新型固定床生物质气化及燃气燃烧特性的研究

摘要

生物质气化技术是农林废弃物实现资源化利用的有效途径，对缓解能源压力、保护环境具有双重意义。本文自行设计的新型反烧式固定床气化炉，是对传统固定床气化炉的一种创新。该技术不但降低了生物质的有效能量损失，还减少了产气中的焦油含量，解决了传统固定床床层易“搭桥”的难题。而对低热值生物质气燃烧器及燃烧特性的研究，则是实现生物质气用于蒸汽锅炉燃料的关键技术。本文针对新型固定床的反应模式及所产生物质气的特点，结合理论计算、试验研究及数值模拟多种研究方法，对固定床气化炉的气化特性及低热值生物质燃气的燃烧特性进行了研究。其主要内容和结论为：
　　 (1)建立了基于物料平衡、化学平衡及能量平衡的生物质气化热力学平衡模型。用该模型对固定床气化区进行理论计算，研究了原料含水量及空气当量比ER对产气的影响。表明原料干基含水量增大，产气热值和气化效率均下降；ER存在一个最优值0.40，此时气化效果最佳。
　　 (2)深入研究了空气量对反烧式固定床气化炉气化特性的影响。最优空气当量比为0.242，此时燃气中H2含量15.3％、CO含量13.0％、CH4含量2.67％，低位热值为4581.2kJ/Nm3，气化效率为57.1％。另外，气化剩余木炭热值高于29.5×103kJ/kg，气化炉燃气与木炭的综合转化效率最高达86.5％，比常规固定床气化炉高10％～15％，表明该固定床为一高效的生物质热化学转化设备。
　　 (3)气化剩余木炭固定碳含量高于87％、灰分与挥发分均低于6.5％，且已具备一定的吸附性能；采用压汞法分析了木炭的孔隙结构，表明其孔径以4μm与8μm的中孔为主；ER=0.242时热解气化剩余木炭的孔容积、比表面积及孔隙率均为最大，其值分别为4.094cm3/g、18.64m2/g和82.18％。
　　 (4)在自行设计的燃烧器上试验研究了低热值生物质燃气的燃烧特性。结果表明生物质气化燃气在套筒式扩散喷嘴条件下能实现稳定、清洁燃烧，燃烧温度为500℃～650℃，完全可以作为蒸汽锅炉及工业炉的燃料。
　　 (5)应用FLUENT软件对生物质燃气燃烧特性进行了数值模拟，所得结论与试验结果基本一致。