PDF《户用型上吸式生物质气化炉的发展与改进》

第27 卷 增刊

1 农业工程学报Vol.

27 Supp.1

2011 年5月Transactions of the CSAE May.

2011 205 户用型上吸式生物质气化炉的发展与改进 李斌,陈汉平 ,杨海平,王贤华,张世红 (华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉 430074) 摘要:户用型上吸式生物质气化炉因其结构简单、使用灵活、操作方便和成本低等特点在中国农村地区拥有广阔的应 用前景,但在目前实际推广应用过程中仍存在原料适应性差、气化气热值偏低、焦油和水分含量高及产气不稳定等较多 关键技术难题.该文简要介绍了上吸式气化炉的工作原理,概括总结了中国户用型上吸式气化炉研究和应用现状,全面 分析了其存在的问题及产生的原因,并从严格原料规范、优化气化炉结构和运行工况、加装焦油处理装置及创新气化炉 气化机理等方面提出了一些可行的解决措施,可为其进一步发展和改进提供指导. 关键词:改进措施,指导,解决问题,户用型,上吸式生物质气化炉,现状 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2011.z1.041 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011)-Supp.1-0205-05 李斌,陈汉平,杨海平,等. 户用型上吸式生物质气化炉的发展与改进[J]. 农业工程学报,2011,27(增刊 1):205 -209. Li Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, et al. Development and improvement of household updraft biomass gasifier [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(Supp.1): 205-209. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 随着中国农村经济的发展和农民收入的增加,农村 地区对清洁能源的需求日益迫切.生物质能作为中国广 大农村地区家庭生活用能的主要来源,其清洁高效利用 是解决农村清洁用能的关键.户用型生物质气化炉可将 低品位的生物质转化为高品位的可燃气,能够很好地满 足农村家庭生活清洁用能的需求[1-3] .它不仅符合生物质 资源分布式的特点,而且由于其结构简单、使用灵活、 操作方便和成本低等特点而特别适合于农村和集镇居民 以及小型餐饮业的使用.

1 上吸式气化炉的工作原理 目前,中国的户用型生物质气化炉所采用的炉型基 本为上吸式固定床气化炉,其结构如图

1 所示[1] .根据上 吸式气化炉炉内不同高度料层的反应特征,可将炉内空 间自上而下划分为干燥区、裂解区、还原区和氧化区. 生物质原料由气化炉顶部加入,气化剂(空气)由炉底 部经过炉栅(或布风装置)进入气化炉,产出的燃气通 过气化炉内的各个反应区,从气化炉上部排出. 在上吸式气化炉中,气流流动方向与物料运动方向 收稿日期:2010-08-13 修订日期:2011-05-12 基金项目: 国家重点基础研究发展计划项目 (

973 计划) (2007CB210202) ;

国家自然科学基金项目(50806027,50930006) ;

华中科技大学博士论文创 新基金项目. 作者简介:李斌(1985-) ,男,博士生,主要从事生物质的热化学转化 与利用研究.武汉 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,430074. Email: [email protected] 通信作者:陈汉平(1962-) ,男,教授、博士生导师,主要从事煤与生 物质的高值化、 多联产资源化利用研究. 武汉 华中科技大学煤燃烧国家重 点实验室,430074.Email: [email protected] 相反.首先,向下流动的生物质原料被向上流动的热气 体烘干脱去水分(干燥区);

接着,干燥的生物质进入 裂解区后吸热发生裂解反应,析出挥发分.然后,生成 的焦炭进入还原区,与氧化区产生的热气体发生还原反 应,生成 CO 和H2 等可燃气体.最后,还原区未消耗掉 的焦炭进入氧化区,与入炉空气发生氧化反应,灰分则 落入灰室.上吸式气化炉的氧化区温度最高,可达

1 000 ℃以上,氧化区的氧化反应为整个气化炉的反应提供所 需的热量,热量通过向上流动的热气体进行传递.在氧 化区、还原区、热解区和干燥区生成的混合气体,即生 物质气化可燃气,自下而上地向上流动,排出气化炉. 图1上吸式固定床气化炉结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of updraft fixed bed gasifier 农业工程学报

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2 户用型生物质气化炉的研究与应用现状 户用型生物质气化炉作为一种新型的清洁炉灶设 备,与传统的土灶相比具有能源转化率高、清洁卫生、 使用灵活方便等突出的优势,而且很好的克服了沼气池 技术(操作要求严格, 三分建池、七分管理 ,容易 受季节气候的影响,产气不稳定)和秸秆气化集中供气 技术(投资大、回收期长、焦油处理困难、农民居住分 散、气化站 欠户 现象严重、设备利用率低等)所存 在的问题[4-5] ,在广大农村地区拥有广阔的应用前景. 2.1 户用型生物质气化炉国内外研究进展 户用型生物质气化炉根据入炉空气的进入方式不 同,可将其划分为强制通风型气化炉和自然对流型气化 炉,且以前者居多,二者皆有一定的研究和应用.美国 的Reed 和Larson 设计了一种以碎木屑和小木块为原料的 自然对流型上吸式木材气化炉,通过控制一次进风量可 以调节气化炉的气化强度,该气化炉可用于室内炊事, 还可生产木炭副产品,该气化炉后来还被改造成了强制 对流型的木材增压气化炉[6-7] .印度科学院研制的 IISc 型 上吸式气化炉以木块和团状垃圾为燃料,输出功率高达 3~4 kW, 效率为 25%~35%, 一次加料可连续反应 2h[8] . 泰国的 Bhattacharya 等改进了一种自然横向供风的烹饪 用气化炉,取得了较好的运行效果[9] .美国 Aprovecho 研 究中心的 Paul Anderson 设计了一种自然对流型上吸式气 化炉,采用顶部点火方式,运行稳定可靠,但对所使用 的燃料非常敏感[10] . 菲律宾的 Belonio 设计的直燃式强制 通风型稻壳气化炉,也采用顶部点火方式,实际使用效 果良好[11] .Saravanakumar 等设计了一种强制通风型上吸 式气化炉,考察其在使用大尺寸的长木棒(长约

69 cm, 直径约

6 cm)时的气化性能,并对其采用底部点火和顶 部点火两种运行方式进行了对比研究[12-13] . 中国户用型生物质气化炉的研究和发展已有十几年 的历史,在改善气化炉的性能和解决当前所存在的技术 难题方面已取得了显著进步.崔永章等[14] 通过对比分析 上吸式和下吸式

2 种炉型后指出,上吸式气化炉是户用 型气化炉的理想形式.王华军等[15] 对户用型上吸式气化 炉设计中的关键技术问题进行了研究与分析,并重点讨 论了压力、气化温度、焦油含量和燃气灶具等对其整体 性能的影响.杨少鹏等[16] 改进供风方式设计了一台上吸 式气化炉,并考察了原料种类和气化剂流量对炉内温度 和产气成分的影响.胡万里等[17] 分别针对生产厂家和消 费者提出对现有气化炉进行增加炉内过滤装置或增加储 存和过滤装置的改进设计方案,并对各种方案进行了对 比分析.吴杰等[18] 分析了可燃气中 H2 含量较低的原因, 指出上吸式气化炉采用湿空气作气化剂可提高 CO 和H2 的含量.李鹏等[19] 在分析现有户用型上吸式气化炉缺点 的基础上,提出一种新的 山 字形多通道布风系统实 现均匀布风,并增设水蒸气介质循环反应系统和简易净 化装置,来提高产气热值及降低产气中的焦油和灰尘含 量.车丽娜等[20] 设计了一种环形布风装置运用于上吸式 气化炉可实现炉内平面均匀布风.李斌等[21] 报道了一种 通过底部环形风道和中心管周向布风孔实现均匀布风的 户用型上吸式气化炉,加装了自动点火系统,实际运行 效果较好.另外,还有许多专利技术和产品报道了通过 改造气化炉的内部结构[22] 、布风系统[23] 、点火系统[24] 以 及加装压料装置[25] 等来改善气化炉的气化性能,实际运 行效果还有待检验. 2.2 我国户用型上吸式气化炉的应用现状 近十几年来,户用型生物质气化炉在全国各地得到 了广泛地发展.它能够直接利用农村各种废弃的生物质 资源(如秸秆、稻壳、木屑、花生壳等)在缺氧条件下 气化,使大部分可燃物质转化为 CO、H

2、CH4 等可燃气 体,供炊事和取暖等使用.由于其诱人的市场前景,户 用型生物质气化炉的开发和推广已吸引了大量企业和投 资者参与,已有各种不同的产品在市场上流通销售. 随着中国新农村建设工作的不断推进和对农村室内 空气质量的逐渐重视,在农村地区加速推广高效低排放 的生物质炉具已被提上议事日程,各地政府也相继出台 了扶植和补贴政策,在农村加大了推广户用高效低排放 生物质炉具的力度,户用型上吸式气化炉的发展也迎来 了良好的契机和广阔的空间.户用型上吸式气化炉经过 多年的研究和发展,产品不断升级换代,质量不断提高, 各种新结构和新产品不断涌现.在2008 年中国民用炉具 国际研讨会暨产品展示会上中国农村能源行业协会节能 炉具专业委员会郝芳洲主任指出了炉、灶分离的上吸式 气化炉由于焦油问题难以解决,其应用推广应当受到限 制,而炉、灶一体化的直燃式气化炉则发展空间广阔. 目前市场上流通的户用型上吸式气化炉产品技术基 本均未完全成熟,在加料、点火、焦油和产气稳定性等 方面均或多或少存在一定的问题,严格而言,其产品仍 处于试用和改进优化阶段,真正完全成熟的产品还很少 见.然而,当前的实际市场却明显过热,各种冠以高科 技名号的气化炉厂家数不胜数,实际研发能力薄弱,生 产出的产品技术含量低,质量不过关,且大部分为小作 坊式的生产模式.产业资本的不断涌入与实际市场的脆 弱更加剧了户用气化炉行业的病态发展.气化炉产品质 量良莠不齐、粗制滥造现........