插图漆单 图2—1 生物质转化技术分类……．…．．．…………．．．．．．…．…．．4 图2-1 生物质气化原理………，．……．．。．……………．．．…．．9 图2—2 上吸式气化妒原璞蒸…………………。．，。．．。。…。……10 图2-3下吸式气化炉原理图…．．．．．……．……………．…．…．1l 图2—4 平吸式气化炉原理图…．．．……………．……．…．。．．．．．11 图2-5上吸式气化炉总体绪构示意图……………………．……168 图2-6过滤净化装置流稷圈……．．………．．………………++1 图2-7旋风式水淋器结构示意图………．．．……．．．．．…………18 图2—8 气水分离器结构示意图…………………，………．．．．．．19 强2-9旋风分离器结构承意强．…………．…………………．．20 图3一l 实验装覆示意筒图…………．……………．．．．………21 图3-2 热电偶分布示意图……………………………．．……22 图3—3 热解区温度与鼓风机转速的关系……………。．…………23 圈3-4-还原区深度与鼓风机转速豹关系………．：。……………．．23 图3-5氧化区温度与鼓风机转速的关系．…………．…．………．．23 图4-软件的组成体系结构…………．．．……………．．26 图4—2 ．0中的反应器模块…。

…………．．．…。…．．．。。。27 图5一l 生物质热裂解过程描述示意图………一……．……．…．．．32 图5-2纤维素的两步热分解反应…………．…．．……………．．33 图5—3 纤维紊热裂解反应原理……………．…．…．．…………33 蒌争唾 图5-5环境2500C时热解气体各组份的百分含量……………．．．．．．．35 图5-6环境250|0C时热解气体的质量…．…………………．……35 图5-7环境250。C时热解气体的体积………………。…。．…．…．35 蚕5-8环境350。C眩热解气体各组徐的酉分含量…………………．36 图5-9环境3500C时热解气体的质量…．……．．．…．．．．．．…．．．．．．．36 图5—10环境3500C时热解气体的体积．…………………．…．．…．36 图5—1l环境450。e时热解气体各组份翡秀分含量．…。…．。…．…．．。，．36 圈5～12环境450。C时热解气体的质量．……………………．……36 图5—13环境450oC时热解气体的体积……．．．……．．．．．……．．．．．．37 图 14 环境5500c时热解气体各组份的百分含量……．．．．．．．。

……．．37 圈 lS 环笺5508C时熬鳃气俸的质量…．．．…．．。．…。．。．．……．…．37 图 16 环境550oC时热解气体的体积…．．．…．．．…．．．．．．．．…．．．．．．37 图 l7 表面温度l900c时热解气体各组份的百分含量．…．．．．．．．．…．．．38 图5一18表蘑温度190。C时热解气钵的痪薰．………，，．．．．．．．…．…．．38 图5一19表面温度1900C时热解气体的体积……．．．．…．．．．．．．．…．．．．38 图5—20表面温度2100C时热解气体各组份的百分含遵．．．．．．．．．…．…．．38 图5-2l表面温度210。C时热解气体的质量…。．．．．．．…．………。。。。．38 霞5—22表面温度2lO。c时热群气体的体积……………．．。………．39 图5-23表面温度2300c时热解气体各组份的百分含最．…．………一．．39 图5-24表面温度2300C时热解气体的质量………………．……．．．39 图5-25表面漏浚2300C时热解气体的体积。…。．。……。。。。．………．39 图5-26表面温度2508C时热解气体各组份的百分含蹙……………．．．40 图5-27表面温度250oC时热解气体的质最．．．．．．………．．．………．40 图5-28表面温度2500C时热解气体的体积………………………．40 图5-29燕解气镩质量|夔物糕表面温度变化曲线图………………．，．40 图5—30几种可能的碳燃烧机理．．．．…………………．………．．4l 图5—31燃烧碳粒附近C0，CO。

和0：的浓度假想．………………。…．．42 图5—32二氧化碳囱碳球的扩散…．．，………………．…．……。．42 匿5—33实验铡得的在燃烧惹的碳辩近的co。、cO嗣0。浓度．i……．。。．．．．42 图5-34碳燃烧过程示意图．．．．．………．…………．．．．………．43 图 35 氧化区气体成份随时间变化示意图………．…．………．．．．44 嚣 36 氧化嚣气落质量睫辩阔变化示意隧………………．．…。。．．45 图 37 还原区气体组份随时闻变化示意图…………．．．．………．．47 ‘图 38 还原区参与反应的固体碳质量随时间变化示意图…．……．．…48表格清单 表3一l 玉米秸爵的工监分析……．．。………．．．… ．．．．．．………l3 表3—2 生物质燃气的体积含量表．．．………．……， ．．．．．．．．．．．．．．．14 表3—3 玉米秸秆的主要化学成份…………．．．．…． ……．．……．14 表5一l CO。和C0的标准焓…………………．…．。……………+34 表5—2 还原区气体和常见生物质燃气成份对比．．…… …………．，．48独创性声明本人声糖所呈交麴学位论文避奉入在导师指导卜进行躲研宄工作及取缮豹研究戏果。

撂 魏衢弼，除了丈中特另#抽噬标注瓢毁瀚封建方静，论文中零龟舍萁绝^已经发艘袋撰写过嚣 研究成果，墩车鼠舍为获得佥盥=￡些盍兰 或其他靼百机构盼学位或{芷书而使用过的 材料。与我一间工作的同志对奉研究所做的任伺贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 …一鹕：廨蓐辩蹶碾f目所学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解．禽熙王、业盔差有关保留、馈用学位论文的规定，有权保留并 舟国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阈。本人授权—金墨 出l盍堂可醇垮学位论文的全部或癣分离客编入有关数猫库进雩亍检荤，可鞋果弼髟邵、缩 印或拇攒等薨嚣l手段保存、幂编学位论文。(保密的举位论文在解密厨迸用奉授权书) …蝴娩础姊…名：歹彩磋 签宇品龋；o∞乓5月／歹筐签字目期：孔，口舌年g月／，日 学位谚文搏糟毕业后去向： 【作苹链：毫馕 通讯地址：自日编致谢本论文是在导筛左承基教授瀚悉心指导和言传身教下完成的，其中渗 透着左老师的心血和期盼。在科研上，导师严谨的治学惫度、渊博的学识、 开阔敏锐的科学思维和大胆创新的科学精神锼戏受盏匪浅。在生活上，导 簿氇关t箨螽至，其乐瘸大凄彝平鬓逶久戆生滔态度，令学童终生难忘。

值 此论文宪成之际，再次感谢左老师的栽培，并致以最崇高的敬意。在论文及相关试验完成的过稷中，得到了许多老师和同学的帮助，在 此感谢悠们。感谢孙攀老耀、骚勤老烬、刘一嚷老爆、谈建老师、徐天玉 老筛、钱盱蓟老螽，感谢缝稍对我的关心和支持：感谢瀚窗好友蔼建群、 韩清、杨瑜、陈利明，感谢他们的帮助。最后取暖气化炉原理图，我还要感谢我的父母二十几年来对我的哺育和教养，没有他们 这么多年寒戆支藏，我无法取缮今天戆或绩。作者：姚炜2006年6曩第一牵 绪论 1．1课题背景能源是人类社会存在和发展的物质蘩础。过去的两百多年里，建立在煤炭、 石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推进了人类社会的进步和发 震。然丽现代绞济已经过麈依赖于化石燃料。以2001年为例，根据统计“’，世 界煞源静总消耗量戳石油换算为91．2480亿稚，奠中石油占38．5％，煤炭占24．7 ％，天然气占23．7％，这榉化石燃料的消费燕占了总量的86．9％，此外，核能 占6。6％，葵{篷形式的能漂占6．5％。这耱对纯石然辩静过凌依赖带来了环境润 题、经济危捉、现代战争、镁主秘领海争端等一系蒯赘严耋闫怒。从能源的发展耱最来惹，化石燃料鲍兹景不容聚观。

掇星麓勘测瓣霹采容 量“3，煤的可馊用年限为220年，天然气60年，瑟石浊只骞40年。尽管她震 学家和经济学家对化石燃料开始髓乏的时间仍有争论，但无论如俺，化石燃料 终将耗尽确是无可争辩的事实。寻找一种可再生的替代能源已经成为社会普遍关注的焦点。可再生能源包 括太阳能、风力、水力、生物质能、波浪能、潮汐能等等。生物质能作为唯一 可储存和运输的可再生能源，具有广阔的发展前景，生物质能技术的研究和开 发已经成为世界重大热门课题之一，并受到各国政府和科学家的关注。2l毽毵中国的可持续发麓面临着能源的严峻挑战：国内优质能源资源不 是，环境问题帮能源安全豳益追韵，溢室气体排放的压力目趋增大等。改变我 嗣传统熬能源生产、灌费模式，利用生物质能等清洁可再生能源，对建立可持 续发展载能源系绕，鼹进我晷经济发展霸环境保护箕有十分重大弱现实稻战礴 意义。 1．2生物质能简介 1．2．1生物质能的来源及概况生物质跫指通过光合作用而形成的各种有机体，包括地球上所有的动植物 帮微生物。生物质能楚太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，以生 物痿为载体的能量，它直接或闻搂来源予绿色植物的光合作用。在各种可褥生 镱源中，生物震能极其独特，它储存游是太阳能，是睢一可再生的碳源，在其 生长过理中吸收大气中的e0：，梅戏了生物震中磺的循环。

嚣估计l”缝球上每年 撼物光台{乍翅匿定的碳达到遗，含链璧达3×10”焦耳，每年通过光 合作用储存在植物枝、羹、叶中的太阳能相当于全世界年能耗的10倍。生物质 遍布世界各地，蕴藏量极大，仅地球上的植物每年生产量就相当于霸前人类消 耗矿物能的20倍，或相当于世羿现有人口食渤能萱的160倍。生物质能自古以来就是人类赖以生存的髓源，在人类社会历雯鹩发藤谶程 中始终发挥誊极其重要觞作用。人类鲁发魏火开始，虢懿生物质翡形式来糕籍 太阳能傲饭私取暖。帮便是今天，{釜界土薪桨的主要用途依然愚在发震中戮家 供农辩建区炊事耪取瑗。在世器熊耗中“1，圭l兰浆艨愁约占lS％，在不发达地区占80％以上。在少数 国家，生物联能媳比重逆更奄。在遐泊尔，总能量的95％以上来源予生物质能 源，马拉维愚94％，肯尼亚是?5％，印度是50％，中国是33％。全世界约25 亿人的生活熊源的90％以上是生物质能。在能源的转换过程中，生物质是～种 理想的燃料。生物质能的优点是燃烧容易，污染少，灰份较低，具有很强的再 生能力；缺点是热值及热效率低，体积大且不易运输，直接燃烧生物质的热效 率仅为10％～30％。目前世界各国正逐步采用热化学转换法、生物化学转换法、 机械成型、转换为电力等方法利用生物质能。

l，2。2生携凄能资源生物矮熊灼浚源主爱包括以下几方薅：(1)森抟能源森林能源是森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，主要是薪材，也 包括森林工业的～些残留物等。森林能源在我国农村能源中占有踅要地位。1980 年前后全国农村消费森林能源lXl08吨标准煤，占农村能源总消费爨的30％以 上，而在丘陵、山区、林区农村生活用能的50％以上依靠森林能源“j。(2)农作衔秸秆农作物稽秆式农韭生产的耐产品，也楚我国农村的传统燃料。秸秆资源与 农业稀檀监的生产关系十分密讶。裰据1995年的统计数据计算“1，我国农作耪 稽秆年产量为6．04×108缱，其中造糙还圈及浚集损失绮占15％，瓣余5．13×108 穗。这些裁余靛农俸秘秸秆豫了、{乍隽销料、王监源料之羚，其余大都分都侔为 农户炊事、取暖用料。逸兹全嚣农树髂为照澡熬秸蟹漕费量约弗2．遵， 毽大多数还处予低效剥盟，及煮接在柴灶上燃烧，其转换效率仅为10％～20％ 左右。近年来，在较为接近囊熬能源黝农树地区域富裕豹农村地区强品能源已 经取代农{乍物秸秆成为主要的炊事用能，这致使废弃于地头姻蚓直接燃烧的菇 秆量逐年增大。许多地区废弃桔秆量已占总秸秆蹩的60％以上，既危害环境， 又浪费资源。

因此，加快秸秆的优质转化利用势在必行。(3)禽畜粪便禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。除在畜牧区有少量赢接燃烧外，禽 畜粪缓主要是{乍为滔气熬发戆暴餐。孛蓉静主要禽畜是鸡、猪酾孛，蔽摇这些 禽畜晶种、体重、粪便排澈量等因素可以估簿出粪便资源量。掇据计算”3，目 前我国禽畜粪便资源总量约8．5X108吨(相当于7840多万吨标准煤)。(4)生活垃圾城镇生活垃圾主要魁国蘑民生活垃圾、商渡和服务业垃圾、少量建筑垃圾 等废雾貔援凌藏夔滢合镶，或爨逡较复杂，獒稳或主要受潼民生活承平、辘滚 维鞫、城市建设、绿纯谢襁以及季节变化影锏。随餐城市规模的扩大和城市化进程的加遮，中国城镇垃圾的产生量和堆积810 量逐年增加。1991年和1995年，全国工业网体废物产生量分别为5．88X 吨和6．吨，同期城镇生活垃圾量每年以10％左右的速度递增。1995年 中国城市垃圾港总数达640痤，垃圾涛运鬣l。吨“1。(5)麓潺植物能源植物种类较多，例如制糖作物、水生植物、油料植物锑。如将制糖作 物转化成乙醇将可成为一种撤富潜力的生物能。制糖作物最大的优点在于可直 接发酵变成乙醇。利用一魃水生藻类，主要包括海洋生的马尾滚、巨藻、海带 等，淡水生的布袋草、浮游-小球藻等承生檬妨转化成燃料，瞧是增搬能源供 应蕊方法之一。

量蓑晷内羚曩三在疆究零l矮瓣濂瓣捷澎主要有缘熏瓣、三时橡验 橱、自飘本、光皮树、漓橄榄等。总之，生物质资源不仅储量丰富，而且可以再生。据估计“3，作为植物生 物质的嫩主要成份一木质索襁纤维素每年以约1640×108吨的遮度不断再生， 魏懿毙爨换算，程当于露懿石漓年产量弱15～20蹙。强暴这部分麓量楚褥到爨 簿，入黉裁稳当予援有了一个取之不尽、周之不竭的资源宝露；两置，宙予生 物质采源予cO：，但不会增加大气中c0：的含凝，因此生物质与矿物质燃料相比 更为清洁，是未来世界理想的清洁能源。 1．3生物膝能利用技术入爨对生耱覆能静鞭惩已有憨久豹掰史，毽在漫长静时闻黧，总是以直接 燃烧的方式利用他的热量。赢到20世纪，特别是近一二十年，人们普遍提高了 能源和环保意识，对地球网有的化石燃料日黻减少有一种危机感，在可再生能 源方面寻求能源持续供给的今天，生物质利用新技术的研究与成用，才有了快 速的发鼹。缎观国内夕}已有鲶生物质能利用技术，大体上如图卜1麝示H’。图1—1生物质能利用技术分类 1．3．1直接燃烧技术直接燃烧大致可分炉灶燃烧、锅炉燃烧、垃圾焚烧和固型燃料燃烧四釉情 黼。炉灶燃烧是最原始的利用方法，一般适厢于农村或山区分散独立的家庭用 户，它的投资凝省，但效率最低，燃烧效率在15％～20％左右。

锅炉燃烧采用 了现代化的锅炉技术，适用于大规模利用生物质，它的优点是效率高，并且可 实现工业化生产；主要缺点是投资毫。瑟虽不适予分数浆夺撬模剽髑，生魏震 必须相对集中才能采用本技术。垃圾焚烧也是采用锅炉擞术处理垃圾，但由于 垃圾鑫位惩，瘸蚀黢强，黪臣它耍求投未更麓，投资更大，跌缝量翻髑受发， 它必须规模较大才比较合理。固型燃料燃烧鼹把生物质固化成型后苒采用传统 豹燃烧设备燃鞠，主要优点是繇采用瀚煞力设备遗传统静定鳌产品，不必经过 特殊的设计或处理；主要缺点是运行成本高，所以它比较适合企业对原有设备 邋行技术改造时，在不重复授资的前穗下，以生物质代替煤，以达到节能的目 的，或应用于对污染要求比较严格的场所，般饭鹰烧烤等。 1．3．2物化转换技术物化转换技术包捶三方面，一是于馁技术；二是气化制生甥蜃燃气；三是 热解制油。干馏技术主要目的是生产生物质炭和燃气，它可以把能量密度低的 生携矮转纯为熟篷较离熬炭或气，炭蟊濑气霹分鬟孺子不蘑瘸途。傥点是设备 简单，可以生产炭和多种化工产品，缺点魑刹用率较低，而且通用性较小，一 般只邋用于木质生物质的特殊利用。生物聪热解气化是把生物质转化为可燃气 的技术取暖气化炉原理图，根据技术路线的不同，可以是低热傻气，也可以是中热值气。

它的主 要优点怒生物质转化为可燃气后，利用效攀较襄，两虽用途广泛，如可眉作生 活爨气，瞧司‘臻予麓锅炉藏矗接发电。主癸缺点是秀绞复杂，瑟虽交予生残熬 燃气不馁于储存和运输，必须有专门鳃薅户戚配套的利用设施。热解稍油是通 过热化学方法把生物质转化为液体燃料的技术，它的主要优点是可以把生物质 制成油晶燃料，作为石油产品替代品，用途和附加值大大提简，主要缺点是技 术复杂，目前的成本依然太高。 1．3。3擞豫转换技术生化转换技术主要怒以厌氧消化和特种酶技术为主。沼气发酵是有机物质 (为碳水化合物、脂肪、滋白质等)在一定溉度、湿度、酸碱威和厌氧条件下， 经过沼气群菌发酵(消化)生成沼气、消化液鞍消化污泥(沉滚)。这个过程就 列{薮溜气发酵或厌氧瀵纯。它奄捂小型弱农辩湛气技寒露大羹豹厌氧楚理污承 静工穗。它的主要优点怒鼹供酌能源形式为沼气