文献综述

1. 研究背景

我国农业和林业残余物量大面广，2001年我国农业秸秆产量为6.5亿t，林木采集和林业加工剩余物也达上亿。农林残余物和其他有机废弃物的资源化利用，是关系到社会可持续发展的大课题。

生物质热解技术能够有效地将生物质资源转化为比较清洁高效的能源。生物质热解技术的研究已成为当今世界前沿热点之一。生物质热解气是以农作物秸秆、林木废弃物等生物质为原料在缺氧、低氧或水蒸气等介质下，经过高温降解的热化学转化过程所产生的气体。该气体经除尘、除焦等净化后得到生物质燃气主要应用于燃烧设备进行燃烧，燃烧设备在一定程度上决定了生物质热解气利用效率。目前国外生物质能源技术比较先进，以欧美一些发达国家为主，农场作为农业生产的特色，生物质资源数量多并相对集中，热解生成大量生物质燃气，较多用于发电和区域供热并实现了商业化应用，形成了规模化产业经营。我国能源相对不足，资源质量较差，能源以煤为主，环境问题也日益严峻，不符合发展循环经济的战略方针，生物质为原料生成生物质燃气，可实现废物减量化、改善城市生态环境，还可生产生物质能源，涵盖了“节能环保”和“新能源”两个战略性产业。

生物质直接燃烧可以分为传统的炉灶燃烧和现代工业中的锅炉燃烧。生物质能源虽然有很多优点，但是由于生物质燃料本身的特点异于煤炭，从而导致在实际大规模的生物质能源转化利用过程中存在一系列运行问题生物质中的碱金属（K、Na）含量比较高，从而导致生物质灰的灰熔点比较低，对燃烧过程造成严重的影响。在实际燃烧过程中，高碱金属含量会引起锅炉受热面积灰、腐蚀和结渣等；直接造成热效率降低和锅炉寿命下降等；同时高碱金属含量还会引起床料的结渣、聚团等进而破坏床内的流化，从而恶化燃烧条件。生物质热解是在缺氧及高温条件下生物质析出挥发份的过程，利用热能将木质纤维如木质素、纤维素和半纤维素等大分子碳氢化合物分解成小分子物质。同时，热解也是燃烧以及气化不可或缺的初始反应，因此热解就成为目前生物质热化学转换技术的研究重点、热点。热解产物包括气体、液体和固体三种。

2.研究现状

生物质的热解气化技术是指在无氧或缺氧加热的条件下，生物质组分发生大分子断裂，产生小分子气体、热解溶液和碳渣的热解过程，以及在此过程基础上，添加气化剂（空气、水蒸气、氧气等）发生反应的气化过程，用以获取小分子高热值可燃气体为目的的能源技术。反应过程产生的焦油视其性质可制成燃料或提取化工原料；气化过程生成的可燃气视其热值的高低可直接燃烧或与其它高热值燃料混合燃烧，用于发电、采暖、供居民生活燃气用等。由于该技术能源利用率较高、产物使用范围广泛，成为了能源工作者所研究的新型能源技术中的热点问题。它的应用为解决日益严峻的能源问题提供了新的思路和途径。

生物质热解气化技术己有一百多年的历史。生物质燃气燃烧设备的设计与其他燃气燃烧设备设计一样，必须考虑其先进性、适用性、安全性、稳定性、耐久性和维修简便，因此，要遵循以下研究设计原则：（1）燃气燃烧的完全程度，即提高燃烧效率，降低污染程度。目前，市场存在的燃气燃烧装置燃烧效率普遍较低，不符合国家标准。因此，设计燃烧效率较高，环境污染较低的燃气燃烧器将是研究的重点。（2）通用性好。所设计的燃烧器能够允许生物质热解气成分或流速在一定范围内波动，而不影响正常燃烧。供风系统能够满足较大范围的调节，保证燃烧所需空气量的供给。（3）着火率高。根据生物质热解气的着火特性，选择适当的点火装置，使其可方便可靠点火，着火率达 100%。（4）燃烧稳定性好。不脱火，不回火，无黄焰（5）结构紧凑，坚固耐用，调节方便，金属耗量最少。

最初的气化反应器产生于 1883年，它以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机，推动早期的汽车或农业排灌机械的发展。在 20 世纪 20 年代大规模开发使用石油以前，气化器与内燃机的结合一直是人们获取动力的有效力法。生物质气化技术的鼎盛时期出现在二次世界大战期间，当时几乎所有的燃油都被用于战争。民用燃料匮乏，因此德国大力发展了用于民用汽车的车载气化器，并形成了与汽车发动机配套的完整技术。以 Imbert 型及其改进型为代表的车载气化器装备了超过一百万部的汽车，主要的燃料是木炭，当木炭缺乏时也可使用优质的硬木。我国在能源困难的 20 世纪 50 年代，也曾使用这种方法驱动汽车和农村排灌设备。当时固定床气化反应器的技术水平达到相当完善的程度。70 年代中东廉价石油资源的开采，使得该技术研究长期处于停滞状态。但随着现代工业的发展，能源需求的不断增长，以及石化能源的衰竭，该技术再次成为全世界新型能源研究的热点。主要的技术为固定床气化器和流化床气化器，一般情况已不再使用木炭，而是使用各种木材、林业残余物和稻壳，产生可燃气体主要用于发电。小型系统采用固定床气化器和内燃机，大型系统采用流化床气化器和燃气轮机组成联合循环气化发电系统，已经出现了 18MW 的实验电站。针对热解气化设备的研究是该项技术研究的重点，国内外专家学者及企业公司投入了大量的资金和精力在此。瑞士 SA 公司研制推出了热选式（Thermoselect）气化炉。一个利用此项技术的、处理能力达 100 吨/天的生活垃圾处理项目已于 1993 年在意大利的巴巴亚投入使用。美国 MTCI 公司研制成功多个型号的沸腾床气化炉。该气化炉采用间接加热的方式，气化温度较低，一般为 700℃。1992 年，使用此项技术的一个处理能力为 48 吨/天的气化炉在印度的艾罗得市投入使用；另一个处理能力达 110 吨/天的气化炉在印度帕纳德省的一个制糖厂得到运用；一个日处理能力为 24 吨的气化炉在加拿大的一个造纸厂也投入了试运行。另一种由贝特勒bull;哥伦布实验室（BCL）研制成功的外供热式的气化SilvaGasTM则比较适用于木质成分占较大比重的生物质气化。它由两个流化床炉体构成，首先物料进入第一个炉膛，在其内800~900 ℃温度下热解成可燃气体，该气体被引进入第二个炉膛进行燃烧，加热炉内的沙子，热沙再用于提供第一部分热解的热量。运用该技术的一个处理能力达到180 吨（干重）/天的木材气化项目在美国的佛蒙特州投入使用。此外，美国 EPA 开发了 Torrax 流程、美国 UUC 公司开发了 Purox 流程、德国开发了 FLK 流程等直接气化熔融技术。日本也进行了大量的研究，并在商业化上有着显著的优势。荏原公司开发了流化床热解气化焚烧炉，1984 年 3 月在日本藤泽市已建成了 3times;130 吨/天的城市垃圾发电厂；久保田公司利用炉排炉也实现了热解气化焚烧，1997 年建成界市垃圾焚烧发电新厂，单台炉处理能力达到 230 吨/天；东京墨田垃圾发电厂采用炉排炉热解气化焚烧，单台炉处理能力达 600 吨/天。国内生物质气化技术也在 20 世纪 80 年代以后得到了较快发展。 90 年代初期，我国研制了由固定床气化器和内燃机组成的稻壳发电机组，形成了 200kW 稻壳气化发电机组的产品并得到推广。同期中国农机院、中国林科院进行了用固定床木材气化器烘干茶叶，为采暖锅炉供应燃气做了尝试，中国农机院研制了用固定床气化器进行木材烘干技术，并得到一定程度的推广。20 世纪 90 年代中期，中国科学院广州能源研究所进行了流化床气化器的研制，并与内燃机结合组成了流化床气化发电系统，使用木屑的 1MW 流化床发电系统已经投入商业运行并取得了较好的效果。中国科学院广州能源所还进行了通空气作为气化剂的下吸式气化炉处理城市生活垃圾的研究，所得的可燃气体热值为 4600 KJ/m。中国林业科学研究院林产化学工业研究所利用流态化气化炉处理城市生活垃圾，反应温度为 600~750℃，所得的煤气热值为 6500~7500 KJ/m。

综上所述，热解气化技术在欧美及日本等发达国家的研究进展较快，投入运行的项目较多、规模也较大，我国该技术研究近几年来也得到了重视，随着热解气化技术在垃圾资源化方面的优势日益显著，国内对该技术投入的关注也越来越多，各科研单位与高校也纷纷开始了此类研究，可以肯定生物质热解气化技术在我国能源结构调整中将发挥更加重要的作用。

国内外已研究开发出多种生物质热解反应器，并实现了规模化应用，其中以流化床反应器最具代表性，流化床反应器具有较高的传热效率，处理能力大、气相停留时间短、装置体积小等特点，得到了广泛的研究开发和应用，但装置生产成本较高，对物料的粒度要求较高，制约了流化床的工业化推广。新型热解反应器也有报道，但多处于试验或中试阶段，因此研究开发原料适应性强、生产成本低，高传热效率、易于扩大的新型热解反应器是推进生物质热解发展的重要一步。

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

本课题是以竹片为燃料，完成一台外然顺流填充床热解炉的设计。可尝试按照以下基本思路确定设计要求：

1）炭化设备能够连续生产，通过连续进料、热解、出炭和油气分离等实现

生物质炭化过程的不间断作业，最大程度地提高设备生产率。

2）生物质原料的进料量可调控，且保证进料过程的密封性。通过控制关风

器的转速来调节进料量，关风器和闸阀的配合动作实现密闭性进料。

3）热解炉采用电热丝加热，PID 程序控温，使热解炉温稳定在设定温度。

由于本科植物有高氯高钾的特征，在实验室内用制备竹炭，分别对竹片和竹炭进行常规元素分析、氯钾元素分析、热重分析、工业分析和热值测定，根据所得数据完成热解过程计算，根据计算结果完成热解炉的结构设计

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