一种下吸式生物质气化实验方法及实验装置与流程

本发明涉及一种下吸式生物质气化实验方法及实验装置，属于生物质燃料试验领域。

背景技术：

生物质是一种可以与环境协调发展的可再生能源，具有巨大的发展潜力，生物质气化是清洁高效利用生物质能的有效途径。生物质气化是固体生物质在高温条件下，与气化剂(空气等)反应得到小分子可燃气体，主要包括干燥、热解、氧化和还原四个反应过程。

下吸式气化生物质装置是在农村集中供气及小型生物质发电中得到了广泛应用的下吸式气化设备，结构原理如图所示，反应过程中，炉内的物料自上而下分为干燥层、热解氧化层、还原层、灰层。

生物质原料连同气化剂(空气)进入气化设备，在热量的作用下，首先被干燥，析出生物质所含的水分，此区域为干燥区。

然后在温度超过150℃左右开始发生热解反应，在这个过程中，组成生物质的高分子碳氢化合物的链被打碎，析出生物质中的挥发分，留下木炭构成进一步反应的床层。在热解过程中，挥发分与共同加入的助燃剂(空气等)接触并发生氧化反应，燃烧产生火焰，将固定碳和灰粒包围，部分炙热的碳也会在此区域燃烧，燃烧过程将产生大量的co2并释放热量，为热解和还原反应供应足够的能量。由于热解与氧化层相互交叉，界限不明显，因此常将此两层合并为热解氧化层，此层的温度范围为150℃-1100℃。此区域主要的化学反应为：

chaobnc→c+h2o+co+co2+焦油

c+o2＝co2

2c+o2＝2co

还原层位于氧化层的下方，氧化层生成的水蒸气、二氧化碳与此层中的碳反应，生成氢、一氧化碳和甲烷等可燃气体，同时产生少量高分子量焦油。还原区的温度范围为1100℃-600℃。此区域主要的化学反应为：

c+co2＝2co

c+h2o＝co+h2

co+h2o＝co2+h2

c+2h2＝ch4

设备最下层为灰层，该阶段主要剩余物是灰渣和残碳，气化反应到此基本结束，惰性区具有粗滤作用，气化产生的生物质燃气经过此层过滤后直接通向净化系统。此区间温度范围是600℃-500℃。

下吸式气化设备为直筒型结构，炉顶敞口，空气和生物质原料均从顶部进入，在炉内能够均匀分布，该炉型在模拟、放大、制造和操作方面具有独特的优势，因此得到了广泛应用。然而，由于其产生的可燃气热值较低，且其中焦油含量较高，容易堵塞管道和设备，影响了气化技术的商业化应用。解决问题的关键在于掌握热解氧化层和还原层内部一系列复杂的化学反应和物理过程的规律，获取两层内部的化学反应及反应物的成分，揭示气化反应的本质和焦油的反应机理，从而能够改进气化炉结构，优化气化工艺，降低焦油含量，提高气化效率。而这些离不开对热解氧化层和还原层的实验方法和实验装置的研究和发展。

现有技术中存在对生物质燃料热值及气体成分进行试验的方法，例如中国专利cn108504391a，但该试验方法存在重要缺陷，原因在于：该技术方案通过简单的气体收集对生物质燃料产生的气体进行收集，然后进行分析，但没有考虑到气化炉内的复杂工况导致的气体成分变化，尤其是没有考虑到气体在生物质燃料之间进行流动时产生的过滤，使气体成分大部分被稀释或过滤，使实验数据不准确，无法从产生气体的根源获得原始气体，进而导致无法基于有效数据为解决焦油及热值损失问题奠定基础。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种下吸式生物质气化实验方法及实验装置，该方法通过人为干涉，对气化炉内产生气体、尤其焦油的氧化还原层进行分层，进而直接在气体根源处获得原始气体，从而在原始气体的基础上对气体成分及热值进行分析，通过该方法进行分析，可模拟自然状态下的工况，获得准确数据，为后续焦油及热值损失的研究解决提供基础。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种下吸式生物质气化实验方法，通过设置物料承载篦，将气化炉内处于反应状态的灰层、还原层、氧化层及干燥层进行物理分区，利用升降装置将还原层与氧化层进行分离，对氧化层与还原层之间的气体采样进行气体成分分析，对气化炉内充氮气使火焰急速熄灭，对还原层及氧化层内的生物质物料进行物料成分分析。

一种下吸式生物质气化实验方法，采用以下步骤：

a气化炉内具有多个可独立升降呈层叠状的物料承载篦，在多个物料承载篦上放置生物质物料，上层物料承载篦对下层物料承载篦上的物料进行挤压，使物料呈紧密状态；

b点燃底层物料承载篦上的生物质物料，通过观察窗观察，待最底层物料稳定燃烧后，启动引风机，火焰向上逐层燃烧，使多层物料承载篦上的生物质物料由下至上分别形成灰层、还原层、氧化层及干燥层；

c在反应过程中，及时调整各层之间的空隙，保证整个炉内空间成紧密状态，待反应稳定后，将承载灰层及还原层的物料承载篦下降或将承载氧化层及干燥层的物料承载篦上行，使承载还原层的物料承载篦与承载氧化层的物料承载篦分离；

d将气体采集装置伸入炉内的氧化层与还原层的空隙内，对还原层与氧化层之间的气体进行气体成分分析；

e对气化炉内充入氮气，使气化炉内的火焰急速熄灭，并将多层物料承载篦上行，取出承载还原层的物料承载篦与承载氧化层的物料承载篦，对还原层及氧化层内的生物质物料进行物料成分分析。

优选的，物料承载篦至少四组，优选十组物料承载篦，便于生物质物料通过充分燃烧分层。

优选的，将探头插入还原层与氧化层之间对气体成分进行分析。

优选的，气化炉上设置有气体取样孔，将还原层与氧化层之间的气体引出对气体成分进行分析，所述气体取样孔为至少两个，规则排列在气化炉炉壁上。

为实现上述实验方法，本发明还提供了了一种下吸式生物质气化实验方法专用实验装置，包括气化炉，其特征在于气化炉内设置有多个呈层叠状的物料承载篦，所述物料承载篦通过升降装置安装在气化炉内，所述物料承载篦通过升降装置在气化炉可独立进行升降运动，所述物料承载篦用于承载生物质物料；所述气化炉内还与氮气源连通。

优选的，所述物料承载篦侧端规则排列有至少两组滑座，所述气化炉内设置有滑轨，所述物料承载篦通过滑座与滑轨滑动安装在气化炉内。

优选的，物料承载篦至少四组，优选十组物料承载篦，便于生物质物料通过充分燃烧分层。

优选的，所述升降装置包括螺纹柱，所述螺纹柱上安装有螺纹座及与螺纹座对向连接的连接座，所述螺纹座与连接座之间通过伸缩连接件连接，所述连接座与物料承载篦固定连接，在升降状态下，螺纹座通过伸缩连接件向螺纹柱移动，并与螺纹柱上的螺纹配合，通过螺纹柱的旋转带动物料承载篦上行或下行。

优选的，所述伸缩连接件为气缸或伸缩弹簧，所述螺纹柱的端部连接有驱动电机。

优选的，所述升降装置为两组，规则排列在物料承载篦侧端。

优选的，所述气化炉的其中一个炉壁上设置有可透视区域；本技术方案有利于研究者观察燃烧状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过设置物料承载篦使物料进行人为分层，由于物料承载篦具有若干通孔，因此，上下层物料之间能够进行延续燃烧，进而模拟自然燃烧状态，在燃烧状态下，气化炉内承载篦上的物料形成自然状态下的灰层、还原层、氧化层及干燥层，由于焦油及可燃气的生成主要在氧化层与还原层，因此，从氧化还原层之间采集原始气体及反应中间状态的生物质作为样本进行分析，对于理解氧化还原过程，采取有效措施提高气体热值和降低焦油成分具有重要意义。由此，本发明设置物料承载篦可上下移动，通过还原层与氧化层的分离，为原始气体的收集分析创造条件，从而对原始气体进行收集及进行后续分析，分析范围包括但不限于一氧化碳、二氧化碳、焦油、氢气、碳氢化合物、水、水蒸气、压力、温度等，通过研究发现，对热值及气体的干扰还受到物料状态的影响，因此，本发明中的物料承载篦为氧化层及还原层中的物料进行取出创造有利条件，方便物料取出进行后续的分析，进而为问题的解决创造条件。

附图说明

为对本发明做进一步说明，下面列举附图及具体实施方式，本领域技术人员应当知晓，下述实施方式并不对本发明所提供的技术方案构成限制。

图1为本发明所提供装置结构示意图。

图2为本发明所提供装置纵剖面结构示意图。

图3为本发明所提供装置横向剖面结构示意图。

图4为本发明所提供装置气化炉横剖面结构示意图。

图5为本发明所提供装置物料承载篦结构示意图。

图6为本发明所提供装置螺纹座与连接座连接结构示意图。

图7为本发明所提供装置气化炉螺纹柱局部结构示意图。

图8为背景技术所述结构原理图。

具体实施方式

如图1-7所示，一种下吸式生物质气化实验方法，通过设置物料承载篦(2，3，4，5)，将气化炉1内处于反应状态的灰层21、还原层31、氧化层41及干燥层51进行物理分区，利用升降装置将还原层31与氧化层41进行分离，对氧化层41与还原层31之间的气体采样进行气体成分分析，对气化炉1内充氮气使火焰急速熄灭，对还原层31及氧化层41内的生物质物料进行物料成分分析。

一种下吸式生物质气化实验方法，采用以下步骤：

a气化炉1内具有多个可独立升降呈层叠状的物料承载篦(2，3，4，5)，在多个物料承载篦(2，3，4，5)上放置生物质物料，上层物料承载篦对下层物料承载篦上的物料进行挤压，使物料呈紧密状态；

b点燃底层物料承载篦5上的生物质物料51，通过观察窗(即可透视区域8)观察，待最底层物料稳定燃烧后，启动引风机，火焰向上逐层燃烧，使多层物料承载篦(2，3，4，5)上的生物质物料分别形成灰层21、还原层31、氧化层41及干燥层51；

c在反应过程中，及时调整各层之间的空隙，保证整个炉内空间成紧密状态，待反应稳定后，将承载灰层21及还原层31的物料承载篦(2，3)下降或将承载氧化层41及干燥层51的物料承载篦(4，5)上行，使承载还原层31的物料承载篦3与承载氧化层41的物料承载篦4分离；

d将气体采集装置伸入炉内的氧化层与还原层的空隙内，对还原层31与氧化层41之间的气体进行气体成分分析；

e对气化炉1内充入氮气，使气化炉1内的火焰急速熄灭，并将多层物料承载篦(2，3，4，5)上行，取出承载还原层31的物料承载篦3与承载氧化层41的物料承载篦4，对还原层31及氧化层41内的生物质物料进行物料成分分析。

优选的，物料承载篦至少四组，优选十组物料承载篦，便于生物质物料通过充分燃烧分层，在本实施方式中，为方便理解，物料承载篦(2，3，4，5)采用四组，分别对应灰层21、还原层31、氧化层41及干燥层51。

优选的，将探头(未图示)插入还原层31与氧化层41之间对气体成分进行分析。

优选的，气化炉1上设置有气体取样孔(未图示)，将还原层31与氧化层41之间的气体引出对气体成分进行分析，所述气体取样孔为至少两个，规则排列在气化炉1炉壁上。

为实现上述实验方法，本发明还提供了了一种下吸式生物质气化实验方法专用实验装置，包括气化炉1，气化炉1内设置有多个呈层叠状的物料承载篦(2，3，4，5)，所述物料承载篦(2，3，4，5)通过升降装置安装在气化炉1内，所述物料承载篦(2，3，4，5)通过升降装置在气化炉1可独立进行升降运动，所述物料承载篦(2，3，4，5)用于承载生物质物料；所述气化炉1内还与氮气源(未图示)连通。

优选的，物料承载篦(2，3，4，5)至少四组，优选十组物料承载篦，便于生物质物料通过充分燃烧分层。

优选的，所述物料承载篦(2，3，4，5)侧端规则排列有至少两组滑座6，所述气化炉1内设置有滑轨61，所述物料承载篦(2，3，4，5)通过滑座6与滑轨61滑动安装在气化炉1内。

优选的，所述升降装置包括螺纹柱7，所述螺纹柱7上安装有螺纹座71及与螺纹座71对向连接的连接座72，所述螺纹座71与连接座72之间通过伸缩连接件73连接，所述连接座72与物料承载篦(2，3，4，5)固定连接，在升降状态下，螺纹座71通过伸缩连接件73向螺纹柱7移动，并与螺纹柱7上的螺纹配合，通过螺纹柱7的旋转带动物料承载篦(2，3，4，5)上行或下行。

优选的，所述伸缩连接件73为气缸或伸缩弹簧，所述螺纹柱7的端部连接有驱动电机74。

优选的，所述升降装置为两组，规则排列在物料承载篦(2，3，4，5)侧端。

优选的，所述气化炉1的其中一个炉壁上设置有可透视区域8。

另，本实施方式中灰层21、还原层31、氧化层41及干燥层51中并未显示物料，但本领域技术人员应当知晓，灰层21、还原层31、氧化层41及干燥层51指对应的物料层。

显而易见，上述实施方式仅仅为本发明的示例性实施方式，本领域技术人员应当知晓，还可在上述实施方式的基础上延伸出其它实施方式，所以凡基于本发明所提供原理或结构上的改进均属于本发明的保护范围。