一種下吸式生物質氣化實驗方法及其專用實驗裝置，通過設置物料承載篦，將氣化爐內處于反應狀態的灰層、還原層、氧化層及干燥層進行物理分區，利用升降裝置將還原層與氧化層進行分離，對氧化層與還原層之間的氣體采樣進行氣體成分分析，對氣化爐內充氮氣使火焰急速熄滅，對還原層及氧化層內的生物質物料進行物料成分分析，該方法通過人為干涉，對氣化爐內產生氣體、尤其焦油的氧化還原層進行分層，進而直接在氣體根源處獲得原始氣體，從而在原始氣體的基礎上對氣體成分及熱值進行分析，通過該方法進行分析，可模擬自然狀態下的工況，獲得準確數據，為后續焦油及熱值損失的研究解決提供基礎。

技術領域

本發明涉及一種下吸式生物質氣化實驗方法及實驗裝置，屬于生物質燃料試驗領域。

背景技術

生物質是一種可以與環境協調發展的可再生能源，具有巨大的發展潛力，生物質氣化是清潔高效利用生物質能的有效途徑。生物質氣化是固體生物質在高溫條件下，與氣化劑(空氣等)反應得到小分子可燃氣體，主要包括干燥、熱解、氧化和還原四個反應過程。

下吸式氣化生物質裝置是在農村集中供氣及小型生物質發電中得到了廣泛應用的下吸式氣化設備，結構原理如圖所示，反應過程中，爐內的物料自上而下分為干燥層、熱解氧化層、還原層、灰層。

生物質原料連同氣化劑(空氣)進入氣化設備，在熱量的作用下，首先被干燥，析出生物質所含的水分，此區域為干燥區。

然后在溫度超過150℃左右開始發生熱解反應，在這個過程中，組成生物質的高分子碳氫化合物的鏈被打碎，析出生物質中的揮發分，留下木炭構成進一步反應的床層。在熱解過程中，揮發分與共同加入的助燃劑(空氣等)接觸并發生氧化反應，燃燒產生火焰，將固定碳和灰粒包圍，部分炙熱的碳也會在此區域燃燒，燃燒過程將產生大量的CO2并釋放熱量，為熱解和還原反應供應足夠的能量。由于熱解與氧化層相互交叉，界限不明顯，因此常將此兩層合并為熱解氧化層，此層的溫度范圍為150℃-1100℃。此區域主要的化學反應為：

CH_aO_bN_c→C+H₂O+CO+CO₂+焦油

C+O₂＝CO₂

2C+O₂＝2CO

還原層位于氧化層的下方，氧化層生成的水蒸氣、二氧化碳與此層中的碳反應，生成氫、一氧化碳和甲烷等可燃氣體，同時產生少量高分子量焦油。還原區的溫度范圍為1100℃-600℃。此區域主要的化學反應為：

C+CO₂＝2CO

C+H₂O＝CO+H₂

CO+H₂O＝CO₂+H₂

C+2H₂＝CH₄

設備最下層為灰層，該階段主要剩余物是灰渣和殘碳，氣化反應到此基本結束，惰性區具有粗濾作用，氣化產生的生物質燃氣經過此層過濾后直接通向凈化系統。此區間溫度范圍是600℃-500℃。

下吸式氣化設備為直筒型結構，爐頂敞口，空氣和生物質原料均從頂部進入，在爐內能夠均勻分布，該爐型在模擬、放大、制造和操作方面具有獨特的優勢，因此得到了廣泛應用。然而，由于其產生的可燃氣熱值較低，且其中焦油含量較高，容易堵塞管道和設備，影響了氣化技術的商業化應用。解決問題的關鍵在于掌握熱解氧化層和還原層內部一系列復雜的化學反應和物理過程的規律，獲取兩層內部的化學反應及反應物的成分，揭示氣化反應的本質和焦油的反應機理，從而能夠改進氣化爐結構，優化氣化工藝，降低焦油含量，提高氣化效率。而這些離不開對熱解氧化層和還原層的實驗方法和實驗裝置的研究和發展。