煤炭行业地下气化实验中心|河北省高等学校教学示范中心

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【专题报告】可再生能源协同资源化利用系统

发布时间：2021年02月25日

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可再生能源协同资源化利用系统

Renewable Energy Collaborative Resource-Based Treatment System

太阳能-生物质-垃圾

可再生能源，是指自然界中的、能够重复利用、循环再生的能源，如太阳能、生物质能、风能、水能、地热能等。生物质能主要有农、林生产及加工废物、工业废水和生活垃圾等。本文为叙述方便，属于生物质能的生活垃圾单列；文中的生物质指农、林生产及加工废物，主要成分为木质素、纤维素和半纤维素等。“可再生能源协同资源系统”主要包括生物质热解、生活垃圾热解熔融以及太阳能光-热利用等技术。

生物质热解转化技术的热效率高，环境污染少，受季节与温度的影响小，可以随时为建筑供热。生物质热解转化产生生物质无机灰渣，可以回田；热解产生的气体一部分作为垃圾焦熔融燃烧的辅助气，其余的热解气可直接作为民用燃气，或燃气锅炉产热供暖（制冷）。生物质热解转化采用“基于高温热管的生物质热解系统”，主要包括鼓泡热解床、生物焦流化燃烧床以及高温热管传热系统等。

生活垃圾处理系统采用垃圾热解熔融处理系统，该技术相比当前普遍的垃圾处理方式，如生物堆肥、填埋和直接焚烧，可降低二噁英和重金属的污染。当前美国、西欧以及日本等国家普遍运用热解熔融技术处理城市生活垃圾。熔融技术要求垃圾的低位热值到达6000～7000 KJ/Kg以上，而我国较发达城市的垃圾低位热值仅4000 KJ/Kg左右，农村的生活垃圾热值更低。本系统把生物质热解与垃圾熔融相结合，热解气作为垃圾熔融辅助燃气，解决了垃圾热解熔融过程中的关键技术问题。

太阳能作为可再生能源已得到广泛利用。当前，人类对太阳能的利用形式主要有光-电、光-热、光-化以及光-生物利用技术等。其中，太阳能的光-热利用技术是建筑物节能中的主要利用方式。本系统采用太阳能的光-热利用技术，主要包括太阳能集热器（循环介质为导热油）、低温相变熔融盐蓄热器以及辅助加热器等。

由生物质能、垃圾热解能以及太阳能组成的互补采暖系统，采用先进环保的处理技术，不仅可以改善农宅室内的热舒适性，而且，本系统可对农村生活垃圾进行清洁化消减，促进美丽乡村的建设。

一、研究平台与技术发展

本系统的技术开发依托华北科技学院煤气化实验中心进行。华北科技学院是隶属于国家应急管理部的直属高校。实验中心占地450平米，设有计算机模拟及控制室、模型实验室、高压气化实验室、气/液质分析室和化学分析室等5个实验室。实验中心现有仪器设备共计125台（套），总价值624.7万元。实验中心同时是煤炭行业煤炭地下气化工程技术研究中心以及河北省煤炭地下气化实践教学示范中心。

实验中心经过近8年的技术研发，解决了“可再生能源协同资源化利用”过程中的部分关键技术问题，为技术的工业化运用提供了技术和实践基础。

2011年：煤热解气化理论与实践（块煤热解气化模型试验煤热解反应动力学）

通过测定不同煤种、不同气化剂（空气、氧气、水蒸汽和二氧化碳）在添加不同催化剂前后的反应速度，建立反应动力学速度的数据处理方法，获得固体燃料热解转化本征反应动力学参数，再结合传递过程的速率得出宏观反应动力学参数，建立了固体燃料热解转化过程的数学模型。

2012年：生物质与煤共热解（热解气化计算机程序煤气与焦油的处理）

生物质的能量密度低，单独气化温度较低，气化时生成较多的焦油，不仅降低了生物质的利用效率，而且对气化过程的稳定运行造成不利影响；此外，生物质的供给受到季节的影响，使生物质单独气化的规模受到限制。煤的气化温度高，生物质与煤共气化通过提高气化温度，不仅可以提高生物质的气化效率，减少焦油的生成，而且可以解决生物质供给的季节性问题，为生物质的高效利用提供了一条新的技术途径。

2013年：外热回转式热解系统（多孔介质中污染物的迁移固体燃料的催化热解）

在工业回转窑炉的基础上，开发了基于高温烟气导热管的外热式回转热解系统，每小时可处理低质煤500kg，产出高热值煤气、焦油以及兰炭；热解系统所需的热源由自产煤气的燃烧供应（约需自产煤气量的50%）。外热回转式热解系统用于热解/气化生活垃圾，具有对垃圾形态的适应性宽、处理量大、热解气热值高等优点，同时，由于是隔绝空气热解，过程无二噁英产生。

2014年：鼓泡床冷态热解反应器（冷态热解过程的多相流动与系统设计）

开展了带内部构件的鼓泡床热解反应器的研究，该反应器没有颗粒循环换热，只是利用内部构件（高温金属热管）进行热的交换。主要研究的内容：（1）气固多相鼓泡床中固体颗粒混合过程中数学模型；包括：固体颗粒的翻转速率、固体颗粒进出尾涡的交换系数、固体颗粒的轴向扩散以及固体颗粒的径向扩散。（2）气-固多相鼓泡床中气体混合过程中数学模型；包括：气体的停留时间分布、气体的轴向扩散和气体的径向扩散。（3）气-固多相鼓泡床大型中间试验反应器中构件的优化设计，包括热管的排列方式、气体分布板的设计、用于气泡尺寸控制的挡板等构件的优化等。

2015年：高温金属热管的研制（低温相变蓄热盐的开发）

热管是一种高效传热元件，具有结构简单灵活、便于控制以及可以在极小的温降下以高传热率把热量传递相当的距离，且不需要外部附加动力。高温热管的传热工质为金属钠、钾、锂以及上述金属的合金，热管外壳为特种不锈钢；低质煤热解制取半焦的反应温度一般为580-650℃，属于中温热解。采用高温热管传热，反应物与热源介质不直接接触，提高了产出煤气的品质，扩大了煤气的用途。低质煤、生物质或垃圾热解产生的热解焦，一部分用于燃烧，通过热管把高温烟气中的热大通量的传递给热解系统，实现固体燃料的快速热解。实验中心已成功研制出了工作温度600℃的高温金属热管，900℃以上温度的热管继续研制中。

实验中心研制了相变温度为87℃的相变蓄热盐，为本系统热量的稳定供给提供了技术保障。相变蓄热是一种以相变储能材料为基础的高新储能技术，具有温度恒定和蓄热密度大的优点，是提高能源利用效率和保护环境的重要技术。

2016年：基于高温热管的鼓泡床热解试验（30kg/小时级低质煤热解小试系统）

基于高温热管的鼓泡床热解反应器，反应器内的固相分别为煤、催化剂以及生成的半焦；催化剂颗粒在反应器内循环。半焦从鼓泡床底部排出；热解系统所需热量来自电炉，通过高温金属热管进行热的高通量传递。由于采用循环煤气作为流化气体，产出的热解气热值高，并富含氢气。本系统也可用于生物质的热解。

2017年：沉降高温燃烧反应器（煤气中焦油的高温催化裂解）

低质煤热解产生的半焦（兰炭）、生物质热解焦以及垃圾焦，热值低反应活性差，进入沉降燃烧床进行燃烧，热解气作为辅助燃烧气。

煤气（或其他热解气）中含有大量的焦油。在基于低质煤热解（或生物质热解、垃圾热解）的小型分布式能源供应系统中，由于产出焦油总量小，回收焦油的过程中又需要水的洗涤，产生难于处理的含酚废水。采用高温催化裂解工艺，把热解气中的焦油催化裂解成小分子气体（一氧化碳、氢气及二氧化碳等），并放出热量，避免了含酚废水的产生，提高了热效率，同时，实现了热解气的净化。

2018年：循环流化床煤/生物质气化中试系统（垃圾熔融反应系统及热态试验）

循环流化床煤/生物质气化中试系统主要包括：固体进料计量控制器、水蒸汽发生器及水的精密计量、螺杆式空气压缩机、开工点火装置、提升管气化反应器（含沉降器）、气固旋风分离及过滤器、固体返料器以及煤气净化燃烧器等。中试系统气化生物质量约20公斤/小时。

采用双火层熔渣气化技术，设计了垃圾熔融反应系统，并开展了热态试验。测试不同类型的燃烧器在熔融不同物料时的稳定性、可靠性及实用性。

二、系统构成及技术特征

系统构成

“可再生能源协同资源化处理系统”主要包括生物质热解、生活垃圾热解熔融以及太阳能光-热利用等技术。生物质的热解反应器为“基于高温热管的鼓泡床催化反应器”，生物焦以及垃圾焦的燃烧都采用“沉降高温燃烧器”或“循环流化床反应器”，垃圾的热解采用“外热回转式热解炉”；系统的主要流程如附图1所示。

太阳能、生物质能和生活垃圾通过转化后，通过换热和蓄热系统，热能（热水）集中供应，可用于取暖，也可以通过制冷机组产生冷源。

生物质经过热解，转化为生物焦和混合焦油气。生物焦在沉降床中燃烧，一部分热能通过高温金属热管传递给热解炉，一部分热进入集热系统；烧尽后的草木灰作为肥料回田处理。混合焦油的热解气通过高温催化裂解装置除油净化，产出的中热值燃气一部分作为垃圾焦熔融燃烧的辅助气，一部分可作为民用（或工业）燃气，也可供燃气锅炉产热。

生活垃圾首先经过分选，再进入外热回转式热解炉热解，产生的混合焦油气与生物质热解气混合，一起进入后续净化装置，产出中热值燃气。热解气中携带的飞灰与垃圾焦一并送入高温熔融反应器燃烧处理，防止二噁英及重金属污染。熔融渣急冷后，可作为建筑或路基材料使用。熔融燃烧的高温烟气进入回转热解炉的烟气管，热量被回收用于垃圾热解。经过回转炉的烟气急冷至200℃以下后外排。

技术特征

农林废弃物等生物质，通过热解后产生中热值燃气，作为低热值垃圾熔融燃烧的助燃气。