生物质固体燃料高效气化技术的研究

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  [摘 要]些年以来,与固态燃料有关的环保以及节能技术正在获得全方位的改进。面对新的形势,生物质的固体燃料受到了更多关注。从热转化的角度讲,针对生物质进行热转化的关键措施就在于高效气化,通过运用气化生物质的措施和手段来改善固态燃料的基本性能。因此可以得知,相比于传统燃料,生物质的新型燃料具备更显著的环保性优势,同时也有助于节省更多的燃烧燃料。针对生物质的固态燃料而言,应当探究高效气化的基本技术特征;结合高效气化运用于生物固态燃料的现状,探求可行的技术改进措施。
  [关键词]生物质固体燃料;高效气化;具体技术
  中图分类号:TK6 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)33-0138-02
  引言
  从基本原理来讲,对于生物质燃料进行的气化技术指的是首先进行燃料的加热,在氧气缺乏的状态下燃烧固态燃料,从而把有机的生物质化合物转变成可燃性的一氧化碳、氢气与烃类等物质。因此可以得知,在挤压固化的基础上,生物质就能迅速实现转变,将其转化成含硫量与灰分总量相对较低的固态生物质颗粒。目前的状况下,很多地区都蕴含了优质的生物质资源,如果要制作固态燃料那么可以就地实现燃料的取材与处理[1]。如果能够致力于推进规模化的固态燃料气化技术,就能从源头入手改造整个的燃料结构,从而推进了可持续的技术进步与发展。
  一、高效气化技术的基本特征
  (一)基本的技术原理
  生物质的高效气化技术,指的是针对可燃性的生物质成分进行全面转化;在空气作用下,将其变成了可燃性的甲烷、氢气或者一氧化碳。从基本流程来讲,如果要实现全过程的热解气化,那么需要运用气化反应的相关技术。具体在操作时,高效气化装置应当配备灰烬层、氧化层与还原层、热分解层以及干燥层。
  在多种多样的气化原料中,生物质本身构成了其中很典型的一类原料。这是由于,生物质具有相对更低的硫分与灰分量,同时也体现为较高的挥发分。对于生物质如果能够运用热解气化的方式来实现气化处理,那么就能因地制宜确保燃烧实效性的全面提高。在现阶段的各类技术中,典型为液化技术、干馏技术与气化技术。因此可以得知,生物质运用于新时期的燃料燃烧有助于节省更多的无法再生能源,对于整体的燃烧效率也进行了全方位的提升。
  从现状来看,农牧地区的很多农户仍停留于炉灶燃烧的加热方式与取暖方式。在寒冷季节里,农户通常都会借助废弃物产生的燃烧余热来实现房屋取暖。然而实质上,上述燃烧方式具备相对较重的周边污染,同时也表现为较低的转化效率。为了改进现状,技术人员有必要运用多样化的生物能源,在此前提下將其转变成可供再生的新型优质能源。只有完成上述的技术处理,才能从源头入手缓和现阶段的燃料紧缺,针对农村能耗利用的现状也进行了全面改进。
  国内以及国外针对生物质气化整体上体现为集中供气与生物质发电等典型领域。但是实际上,上述系统仍然具有较大的规模,与之相应的系统设施也是相对复杂的。如果不慎操作,那么还可能耗费更高的成本,大型燃烧设施也容易遭受腐蚀或者堵塞管路。因此目前的状态下,农村各地亟待探求更适合自身的气化炉操作模式,以此来方便日常的设施维护,避免过高的操作成本。生物质资源表现为相对较广的分布,有助于就地取材并且降低了整体的回收价格。
  (二)高效气化装置的具体种类
  第一类为上吸式的气化装置。目前多数气化炉都设计为上吸式的固定床。在燃料燃烧时,可以从上部的气化设施中加入原材料。在空气或者其他助燃剂的作用下,燃料就可以被送入炉膛下部。经过气化操作与热解操作之后,各个炉膛反应层就可以逐渐逸出可燃性的气体。在上述的各个操作流程中,气化后的燃气将会分别到达干燥层与热解层,进而实现了气体过滤与气体降温等各个操作流程。在上部的气化设备中,经过干燥后的物料有利于减少灰分并且降低整个炉膛的温度,进而提高了各个流程的热效率。因此,上吸固定床的气化设施并不需要精确的设备尺寸,对于物料也可以允许较高的含水量。然而,经过气化处理获得的可燃气却很可能包含很多的焦油。如果不加凈化,则可能残留较多的焦油[2]。
  第二类为下吸式的气化装置。下吸式的固定床设备运用了如下的气化过程:在气化装置的上部,空气可以鼓入某些助燃剂;在上述状况下,下侧出口就能迅速排出某些可燃气体。因此相比来讲,下吸式气化炉更加便于进行操控,产物含有较低比例的焦油与较高的热值,同时也方便了进行相应的加料处理。具体在运行时,下吸式装置本身具有更好的可靠性以及稳定性。但是不应当忽视,此种类型的装置很可能遭受更大的燃烧阻力,与之相应的灰分与燃烧消耗也将会变得更多。在特殊情形下,燃烧所需的燃气温度还可能呈现偏低的状态。截至目前,下吸式气化炉通常可以实现住户供暖或者生物质供气。
  第三类为流态化的气化装置。流态化的气化装置,指的是从下部的流化床鼓入空气;在这之后,上部燃料将会与下部空气迅速产生特定的反应,进而溢出了较多的可燃气体。在装置出口的位置上,最好配置袋式或者旋风式的除尘器,对于流化速度进行了全面提升。同时,袋式除尘器还能确保迅速返回固态颗粒,让其重新进入后期的反应进程中。因此如果涉及到碳转化或者其他操作方式,那么通常需要借助上述的措施。在气化炉的内部,传热效果应当达到最佳的状态,以便于体现更高的燃烧效率与更合适的气化温度。在现阶段的居民区供暖以及生物发电中,通常都会用到上述的操作流程。
  二、 具体的技术运用
  (一) 固化与挤压成型
  挤压固化成型,指的是收集各种形状的分散生物质;在研磨处理与干燥处理的前提下,就可以借助固化设备来完成相应的成型操作与挤压处理,在此基础上构成了块状或者颗粒状的较大密度固态燃料。针对固态的生物质燃料来讲,固化成型构成了燃料燃烧的根本前提。如果能够有序实现固化成型,那么将会有助于完成后期的各项相关处理。同时,生物能源运用于燃料燃烧的关键也应当落实于固化成型与挤压技术。   从基本特征来讲,挤压固化成型应当具备如下的特性:适合用来完成固化成型的应当是较高密度的生物燃料。一般来讲,此种类型的燃料应当符合每立方厘米1.3克左右的密度,对于发热值应当控制于每千克17000千焦。在上述的生物质中,通常含有较少的杂质与较低的灰分含量。目前来看,针对挤压固化成型通常都会用到方块状、空心形状或者颗粒形状的燃料。从工艺特征来看,挤压成型应当包含高温碳化、热挤压成型与常温成型的关键性技术。
  例如:目前已有企业正在尝试运用热挤压技术作为固态物质的成型技术。这是由于,生物质燃料本身具有独特性,因此在燃烧时有必要关注燃料自身的成型压力、成型温度、含水量、模具形态、加工方式以及颗粒大小等要素。通常情况下,热挤压成型应当涉及到原料冷却、原料加热与原料干燥等各项关键措施,因此可以运用于系列化与规模化的燃料生产。
  (二) 高效气化所需的设备
  现阶段的高效气化设施应当包含螺旋挤压设备、压辊碾压设备以及冲压成型设备。具体来讲,螺杆成型机应当属于研发时间相对较早的一种设备,此类设备通常可以运用于挤压成型,对于不同类型的生物质予以相应的处理。在电元件的配合下,运用螺旋挤压的方式就能实现特定的加热处理,确保将其控制于300℃左右的成型温度,在此基础上即可软化其中的纤维素或者木质素,进而挤压成块状的物体。通常情况下,对于生物质原料有必要限制于12%以内的含水率,此项举措有助于防止原料开裂或者快速气化。
  除此以外,高效气化还可以借助活塞冲压机来加以完成,在这其中包含了机械驱动与液压驱动的两类典型冲压机。在机械的驱动下,机械活塞就能实现往复性的旋转,从而实现了上述的加热处理。因此可见,建立于机械驱动前提下的冲压成型不必再去加热生物质。具体的操作流程为:先要粉碎松散原料,然后借助水平式与垂直式的液压油缸来实现相应的预压处理。在成型套筒的配合下,对于各个时间段的成型温度都要予以全面的调节,从而构成了形状与强度适当的成型块物质。
  (三) 重要的原料成分
  对于生物质如果要进行固化与挤压处理,那么必须选择合适的生物质材料。挤压成型需要运用秸秆、木屑、稻壳或者锯末作为其中的原料。这是由于,上述物质都包含了三分之二或者更多的木质素、半纤维素或者纤维素。例如:木质素本身包含了50%或者更多的木材含量;一旦遇到110℃左右的高温,那么将会迅速实现软化处理。经过软化处理后,就可以进入塑化粘结的处理。再如:植物细胞壁都含有纤维素,因此应当符合特定的弹性与机械强度。
  三、 未来的技术演变
  (一)归纳得到结论
  在综合分析的前提下可以得知,生物质的固体燃料本身具备综合性的技术优势,对此如果要加以全方位的利用,关键应当落实于高效的燃料气化技术。在高原地带及其他特殊地区,有关人员还需要逐步归纳经验,在此前提下致力于研发配套性的气化炉及其他设施。具体在操作时,炉膛内的燃烧温度与风机转速之间具有不可分割的内在联系;同时,燃气成分也关系到风机的正常转速。在实现气化反应的同时,就可以归纳得出适合运用于气化工艺的流程与模式,具体来讲包含了如下要点:
  首先,从挤压固化的角度来讲,燃烧试验分别运用了小麦、油菜籽、玉米与大豆作为燃烧原料,针对生物质的气化炉应当予以全面的改进。具体在燃烧燃料时,应当为其配置加料与落料设备、二次供氧的设备、过滤焦油的设备及其他设备,对其进行全方位的设备优化。通过运用上述的技术手段,就能从源头上避免缺氧引发的不充分燃烧,因此有助于规模化的高原生物质燃烧。此外,上述技术措施也能为高原民众提供平日所需的环保燃料。
  其次,相比于海拔较低地区的气化炉而言,适合高原地区运用的生物质气化炉具备独特的技術特性,同时也符合了分散式的日常供热需要。这是由于,新型气化炉设有上吸式的设施,因此可以适用生物质的固态燃料。同时,高效气化炉有助于简化各项操作流程,消耗成本相对更低并且体现了更高的燃烧效率。在热转化的前提下,高效气化炉可以广泛适用于上述的高原地带,适应了新时期的农牧需求。
  第三,通过运用性能测试的措施,就能判断出高效气化工艺与气化产物之间的联系。经过测试可知,如果选择了上吸式的高效氣化炉,那么就能获得优质的可燃气。具体来讲,针对风机有必要将其控制于每分钟2500转以内的转速。如果有必要加快风机的旋转速度,那么与之相应的炉膛温度也将变得更高。为了实现全方位的优化调节,应当密切关注灶头温度与风机转速,最好将其限制于每分钟2000转或者更低的旋转速度,以便于维持平稳的旋转[3]。
  (二)未来的技术趋向
  在各种类型的利用方式中,热解气化应当构成其中的核心与关键。进入新时期后,更多行业已经接受了生物质的新型燃料,这是由于生物质燃料具备更好的节能性,同时也有助于节省更多的燃料能源[4]。从目前的现状来看,针对剩余的秸秆物质如果可以有序实现转化,就能将其变成可以再次燃烧的洁净能源,上述举措有助于高效运用多样化的燃料,进而在最大限度内节省了无法再生的化石燃料。很多地区都拥有多样化的物质资源,对此如果选择了就地焚烧的措施,那么不仅浪费了珍贵的生物能源同时也会破坏周边的环境。因此可知,未来较长的时间段内,生物质能源都应当构成运用频率较高的一类能源。近些年以来,各种类型的生物质能源都在获得全方位的推广运用,技术人员对此亟待突破瓶颈,推广运用新型的热解气化方式。
  高原地区具备特殊的地形以及气候状况,对此如果要推广新型的燃料气化技术,那么前提应当落实于稳定产出并且优化整体的燃烧条件。具体来讲,目前已有很多类型的农业原料都可以用来实现高效气化,其中的典型为草类与秸秆等。在燃烧过程中,针对固定床层应当能够维持稳定性,以便于实现平稳的气化。由此可见,技术人员针对生物质还需深入进行探究,进而全面了解气化特征,以便将其适用于规模较大的气化系统。目前的状况下,域外已有较多学者正在致力于探究热解气化的各种关键技术。然而从整体来讲,仍有很少学者致力于探究缺氧的高海拔地区气化技术,对此也欠缺必要的气化设施。未来在研究中,技术人员还需致力于全面掌握上述的基本技术特征,确保高效气化可以实现全方位的推广[5]。   此外,生物质本身具备较多的类型。对于种类繁多的生物质如果要优化利用,那么还需攻克其中的各项典型技术。从现状来看,农牧民整体上仍停留于相对较低的技术水准,因而很难全面接受新型的气化炉设施,与之相应的操作流程也体现得过于单一。热解气化技术应当全面运用于新形势下的高原民众日常生活以及各个行业生产,以此来突显高效气化的独特技术价值。
  结束语
  经过分析可知,建立于生物质基础上的燃料燃烧技术运用了高效气化的方式,此项举措在本质上符合了推广生物能源的宗旨与目标,有助于拓宽能源利用的范围。然而截至目前,生物质的固态燃料整体上仍体现为分散分布的特征,与之相应的燃料类型也是相对较多的。由此可见,如果要推广较大规模的高效气化技术,那么还需不断的摸索经验。未来在实践中,技术人员有必要因地制宜选择合适的技术手段,紧密结合当地的真实状况来实现燃料燃烧。同时,针对高效气化涉及到的各项设备及技术手段也要加以全方位的改进,优化现阶段的燃料燃烧条件。
  參考文献
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  [12] 霍丽丽,侯书林,田宜水等.生物质固体燃料成型机压辊磨损失效分析[J]. 农业工程学报,2012(07):102-106.
  注释
  [1] 赵培涛,葛仕福,张长飞等. 污泥及秸秆生物质固体燃料制备中试工艺及燃烧特性[J]. 农业工程学报,2012(09):165-170.
  [2] 何超,罗志云,宋光武等.天津市典型生物质固体燃料锅炉NO、CO排放研究[J].环境工程,2017(04):86-90.
  [3] 赵培涛,葛仕福,张长飞等.污泥及秸秆生物质固体燃料制备中试工艺及燃烧特性[J].农业工程学报,2012(09):165-170.
  [4] 王莹,张彩虹.关于在我国退耕还林地区发展生物质固体燃料产业的探索[J].北京林业大学学报(社会科学版),2012(04):52-55.
  [5] 王莹,张彩虹.关于在我国退耕还林地区发展生物质固体燃料产业的探索[J].北京林业大学学报(社会科学版),2012(04):52-55.
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