1、2009年3月 农机化研究 第3期 生物质热解利用系统的实验研究 王志伟，何晓峰，赵宝珠，白 炜，朱金陵，雷廷宙 (河南省科学院能源研究所有限公司河南省生物质能源重点实验室，郑州450008) 摘要：根据产气量为20m h的热解炉，以玉米秸秆颗粒为生物质原料，对额定功率为1OkW的燃气发电系统 及其相关的焦油裂解装置进行了研究，得出玉米秸秆颗粒在热解温度为470左右时，燃气的热值最高，以煅烧 的白云石和镍基催化剂组成的焦油裂解装置，在催化裂解温度为850时，可达97以上的焦油裂解率。结合 对热解气副产物生物质炭的分析，得出了生物质热解利用系统的产出能量大概分布，为生物质能源的高效综合 利用提供
2、一定的参考。 关键词：生物质；热解；发电；焦油 中图分类号：TK6 文献标识码：A 文章编号：1003188X(2009)03-015004 0 引言 生物质能是唯一可以运输的可再生能源，在能源 利用中占有重要的地位。预计到21世纪中叶，采用 新技术生产的生物质替代燃料将占全球总能耗的 40以上 。我国生物质资源中每年可作燃料利用 的农作物秸秆和林木废弃物折合约35亿t标准煤， 加上能源作物、工农业有机废料等，我国生物质资源 约55亿t标准煤 。生物质能的高效综合利用是能 源利用和发展的重要方向。生物质中的农作物秸秆 和林木废弃物等热解能够产生热值较高的生物质燃 气，可用于多种动力设备的发电
3、或炊事等，同时产 生具有较高利用价值的生物质炭。本文结合生物质 热解炉、焦油裂解装置、燃气发电机等设备，分析了以 玉米秸秆颗粒为原料的生物质热解利用系统，以探索 农林废弃物的资源化、能源化综合利用途径。 1 实验装置 11 热解及利用系统主要装置 111生物质热解炉 本实验所利用的主要生物质转化装置是自行设 计的产气量为20m h的生物质连续热解炉。通过螺 旋进料器将生物质压缩颗粒、小木块、木屑等原料送 进热解炉，根据不同生物质的热解特性提供不同的热 解温度，以产生生物质燃气和生物质炭等。热启动时 利用天然气供热解所需热量，热解气稳定产出后切换 收稿日期：20080425 作者简介：王志伟(1
4、980一)，男，河南平顶山人，助理研究员，硕士 (Email)bioenergy66163com。 利用生物质燃气。该装置实现自动化控制，运行稳 定。该设备主要由加热器、热解炉体、螺旋进料器、热 解气管道、排炭口等组成。 112生物质焦油裂解装置 自行设计的焦油催化裂解反应器采用固定床式， 内径为60mm，外径为200mm，高为1 400mm，上段装 煅烧的白云石，占固定床容积的40，下段装镍基催 化剂，占固定床容积的60。镍基催化剂具有很好的 催化裂解焦油特性 j。煅烧的白云石相比镍基催化 剂较便宜，在镍基催化剂的上游，装填煅烧的白云石 能够有效地减少镍基催化剂的积碳。裂解器前后有 取气孔，
5、中部是加热器。生物质焦油裂解装置，如图1 所示 热解炉 裂解冉i取气 热器 裂解后取 t 煅烧的n云石 气枉 图1 生物质焦油裂解装置简图 Fig1 Schematic diagram of biomass tar cracking equipment 113生物质燃气发电机 该生物质燃气发电机是额定功率为lOkW的内燃 式燃气发电机，可满足热值在3MJm 以上的生物质 -150 2009年3月 农机化研究 第3期 气的发电，发电效率可以在18以上。该设备主要由 发动机、发电机、蓄电池、冷凝循环水箱等组成。本发 电系统的电力不外输，因此配备的负载装置由可以调 节功率大小的电热取暖器6台(额定功
6、率15kW)，灯 泡20只(01 kW10只，006 kW10只)。 12分析仪器装置 121气相色谱分析仪 生物质热解气的产物采用2台GC一9800气相色 谱分析。一台色谱采用TDX一01分离柱，氦气为载 气，TCD检测器，分离H ，O ，N2，C0，CH ，CO2等气体 组分；另一台色谱采用PQ分离柱，氮气为载气，FID 检测器，分离CH ，C：H ，C：H 及c气体组分。 122全自动元素分析仪 生物质颗粒及其颗粒炭的元素分析采用EA3000 元素分析仪。该设备利用封闭式燃烧系统，使样品在 其中完全燃烧，燃烧的产物被氦气送人色谱填充柱中 得到分离，利用TCD检测器检测的燃烧产物的浓度，
7、从而计算样品中的C，N，H，S，O元素的含量。 123全自动工业分析仪 生物质颗粒及其颗粒炭的工业分析采用5E全自 动工业分析仪。基于热重分析方法，将远红外加热设 备与称量电子天平相结合，在特定的气体条件下、规 定的温度和时间内对受热过程中的样品进行称重，计 算出试样的水分、灰分、挥发份等指标。 124快速量热仪 生物质颗粒及其颗粒炭的热值采用5E快速量热 仪。该设备利用恒温式外筒，氧弹置于内筒水中，将 样品置于密闭的氧弹中，在充分氧气的条件下燃烧， 根据燃烧后内筒中水温的上升等测出样品的弹筒热 值，结合元素分析数据计算出样品的低位热值。 125焦油含量测试装置 焦油测量装置主要包含湿式气体流
8、量计、取样 器、分析天平、干燥箱等。将干燥箱处理好的玻璃滤 膜和聚乙烯薄膜装入取样器，结合湿式气体流量计进 行焦油的捕集，利用分析天平进行称重和比较。计算 公式为 ： 1 0一， (1) T ) 式中G，一取样前玻璃滤膜和聚乙烯薄膜的质量(g)； G 一取样后玻璃滤膜和聚乙烯薄膜的质量(g)； 一换算至标准状态下的取样体积(L)； c一焦油的浓度(gm )。 2结果分析 21原料物性分析 热解原料为玉米秸秆颗粒(直径为8mm)，玉米秸 秆采自郑州市郊区，用全自动元素分析仪、工业分析 仪及快速量热仪分析得出物性，如表l所示。 表l 玉米秸秆颗粒的物性分析 Tab1 Pmpeies and uhi
9、mate analysis data of corn straw kemel 22 热解气净化及焦油裂解 热解气中含有的尘粒杂质及焦油，是其利用的重 要障碍，因此需要净化处理。热解气被罗茨风机抽出 热解炉后，先经过旋风分离器。旋风分离器上部为圆 筒形，下部为圆锥形。含尘气体由圆筒上部的进气管 沿切向进人旋风分离器。受器壁约束而旋转向下做 螺旋形运动，在惯性离心力的作用下，尘粒被甩向器 壁与气流分离，再沿壁面落至锥底的排灰口6 3。净化 后的燃气由顶部排气管排出，并且进入焦油催化裂解 系统。 焦油是生物质热解的产物，也是生物质燃气利用 的重要障碍。利用自行设计的焦油催化裂解固定床 反应器进行焦油
10、催化裂解，在取样流量为210 240L h，催化裂解温度恒定在850的条件下分析焦油的裂 解情况(基于此前做过的相关实验，在850左右焦油 裂解较大，温度升高裂解率增加不明显)。焦油的裂 解计算采取公式 ，即 = (2) 式中 焦油裂解率()； C1一裂解前焦油含量(gm。)； c 一裂解后焦油含量(gm )； 。一裂解前燃气流量(m h)； 一裂解后燃气流量(m h)。 利用焦油含量测试装置得出裂解前生物质焦油含 量为195gm ，裂解后生物质焦油含量为046gm 。 裂解前的燃气流量为2010m h，裂解后的燃气流量 为2009m h，焦油裂解率为976。 23裂解后气体成分分析 裂解后的
11、生物质燃气用2台GC一9800气相色谱 2009年3月 农机化研究 第3期 3b(J t 41【J 44U 4，0 bOO O3U bb【J 热解温度 一氢气 澎 氧气一氮气 一一氧化碳 一 二氧化碳 卜乙烯乙烷 碳三以上气体一气体低 位热值 图2 玉米秸秆颗粒的热解温度及其气体成分 Fig2 Pyrolysis temperature and gas products of corn straw kernel 由图2可以看出气体成分随热解温度的变化，热 解温度在470时，生物质热解燃气的热值最高。而在 380530。【=间，热解气低位热值均在12MJm 以上，最 高热值达到1752 MJm
12、，可以满足生物质燃气内燃机 发电。 24燃气内燃机发电 开启内燃机发电前，稳定热解温度在470左右， 运行1h使20m 的贮气柜充满，取气柜中少量气体测 得气体低位热值为1591MJm。燃气内燃机发电效 率计算式为 叼= 式中 一单位时间内燃气内燃机消耗的生物质燃气 (m s)； 叼一燃气内燃机发电效率()； 一生物质燃气的低位热值(MJm )； P 一单位时间内燃气内燃机的输出电功率 (kW)。 开启燃气发电机，运行稳定后其最大输出功率为 95kW，发电效率最高可达20。其中，气柜中消耗的 气体除开启和结束时外，其余18m 均达到了输出功率 95 kW和发电效率20，整个发电过程运行平稳。
13、25热解气副产物的分析 玉米秸秆颗粒经过热解炉后获得生物质燃气，同 时可以得到玉米秸秆颗粒炭。在热解温度为470“t2左 右时，每千克玉米秸秆颗粒经过热解炉后得到热值为 15MJm 以上的生物质燃气069m ，同时产出玉米秸 秆颗粒炭0159kg。玉米秸秆颗粒炭的物性分析如表 3所示。玉米秸秆热解前后的变化，如图3所示。秸 秆颗粒形状基本不变，尺寸有所缩小。 表3玉米秸秆颗粒炭的物性分析 Tab3 Properties and ultimate analysis data of corn straw kernel charcoal 图3 玉米秸秆颗粒热解前后 Fig3 Form of com
14、straw kernel before and“after pyrolysis 玉米秸秆颗粒热解利用系统的能量分布可由图4 所示，产生了生物质燃气，约占输入的玉米秸秆颗粒能 量的65，同时产生的玉米秸秆颗粒炭约占输入能量 的20，整个能量转化损失约占输入能量的15。 玉米秸秆颗粒炭等生物质炭可用于制药、食品、轻 工、医药、冶金、化工等领域，也逐渐用于环保、净水、空 气分离、生物工程、高能电极材料、高效催化剂载体等 152 m O 2009年3月 农机化研究 第3期 领域 。随着热解技术和生物质炭转化技术的逐步成 熟，其具有越来越广的利用前景。 - 热解损失 生物质燃气 f牛 j， 、 厂 r
15、图4生物质热解利用系统能量分布简图 F 4 Schematic diagram of energy distribution about biomass pyrolysis 3结论 1)产气量为20m h的热解炉中，玉米秸秆颗粒 在热解温度为470C左右时，燃气的热值最高，达到 l752 MJm 。在热解温度为380530C，热解气低 位热值均在1285MJm 以上，完全可以满足生物质 燃气内燃机发电。例如，10kW的燃气发电机以热值 为l591 MJm 的生物质燃气为燃料，运行稳定后最 大输出功率可达95kW，发电效率可达20。该发电 系统可为农林废弃物等生物质能的利用提供比较合 理的途径。
16、 2)以40的煅烧白云石和60的镍基催化剂组 成的焦油裂解装置，在催化裂解温度为850水平段 时，可达97以上的焦油裂解率。煅烧的白云石能有 效地减少镍基催化剂的积碳，为焦油在镍基催化剂中 的进一步裂解提供有益条件。 3)除去约占15的转化能量损失，玉米秸秆颗粒 热解利用系统可产出约占能量65的燃气和约占能量 20的颗粒炭。燃气可用于发电，颗粒炭可用于工农 业生产或空气净化环保等。 参考文献： 1 中国农业部美国能源部项目专家组中国生物质能转换 技术发展评价M北京：中国环境科学出版社，1988：1 2 2 中华人民共和国国家发展和改革委员会可再生能源中 长期发展规划EBOL20070904w-
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19、g，Zhao Baozhu，Bai Wei，Zhu Jinling，Lei Tingzhou (Energy Research Institute Co，LtdKey biomass Energy Lab of Henan Province，Henan Academy of Sciences，Zheng zhou 450008，China) Abstract：In the paper，according to pyrolysis oven with 20m h biomass gas production rate，corn straw kernel is taken as biomass f
20、eedstockbiomass gas generation system with 1 0kW nominal power output and it tar cracking equipment are studiedThe resuh shows that the heat value of biomass gas can be maximum at about 470Conversion of tar catalytic cracking is more than 97at 850C with equipment made of calcined dolomite and Ni base catalystCombined with a- nalysis of byproduct biomass char of pyrolysis gas，energy general distribution about biomass pyrolysis utilization system is educed，some references may be provided for high efficiency and comprehensive utilization of biomass Key words：biomass；pyrolysis；generation；tar 153
