(转)生物质气化炉调研报告

发布: 2008-3-29 11:37 | 作者: zealyouth2002 | 来源: 江苏省内燃机学会

生物质可泛指有机物质。从能源利用角度来说是指储存太阳能又可释放热能的植物。自从人类发现并发明对火的应用，生物质能的燃烧热利用伴随着人类文明的进步，在漫长的历史进程中，曾成为人类赖以生存的能量之源。从实用角度，这里的生物质能是指林业和农业生产加工剩余物，如枝条、秸秆、树皮、锯末屑、灌木条、谷果壳等。

自然状态下的生物质能量密度低，影响它取代煤、油、气的功能。为提高其能量品位，强化应用功能，生物质气化是技术措施之一。

1.生物质资源及属性

生物质能是太阳能通过植物的光合作用转换、固化和储存的能量。它是可再生的，稳定的。同风能、太阳能比较，不受或较少受自然因素的制约，而且可加工转换，能量强度高，可储存运输，具有常规矿物燃料的属性。

自然状态下的生物质如秸秆、枝条散碎细软.含水率高，能量密度低，燃烧强度小，只能做非生产作业，如农家炊事的低速、低温利用。

2.技术的经济性和可行性

燃料的存在有固态、液态和气态三种形式。当燃料燃烧释放能量时，首先与空气接触产生氧化燃烧反应，其反应(燃烧)速度、产热率及产热量均与在空气中与氧的接触程度有关。在气、液、固三种形态中，气体分子可任意扩散，其可燃成份最活跃，与空气中氧分子的接触机率远远高于固体或液体中可燃成份的接触机率。所以如果将固态的生物质转换成气态再燃烧，那么其与空气混合充分，燃烧完全、洁净、无烟，而且其燃烧热利用率也必然提高，比传统的柴草直接燃烧提高2-3倍。

生物质气化装置以柴草、枝条、秸秆、废木料、锯木屑等为气化物料，经过气化反应产生可燃煤气，从而达到以柴制气，以气代柴的目的。由于气化设备投资低廉，气化物料可从农林废弃物中就地取材，燃料成本所占比例甚微.使得气化成本更为低廉。

3.生物质气化技术的特性及装置

固体物料的热化学分解、气化是其燃烧的特殊形式。物料的完全燃烧是在空气充足的条件下实现的，它的最终产物是CO2和H20。在空气不足的情况下，物料也会燃烧，但这种燃烧属于不完全燃烧，它的燃烧产物是CO、H2和挥发物中的重分子CnHm。对完全燃烧来说，它们是中间产物，而这些产物都是可燃气体。

参加燃烧的空气比例，即“空燃比”,当达到一个适当值时，如空气量只有完全燃烧时的1/4，此时的中间产物CO等，将接近最大值，于是这一中间产物便有了适用价值，成为可燃气体，也叫煤气。这部分空气在气化反应室的局部物料中可发生完全燃烧，生成气化反应所需的热量，也叫反应热，成为反应的热源或动力源。这一局部热起动了燃烧层周围燃料

的活化性，出现了吸热夺氧的“还原反应”。还原阶段的完善直接影响能量流—气化显热和气化潜热的比例，最终体现在煤气可燃成份C0, H2, CH4,, CnHm，的含量上。因此，控制煤气质量意味着控制反应过程产生最小的显热和最大的潜热—可燃煤气成分，得到“两高两低”即可燃气成分含量高，煤气热值高和焦油含量低，水污汽含量低的优质煤气。

生物质气化过程两大关键技术是氧化和还原。氧化的份量太大就接近燃烧，显热成分过高，炉体过热，气化炉就变的像是燃烧炉；相反的情况是空气太少。氧化的份量太小，反应温度过低，只冒油烟和水汽，气化装置类似炭化炉，破碎筛分。还原的条件(温度)不够，达不到气化条件，两者都不能产气。

4.生物质气化煤气的应用

生物质气化煤气按其利用时的状态可分为冷煤气和热煤气两种。煤气自气化炉输出后直接燃烧热利用的称为热煤气。煤气的温度出炉后可保持在200-300℃，此时煤气中的焦油和水污呈汽态,随可燃气进入燃烧室燃烧。高分子焦油汽和水汽在煤气燃烧过程中受热裂解和分解，成为可燃分子参与燃烧。因此，热煤气化解了焦油和水污汽的危害，对于加气块前景。也提高了煤气的热值。

在实际生产、生活中，用户对煤气的要求是多方面的，如煤气能储存、能管道输送、提供家用炊事用气、驱动柴油机发电等。此时煤气必然以冷态出现，于是大量焦油和水污汽因冷却而淅出，堵塞管道，阀门卡死，设备污染，以至无法使用。为得到可用冷煤气，不得不将热煤气冷却、清滤，淅出焦油、水污。生物质物料中，挥发物的成份占75-80%，因此，在清滤过程中将有大量油污排出，久而久之，对环境将形成二次污染。目前能够被成功利用的只有热煤气，如我国已批量生产的木材气化烘干系统，气化燃烧供暖和大棚供热气化炉及小型户用热煤气直接燃烧气化炉灶，已发展为成熟技术并投放市场。

生物质气化技术在我国的市场潜力是巨大的，其用途主要有以下几个方面：

1)烘干：木材、烟草、茶叶、橡胶、粮食、食用菌、中药材、果蔬脱水；

2)供热、供暖：种植大棚、暖房、养殖保温、居民采暖；

3)供气：集体炊事、热水、有条件地区村镇居民供气；

4)高温热源：陶瓷、制砖、窑炉等烧制业。

5.国内外生物质气化研发概况

5.1国内情况在生物质气化方面，近年来国内科研单位加大了研究力度，也取得了明显进展。中国科学院广州能源研究所在循环流化床气化发电方而取得了一系列进展，己经建设并运行了多套气化发电系统；西安交通大学着重于生物质超临界催化气化制氢方而的基础研究；中国林业科学院林产化学工业研究所在生物质流态化气化技术、内循环锥形流化床富氧气化技术方而取得了成果；天津大学着重于生物质流化床快速热解--催化蒸汽重整制氢及催化气化技术的开发研究，目前正在进行生物质流化床高效气化供气系统的开发；中国科技大学进行了生物质等离子体气化，生物质气化合成等技术的研究；清华大学进行了生物质流化床的热解气化及气化过程的混合神经网络模型研究；郑州大学开发了下吸式固定床气化技术；郑州省科学院能源研究所开发了低焦油二步法气化技术；浙江大学对双流化床气化技术进行了研究，并开发示范了中热值气化供气与发电装置；华中科技大学进行了流化床的气化研究；东南大学提出了串联流化床零排放制氢技术路线；同济大学进行了生物质固定床气化过程的研究；此外，哈尔滨工业大学、上海交通大学、中国科学院山西煤炭化学研究所、江汉大学、华南理工大学、太原理工大学、河南省科学院能源研究所等单位也取得了一些特色性的研究进展。

5.2国外情况国外生物质气化主要应用于以下领域：①生物质气化发电；②牛物质燃气区域供热；③水泥厂供气与发电联产；④生物质气化合成甲醇或二甲醚；⑤生物质气化合成氨。

国外生物质气化装置一般规模较大，设计原料通常是林业废弃物，自动化程度高，工艺较复杂，以发电和供热为主。经过调查欧美国家和地区的气化炉制造厂家，发现50家制造商提供的商用气化设备的设计炉型比例为：75%为下吸式固定床气化炉型，20%为流化床系统，2.5%为上吸式固定床气化炉型，2.5%为其他类型的气化炉型。如加拿大摩尔公司设计和发展的固定床湿式上行式气化装置、加拿大通用燃料气化装置有限公司设计制造的流化床气化装置、美国标准固体燃料公司设计制造的炭化气化煤气发生系统、德国菌贝尔特能源公司设计制造的下吸式气化炉--内燃机发电机组系统等，其气化效率为60%--70%。目前，在生物质气化研发上取得领先优势的国家有美国、意大利、德国、日木、荷兰、法国、瑞典等。最近，美国西肯塔基大学研究者开发了一种新型的生物质空气气化生产高热值低焦油燃气技术，在流化床上能够生成约3.0m3/kg的可燃气体，热值为5MJ/m3，气体中H2,CO ,CH4、的体积分数分别达到9.27%、9.25%、4.21%，焦油含量<10 mg/m3，系统的碳转化率和气化效率分别在87.1%和56.9%以上。美国国家可再生能源实验室进行了煤-生物质流化床高压联合气化的研究，获得了满意的结果。

6.需解决的问题和建议目前生物质气化需解决的主要问题有：燃气中焦油含量偏高，后续燃气净化工艺需大量的水，带来严重的废水污染；气化效率偏低，产率偏低，燃气中可燃气体浓度低；生物质直接气化、高压超临界气化虽然可获得高的可燃气体浓度，但是技术路线复杂，对于资源分散的生物质不易实现工业化生产；气化系统运行的稳定性差，燃气品质不易控制；气化工艺对原料种类、颗粒尺寸的适应性差；整个气化过程中净能量获得率不理想，能量利用途径单一，生产能力低，规模小，气化残渣没有得到利用，单位热量燃气成木较高。生物质气化技术的开发需要综合考虑上述各种因素，以期获得满意的气化效率和可燃气体组分浓度，同时焦油含量低、过程净能量获得率高，以满足集中供气、气化发电、供热、合成转化为高品质气体等多种应用需求。

考虑到生物质原料的分散性，不易收集，建议发展中小规模的生物质高效气化系统，努力降低焦油含量，为广大农村提供清洁能源，改善农村生态环境。考虑到生物质原料的季节波动性，建议气化技术应该适应多种原料，特别是劣质原料。考虑到现阶段农村的经济水平和农民承受能力，建议优先发展生物质气化集中供气系统，在北方地区，同时考虑气化集中供暖。对于生物质资源比较丰富、相对集中且电力比较紧张地区，建议优先发展供气与发电联产模式。对于经济发达农村，可考虑发展生物质气化集中供气与生物质燃气空调联合模式。对于各种气化利用模式，都应该考虑气化残渣的高效综合利用，如制取生态肥料。

[ 本帖最后由 zealyouth2002 于 2008-4-4 19:21 编辑 ]

项目名称	户用生物质气化炉灶
发展阶段
融资金额	300万人民币
所属领域
市场分析	目前行业同类产品因性能不稳定，厂商心态是浮燥的，急功求利，又没有一种可行的市场服务模式，结果事与愿违，虽拼命攻占市场，但也只是攻进去后又退出来，形成一种拉锯式的市场局面；因此，很难用平均年增长率来描述目前的状态。本项目历经九年潜心研制攻关，解决了同类产品使用中出现的种种问题（一使用、一比较就清楚了）；加上多年的市场调查、分析，设计策划出一种适合本产品的商业服务市场模式，这些就是本项目的优势所在。
产品与服务	（二）项目创新内容及其成熟性 1、技术创新：创新点一：生物质气化的稳定技术对于户用生物质气化炉而言，气化反应的连续稳定性是至关重要的，影响气化反应的因素错综复杂，实际运行中，气化反应总是向不稳定方向发展，最常见的，不好控制的现象就是随时会出现局部过烧，出现穿孔、空洞、架桥、氧化层、还原层位置上移等不良现象，并迅速破坏气化稳定条件。我们抓住这些主要矛盾，采取了一系列的技术措施和方法来阻止减缓这种不稳定因素的发展。[例如：我们创新设计出的自动引火器和双锥旋风胆相配合，不但解决了用人工引火带来的诸多麻烦，而且从根本上控制了因引火温度不均和供风（氧）不均（这是所有户用气化炉气化反应不能稳定的祸根）带来的局部过烧、空洞、穿孔现象，使氧化层、还原层物料受热温度分布均匀、消耗均匀、原料能自然缓慢下落，保持氧化层、还原层、干馏裂解层和干燥层的位置基本不上移，控制了架桥现象的出现]我们将采取的这些技术措施和办法称之为气化反应的稳定技术。创新点二：有效生物质炭层的自备技术气化反应不能连续稳定表现在用气时随时出现脱火、熄火的现象，其中影响因素最大的一个原因就是因为有效生物质炭层不能很好的自然形成，不能给还原层具备好的炭层条件，人们认为：对于上吸式生物质气化固定床而言，生物质炭是自然形成的，忽略了有效生物炭层的重要性。什么是生物质炭层呢？直观形象点说就是植物原料在高温缺氧的条件下经干馏裂解后所留存下来的固定碳，我们称生物质炭层，经多年的实践证实：对户用生物质气化炉而言，该炭层厚度>100mm，且厚薄均匀时，气化反应才能稳定持久，我们将这样的生物质炭层称有效生物质炭层；而有效生物质炭层的自然形成是需要条件的，它除了必须具备我们上述的基本技术条件外，还必须对炉体的保温性，炉胆材质的热熔量及炉胆内锥面的平整光滑度等指标有一定的要求，否则，生物质炭层不是厚度达不到要求，就是厚薄不均，这样的生物质炭层不能给还原层一个好的气化反应条件。同理，我们采取了一系列的技术措施和创新结构来满足这些条件的形成，保证有效生物质炭层的自然形成，我们称之为有效生物质炭层的自备技术。这一点其实也是气化反应稳定的重要条件之一。创新点三：生物质燃气的使用技术（也称低质燃气的使用技术）户用生物质气化炉所产燃气热值在3800-4500KJ/m2间、气压小、焦油含量高，这种燃气我们称之为低质燃气，它直接供给燃气灶使用会出现灶头火焰温度低、无抗风力、焦烟味浓、薰锅严重等不良现象，特别是燃气阀、放空阀使用不到15天就会被焦油粘死；由于焦油产生的负面影响太多、要净化它付出的经济成本又太高，这个矛盾已是直接制约着户用生物质气化炉灶发展生存的关键或拦路虎；说的再明白点：就是要求在不增加经济成本的前提下，如何消除木焦油造成的各种负面影响，根据我们多年的实践经验，我们采取以下措施和办法来消除和减轻木樵油等所产生的负面影响：（1）对上吸式固定气化床而言，燃气在通过原料层时已有一部分木樵油被过滤掉、燃气在经过隐蔽式气液分离室时，又有一部分水蒸汽和木焦油、醋酸液被冷凝分离下来并混同燃气一同流入自动排污卸压装置后自动排放到室外地坑内的溢流盆（瓶）中，因自动排污卸压装置下部的排污管插在溢流盆（瓶）40mm左右深的水中，≤150pa的燃气压力无法穿过40mm深的水封，而分离下来的冷凝水、木焦油和醋酸混合液会自动流入溢流盆（瓶）中，由于木焦油比重大（在1.02-1.16间）沉在溢流盆（瓶）的底部，而冷凝水和醋酸液量满后会自动流出溢流盆（瓶）到地坑中，经过撒在地坑中的石灰层，渗入到地层内，不会对土质和水质产生污染，而沉留在溢流盆（瓶）中的木焦油（每年不到15kg，量少无利用价值），定时集中焚烧一次即可，也不会造成环境污染。（2）混合燃气中还夹带着一部分木焦油不能分离下来，且热值又低（只在3800-4500KJ/nm3间），我们称这种燃气为低质燃气，如直接供给燃气灶使用，会出现灶头火焰温度低（750℃左右），薰锅严重，焦烟味浓，燃气阀和放空阀使用不到15天就会被木焦油粘死等不良现象。我们仔细分析薰锅严重和焦烟味浓都是因为焦油没能得到充分燃烧所产生的，而木焦油要充分燃烧必须具备两个基本条件：第一是燃烧时间，第二是燃烧温度，也就是说只要提高灶头的燃烧温度和延长木焦油在灶头内的燃烧时间，薰锅严重和焦烟味浓的现象是可以控制的；根据这一思路和原理，经过反应的试验，我们创新设计出的燃烧灶头与燃气组合阀相配合，使燃气组合阀在供给燃烧灶头燃气的同时还可以配送适量的风（氧气）以助燃气的完全燃烧，而且进入燃烧灶头内的燃气和空气是逆向旋转的，即增加了燃气和空气的混合，又延长了燃气在燃烧室内的燃烧时间，这样就形成了一个良性燃烧环境；燃气由于配风合理，能得到充分燃烧，灶头火焰温度就会升高，火焰温度升高后又有利木焦油的充分燃烧，木焦油充分燃烧后不但能增加热量，也能提升温度，经过这种的措施后，灶头火焰温度可达900℃以上，火焰呼吸有声，消除了薰锅和焦烟味浓度的不良现象。（3）前面已多次提到焦油除了产生环境污染和危害外，生物质燃气中的焦油还会在短期内（15天左右）将燃气阀粘死，使其失去作用。由于生物质燃气热值低、气压小、焦油含量高，（现有的煤气灶，液化气灶或天然气灶无沦怎样改装都是不能适用这种燃气使用的）几乎所有能在90度范围内旋转开启的阀门或气阀都不能在这种生物质燃气中长期使用，这个难题解决不好，将大大的降低生物质燃气灶的实用性或使用效果，给用户带来诸多的麻烦。通过具体分析焦油特性和所有能在90度范围内开启阀门的结构特点，我们知道：能在90度范围内开启的阀门分旋塞阀和球阀两大类，主要靠面接触密封、密封接触面比较大，而焦油在半干时为油膏状、粘度极大、摩擦阻力很大，它在渗入到旋塞阀或球阀的密封面时，虽说可以起到更好的密封效果，但同时也增大了旋塞阀和球阀开启的难度，特别是焦油干枯后，旋塞阀或球阀就根本转不动了，针对这种情况，根据线密封和密宫密封的技术原理，经过反复的试验，我们创新设计出一种燃气组合阀，这种阀门能在90度范围内自由开启，保证燃气和配风同时供给并达到最佳效果，经二年多的使用，未发现被焦油粘死的现象。综上所述，我们将采取的这一系列的技术措施统称为低质燃气的使用技术。 2、结构创新：生物质气化反应是否能稳定持久，生物质燃气（或称低质燃气）使用效果的好坏，植物气化炉、灶性能的优劣，操作是否简单、方便、实用，这些硬指标除了与上述创新技术密切相关外，也与炉、灶整体结构的设计是否科学合理等因素紧密相连。我们知道：生物质气化反应的基本原理与煤的气化反应的基本原理是相同的，但是参与气化反应的原料是大不相同的，它们的物化性能是有很大差别的。也就是说，沿用原有的煤气发生炉和煤气灶的设计标准或规范来设计生物质气化炉、灶是不合适的；但目前对各种生物质的物化性能及其指标，以及它们气化反应的规律性等还没有很深入的研究，技术上还不是很成熟完善，特别是针对户用生物质气化炉灶的设计更是缺乏相关的规定和标准；因此，如何设计出能满足上述创新技术所需要的气化床结构和燃气灶具结构就显的尤为重要，根据我们从八年多反复的试验中所总结得出的创新技术理念，科学而合理的对户用气化炉、灶整体结构进行了如下大胆的创新设计： (1)、生物质气化炉结构整体创新[见结构简图（A）] 我们将自动引火器(8)与双锥旋风胆(5)相匹配和隐蔽式气道(2)和隐蔽式气液分离室(3)及自动止烟(9)等创新结构组合成新的气化炉整体结构。经过这样组合的气化炉能延缓或消除局部过烧、空洞、穿孔和架桥等现象的产生，保证连续产气稳定在900min以上，冷启动产气时间＜4min，热启动产气时间＜30s，能自动引火，消除人工引火带来的诸多问题和麻烦，停炉时能自动阻止炉内烟气返出来污染环境，这些功能是目前国内同类产品达不到的。 (2)、高温灶头与燃气组合阀结构创新前面已提示：户用生物质气化炉所产生燃气热值低（3800-4500KJ/nm3间），气压小于150Pa，且焦油含量高，如直接供给燃气灶使用会出现灶头火焰温度低（750℃左右）薰锅严重，焦烟味浓，燃气阀使用不到15天就会被焦油粘死等不良现象，针对具体情况，根据我们多年总结得出的“低质燃气的使用技术”原理而设计出的高温灶头[13]结构与燃气组合阀[17]结构相配合，收到了理想的效果，使灶头火焰温度达到900℃以上，消除了薰锅严重和焦烟味浓的不良现象。同时，燃气组合阀[17]能在这种高焦油含量的低质燃气中长期（500天左右）使用而不被焦油粘死。另外，燃气组合阀[17]在供给高温灶头[13]燃气的同时能配送适量的风（氧气）以助灶头内的低质燃气充分燃烧。还起到了用一个组合阀替代一个燃气阀和一个配风阀的功能，不但简化了操作，方便了使用，而且降低了成本，这在全国是独一无二的。 (3)、生物质燃气灶结构整体创新[见结构简图（B）] 前面提示过：户用生物质气化炉灶的研究还不深入，技术上还不是很成熟或完善。其中反映比较明显的一点就是气化炉上的放空阀与灶具上的燃气阀是分开的，风机开关也与灶具架是分开的，特别是当气化炉与燃气灶相距较远时，操作就更不方便了。我们将高温灶头[13]、燃气组合阀[17]、放空阀[18]与自动排污阀卸压装置[19]等创新结构巧妙合理的聚集在灶具架上，同时将自动引火器[8]的延时开关[14]、超温自动保护开关[15]及风机开关[16]也合理的聚集在灶壳上，组成一个全新的生物质燃气灶整体结构，使操作更简单、更方便、使用更安全、更卫生，这也是目前全国唯一和独有的。由于有了技术上的创新和在生物质气化炉灶结构上的合理的整体（全面）的创新，才能将户用生物质气化炉灶的使用效果提升到一个新的水平。
未来规划	一、项目于2007年4月经湖北省科技厅组织华中科技大学、华中农业大学、武汉冶金材料研究院、省农村能源办、荆州市知识产权局等有关专家对实物样品现场演示测评，一致认为该产品与全国同类产品比较：操作简单、效果好、实用性强、综合技术水平居全国领先地位。并颁发《湖北省重大科技成果证书》、鄂科鉴字[（2007）]第号科学技术成果鉴定证书。二、2008年5月28日，国家知识产权局正是颁发发明专利证书（专利号为ZL.9）三、2008年9月，科技部将该项目纳入第二批创新基金资助项目（立项号为：08C）
团队介绍	人数：1人核心团队人员简介李锡斌：公司法人，也是产品的设计发明人，工程师，毕业武汉化工学院化工机械专业。 78年攻克了六级往复压缩机（320kg压力）无油润滑的难题，在“化工情报”上发表过有关无油润滑的论文。 79年调市化学工业局技术科负责设备管理工作，在全系统14家化工企业创建了“无泄漏工厂”和“清洁文明工厂”，多次受化工部表扬。被化工部聘为中南四省设备大检查的特邀代表。 90年调市津奉制药厂任付厂长，分管生产和新产品开发。开发的“维尔净”新产品与新加坡科文公司合资，任总经理。产品获卫生部和新加坡卫准字文号，并受到国家主席杨尚昆的亲眯。 95年下海与人合资建厂生产“自启荧光灯”产品，因技术不成熟失败。 99年开始接触生物质气化技术，并执着的研制开发该产品至今，完成的第七代产品经湖北省科学技术厅组织有关专家现场对实物样品使用效果测评，一至认为与全国同类产品比较：操作简单、效果好，综合技术水平居领先地位。获鄂科鉴字[2007]第号科学技术成果鉴定证书，颁发《湖北省重大科学技术成果证书》（登记号：EK）。 2008年5月28号经国家实质审查后授于发明专利（专利号：ZL.9）。同年，科技部将该项目列为2008年第二批创新基金资助项目（立项号：08C）颜学俭：高级工程师，毕业于华东理工大学化学工程专业。长期从事煤气化工程技术工作，担任过市煤气总公司副总工程师职务，在煤气化技术和生物质气化技术方面有深厚的理论基础和丰富的实践经验。2004年因看准该项目的发展前景，主动加入研发团队，是系列产品开发的主力军。李斌：华工科技大学“煤燃烧国家重点实验室”博士研究生。主要负责对该项目从技术上、理论上进行更深入的实验研究（公司与该实验室陈汉平博导有技术合作协议）。杨远平：经济师，毕业于中南财大经济管理专业。曾任津奉公司市场策化部经理和销售部经理多年，有丰富的市场营销能力和策化能力，同时具有深入实际调查的工作作风。同样因看准该产品的市场前景，主动进入本公司，成为核心队员。

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