基于下吸式固定床气化炉的生物质能冷热电三联供系统特性研究

发布时间：2020-07-13 17:56

【摘要】：高效利用可再生能源是应对当今能源危机和环境危机的重要手段之一,基于生物质的冷热电三联供系统不仅以生物质能这种绿色能源作为系统的一次能源,而且运用联供技术提高系统的综合能效,充分结合了两大技术手段的优势,具有重要的研究价值。由于该系统涉及多个重要子系统,因此本文将对各个子系统分别进行讨论后再对整个系统的特性进行研究。首先,利用下吸式固定床气化炉进行气化实验,研究了生物质种类、当量比ER对气化反应的影响。结果表明红木压块中碳氢元素含量更高,其点火时间更长但是升温速度更快,合成气中一氧化碳、甲烷含量要高于木片,氢气含量则低于木片,但是反应温度和合成气热值更高。当量比ER对气化反应的影响较大,发现当ER=0.22时热值达到最大值为1453kcal/m~3;产气率从1.5m~3/kg-b增加到2.03m~3/kg-b,增幅达到33%;气化效率从51.40%增加到65.50%,略低于模拟值,但总体气化效率还是较高,而碳转化率一直高于96%。其次,建立了热力学平衡模型对生物质气化反应进行仿真研究。研究结果表明空气当量比ER对气化反应影响最大,随着ER的增加,反应温度逐渐上升,而合成气热值先增后减,当ER=0.24热值达到最大值1605kcal/m3。产气率跟ER呈明显正相关,气化效率与合成气热值、产气率均呈正相关,所以气化效率也存在最大值,当ER=0.30气化效率达到最大值为76.76%;含湿量M对气化反应影响较小,但当M过大时,会导致气化温度过低,此时对气化反应起抑制作用;通过加入污泥来改变生物质物料的组分,模拟发现污泥的加入会导致生物质物料中的碳氢元素下降,气化反应明显恶化,合成气热值、产气率和气化效率都大幅下滑,可以看出生物质组分对气化反应影响较大。然后,利用AVL-Boost软件对生物质气内燃机进行仿真研究,模拟结果表明生物质气内燃机的缸内最大压力为3.281MPa、燃烧最高温度为1780K均要低于天然气内燃机,导致其动力性能也较差;由于燃用的燃料不同,因此本文将BSFC转化为输出单位功时所需要的金额—C~*,结果表明虽然生物质气内燃机所需燃料的流量更大,但由于其制备成本更低,其C~*介于0.346-0.360元/kW·h,而天然气的C~*介于1.439-1.461元/kW·h,所以生物质气内燃机经济性更好;生物质气内燃机的尾气中NOx浓度极低不到100ppm,但是CO与碳氢化合物的浓度要比天然气的更高。实验结果显示,内燃机发电机的最大输出电功率为12kW,无法实现满负荷运行。并且生物质气内燃机的发电效率在各工况下也要低于天然气,最大电功率为27%,同时由于耗散功更大,导致其缸套水余热量较天然气也更大,而排烟温度则更低。最后,建立了一种新型基于生物质的冷热电联供系统,对该系统的全工况特性进行研究,其一次能源利用率和火用效率均要低于传统CCHP系统,最大一次能源利用率、火用效率分别为52.1%、18.6%;生物质型CCHP全工况下运行费用都要低于传统型CCHP,最大运行费用节约率能达到58.0%;生物质型CCHP具有非常明显的二氧化碳减排性能,全工况下运行,均能减少二氧化碳的排放,并随着负荷增加而增加,最大能达到50.5%。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK6
【图文】：

CO2排放量,增长趋势,全球

20 世纪 70 年代石油危机之后，人们逐渐将目光转用技术上。各国纷纷出台相应的激励政策刺激整个新能气革命、中国的光伏与核电等，与此同时可再生能源技持续下降，新能源环保事业高速发展。政府在推动新能源产业上不遗余力，但是中国目前所面常艰巨。图（1-1）是 BP 公司对全球 CO2排放的增长公司统计数据显示，2014 年中国的一次能源消耗达到了界能源消耗的 22.4%；并且预计在未来的 20 年内，化耗的 91.2%，CO2排放量将占全球排放总量的 30%[1]。繁出现的重雾霾天气[2]，均表明在过去粗放式发展过程垫脚石。因此在当今世界各国均面临能源与环境的双节能减排事业需要提升速度以应对更为严峻的挑战。根，要求到 2020 年非化石能源消费比重提高到 15%以上依赖两大技术手段，其一是引入可再生能源替代传统化的能源结构占比，其二是提高常规化石能源的利用效率

生物质,物料,年利,用量

图 1-2 各种生物质物料Figure.1-2 Biomass materials表 1-1 我国生物质能应用领域和发展目标[9]Tab.1-1 Application and development of biomass in china[9]年份发电总装机量/GW成型燃料年利用量/Mt沼气年利用量乙醇年利用量/t生物柴油年利用量/t2009 3.24 0.6 1.4×1010m31.65×1060.5×106

多联产,生物质气化,工艺路线

物质炭指的是生物质物料经过热解或者不完全燃烧所生成的产物，其富含植长必需的氮、磷、钾等营养元素，具备强吸附功能的孔隙结构，可作为化肥物使用[19]。Thawatchai[20]等用生物质炭制成活性炭，其具有较高的表面积和的羟基和羧基，拥有更强的吸附能力。陈温福、袁金华等[21]发现以秸秆炭料制成的炭基缓释肥料，有明显的增产和提高品质效果。焦油和活性有机物生物质合成气经水洗或者冷凝后得到的产物，文献[21]发现活性有机物的主分为酚类、酮类、有机酸和醛类，密度为 1～1.1g/cm3，pH 为 2～3。李维蛟22]研究发现活性有机物能促进种子生根发芽，并且具有抑菌、杀菌和驱避害能力。可以看出生物质气化发电只是利用了生物质能的一部分，需要将气化的产加以利用，才能实现效益的最大输出。中国工程院院士张齐生教授经过数十究提出了“基于生物质固定床气化的多联产技术”，如图（1-3）所示，该技别于一般的生物质冷热电联产技术，可以将主要产品可燃气和副产品生物质物质提取液分别加工开发成多种产品[23]，现在该技术已经在国内多个地方使用，具有重要的示范意义。

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