合实验台的稳定可靠运行提供了有力的理论基础和结构上的保证 . 经过计算和经验推算，本套生物质气化综合实验台采用的下吸式生物质气化炉主要设计参数如下表： 项 目 单 位 参 数 项 目 单 位 参 数 木料或生物秸秆颗粒 mm 10 20 设计气化效率 % 75 原料处理量 kg/h 50
6、气化炉出口焦油含量 mg/Nm3 2000 理论空气量 Nm3/h 32 气化炉喉部直径 mm 200 产气量 Nm3/h 55 气化强度 kg/m2h 430 气体热值 kJ/Nm3 5500 气化炉出口气体温度 60 180 因为所采用的气化原料是颗粒状或块状的生物质；根据以往的经验 ,在气化过程中只产生少量的粉尘灰 ,因此完全可以取消单独的除尘设备 .在本次综合实验台的设计中只采用了水喷淋净化设备 ,将密闭容器内的水通过水泵打入到特定的喷淋水室 ,高压后的喷淋水经喷淋水系上的各个喷嘴高速喷下 ,形成雾状的高速水珠 .高速流下来的水珠与从下往上走的生物质气化混合气进行充分接触 ,同时生物质
7、气化混合气体中的粉尘和微小颗粒状的碳和粉尘灰与水珠接触之后落下来 ,依此达到冷却和净化的目的 .综合实验 台的用途在试验室的教学和科研上，所以 每 必要长时间运行系统，因此没采用冷却循环水系统。做完相关实验之后可以排净喷淋塔内的喷淋水，等下次做试验时可重新注入常温洁净水。 因为实验台在运行过程中，生物质气化产生的生物质混合气体所带出的热量比较多，因此从气化炉出来的时候温度已经较高，随着实验台设备的运行喷淋水也同时被加热。因此生物质气化混合气体中会含有较多的水蒸汽和水珠。这些水份不进行分离处理的话，会造成生物质气化反应试验的不真实性和所采集数据的准确性；所以必须进行分离取除。在本次实验台的设计中
8、采用的是，结构较简单并 制作叫简便的贯性式除湿器，所存在的缺陷就是压力损失较大。 从气化炉产生的生物质气化混合气体，虽然经过了喷淋塔和除湿器净化，但还会含有各种杂质和微小颗粒状的飞灰粉尘物；同时气化混合气经过前几道工艺和输送管路之后温度也越来越降低，降到一定温度之后气化混合气中原保持气态状的焦油成分也从气化混合气中分离。这就要求系统工艺上要设一个过滤装置，本次设计中采用的是填料式过滤器。 在本套生物质气化综合实验台中，气化反应的动力源是罗茨鼓风机。鼓风机的出力大小直接影响着气化反应速度的快慢和气化反应的质量。在本次设计中，为了能够 及时调整和控制生物质气化反应的气化速度，并能准确地反映出生物质
9、气化气的瞬时流量，在罗茨鼓风机的出入口侧分别设了一个回路调节阀和孔板流量计。 2. 数据采集系统的设计： 为了要掌握在生物质气化反应中每个工艺流程中的温度和压力变化，在本次设计中对每个单元设备的出入口侧全部安装了相应的温度和压力传感器。这样在实验过程中很方便地监控各个设备中的压力损失和生物质气化混合气体的温度变化。通过温度和压力变化传出的模拟信号通过各个相应的数模转换模块转换成数据信号，每个模拟信号的接受和传出都是单独的回路设计，因此每个模拟信号的变化 不会影响相领传输信号的变化。通过数据转换模块转换的各个数据信号通过专门设计的应用软件经过计算机处理之后又通过电脑显示器中显示。 在生物质气化反
10、应实验过程中要随时分析和掌握生物质气化混合气体的成份，并根据每个成份的变化要计算出每个时间段的生物质气化混合气体的热值，并找出最高热值的反应条件和反应机理才是整个实验的目的所在。因此数据采集系统中专门多设了一台能在线检测混合气体组份的仪器 气相色谱检测仪，气相色谱检测仪帮助实验者分析出气体组分的变化和混合气体热值的变化。这些数据参数的变化都要经过给配备的专用计算机中的 专用软件，经过数据处理通过专门应用计算机界面在计算机的显示器中显示出来。 在生物质气化实验中通过电脑显示器显示的界面分别有： A. 整个生物质气化实验中的瞬时温度、压力、进空气量、产出气量、生物质量； B. 生物质气化原料的重量
11、随着时间的变化曲线； C. 气化炉内各个反应区温度随时间的变化曲线； D. 每个产气组分随时间的变化曲线； E. 产出气热值随时间的变化曲线。 以上是生物质气化技术综合实验台的气化产气系统和数据采集及分析系统的简单介绍。 2. 生物质气化技术综合实验台的运行测试： 1. 气化产气系统的测试： 生物质气化技术综合实验台的每个设 备单元全部制作完毕之后，根据工艺流程进行了组装。组装之后分别采用木块和秸秆颗粒作为气化原料进行了气化产气系统的测试。 从实际安装效果来看，整套实验台设备安装非常紧凑，全部占地面积 6m2。为了安全起见，其燃烧器安装在室外，这样刚开始启动时的烟气也全部排到室外，实际操作起来
12、室内也非常清洁。生物质气化反应过程的正常与否从外观上判断，根据燃烧器是否能够连续点燃为依据。在整个实际运行效果来看，气化速度的控制是非常理想的，因为完全可以通过调节空气进气阀和回流调节阀来达到所需要的气化速度和不同气化速度下的产出气的流量。 下面表示的是，以采用木块作作气化原料，在正常产气并燃烧器能连续进行燃烧时的实际数据参数： 编号 空气 流量 产气 流量 生物质气化产气组分 产气 热直 当量 比 (%) m3/h m3/h CO2 C2H4 H2 O2 N2 CH4 CO (kJ/Nm3) (%) 1 14.2 25 12.34 0.52 15.76 0.25 46.09 2.02 23.
13、02 5670.85 0.31 2 16.8 35 13.32 0.47 16.18 0.20 46.45 1.34 22.42 6365.62 0.29 3 23.3 45 12.84 0.60 12.93 0.19 50.81 1.24 21.47 4944.05 0.34 4 26.8 55 11.57 0.60 11.78 0.78 49.28 2.12 21.91 5190.10 0.30 从以上表格中显示的测试结果和计算结果情况分析，可以得出结论：本次实验台实际运行时的气化参数，基本符合设计预定的方案；并反映出，当量比在接近最 价 理论当量比（ 0.28）时其产出混合气体的热值也是
14、最高。依此来判断，此型生物质气化综合实验台的气 化产气系统的设计是合理的，而且基本能满足教学和科研工作中的实验室要求。 2. 数据采集系统的测试： 数据采集系统的测试主要目的在于，其采集的数据和参数是否与实际的参数符合，并是否能真实地反应出其热化学反应过程中的各个因素的量的转化和热化学反应前后的生物质物理状态。从生物质气化的全过程来看，所进行的热化学反应不管是吸热反应还是放热反应，其每个过程中的反应速度和所产生的气体组分的状态都是离不开气化原料重量的变化和产出其的流量及温度压力等基本热力参数的变化。从实际运行效果来看，运行全过程中计算机中显示的各个参数，基本能 反映出各个相关化学反应过程中的热
15、力参数，其中生物质原料重量的变化记录的误差可以控制在 0.01kg 之内。 3. 结论： 随着整个现代社会经济的发展越来越依赖于能源的供应，对生物质资源的合理利用和快速开发是非常重要的一项工作。作为生物质能的重要开发利用途径 生物质气化利用也越来越被社会经济发展的需求认可。要合理并 有 效地利用好生物质气化技术，就离不开完善的生物质气化技术综合实验设备平台 ,随着生物质气化技术的不断发展 ，其生物质气化实验方式和实验装置会越来越完善和先进。 参考文献： 1 袁振宏等，我国生物质能技术产业化基础的 研究， 2002 年中国生物质能技术研讨会论文集， 2002： 1-18 2 任永志，董立明，下吸式生物质气化炉的设计，农村能源， 200092（ 4）： 16-18
