郭景宗臺灣大學：機械工程學研究所蔡尚貿Tsai, Shang-MauShang-MauTsai2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61594生質是一種重要永續能源，它的主要來源為廢竹木及收成後之農作物根莖與蓬蓱M水生植物等。使用生質當燃料來發電可減少地球溫室氣體的排放。然而生質能的運用應該從傳統低效率的直接產熱運用轉變成用來結合熱電共生的高效率運用。生質能的氣化過程是將固態燃料轉換成氣體燃料，再將氣體燃料用於可燃氣渦輪機或引擎等現代轉換裝置來產生電和熱。以下抽式氣化爐可製造出低焦油量與低粒子之乾淨產氣，非常適合小型之熱電共生系統來使用。因此，本研究以一小型下抽式氣化爐（高度750mm與直徑150mm）來探討操作條件對產氣狀況之影響研究。 氣化反應爐可於起爐後之九十分鐘內達到穩定狀態，且能夠連續輸出可燃氣體。由氣化反應爐中可發現生質之乾燥、熱解、燃燒與焦炭之氣化等各種不同反應區。氣化爐內之反應區分佈狀況不但會對產氣熱值與產氣率產生影響，同時也會影響焦油與粒子之生成量。而影響反應區分佈狀況之因素包括有：生質燃料種類、生質含水份、燃料供給率、燃燒溫度與輸配空氣量等之差異。 本氣化爐之最佳操作範圍已經由實驗找出。當燃料供給率之範圍為2.55至2.81 Kg/hr時，其最佳空燃比之範圍為2.79 至3.79之間；此時可輸出最佳之產氣熱值範圍為3.81至4.40 MJ/Nm3，且其產氣率範圍為8.8-12.4 Nm3/hr。實驗結果顯示產氣成份、熱值與產氣率皆會於燃料供給時降低而使得範圍變化太大。建議可藉由減少燃料進料量與縮短燃料供給間隔來改善產氣輸出並使變化幅度縮小。Biomass is an important renewable energy resource produced from trees, agriculture crops, and aquatic plants. Using biomass as fuel for power generation is carbon neutral and helps to lower the emission of global warming gases. However, the application of biomass should be shifted from its traditional low-efficiency applications for heating to high-efficiency applications for combined heat and power generation. The gasification process for biomass converts renewable substances to fuel gas that can be used in a modern conversion device, such as gas turbine or engine, for the production of electricity and heat. Downdraft stratified gasifier is suitable for small scale heat and power production due to the fact that its producer gas contains low tar and low particulates. Therefore, a laboratory scale downdraft gasifier with 750mm height and 150 mm diameter is used in this study to investigate the relations between quality of producer gas and operation conditions. Steady state condition is reached within ninety minutes after start-up, then the producer gas is generated continuously. Different reaction zones including heating and drying, pyrolysis, gasification, combustion and char reduction, can be identified inside the gasifier reactor. Distribution of reaction zones affects the heating value of producer gas and the rate of gas generation, as well as tar content and particulates. Factors influence the distribution of reaction zones including fuel type, fuel load, moisture content, combustion temperature and air staging. Optimum operation condition of the gasifier varies in the range of 2.79 to 3.79 Kg-air/Kg-fuel at the feeding rate between 2.55 and 2.81 Kg/hr. HHV of producer gas is 3.81-4.40 MJ/Nm3 at a volumetric flow rate of 8.8-12.4 Nm3/hr. The producer gas composition, heating value, and generation rates vary in a wide range more less in synchronization of the fuel feeding cycles. Improvement is suggested by shortening the feeding intervals with lower charge to even out the fluctuations in output.目錄 摘要………………………………………………………………………………….Ⅰ 英文摘要…………………………………………………………………………….Ⅱ 目錄………………………………………………………………………………….Ⅲ 表目錄……………………………………………………………………………….Ⅴ 圖目錄……………………………………………………………………………….Ⅵ 第一章 緒論……………………………………………………………………….1 1-1 前言……………………………………………………………………………1 1-2 研究動機………………………………………………………………….…...2 1-3 研究目的………………………………………………………………….…...3 1-4 文獻回顧……………………………………………………………………....3 第二章 氣化爐理論基礎…………………………………………………….……7 2-1 氣化爐基本原理..……………………………………………………………..7 2-1.1 乾燥與預熱過程………………………………………………………….…9 2-1.2 熱解過程…………………………………………………………………....10 2-1.3 燃燒過程…………………………………………………………………....11 2-1.4 氣化過程………………………………………………………………..…..12 第三章 氣化爐設備與實驗步驟...…………………………………………….....13 3-1 氣化爐本體及週邊設備…………………………………………………..…13 3-1.1 氣化爐本體……………………………………………………………..….14 3-1.2 進氣裝置……………………………………………………………..…….15 3-1.3 加熱裝置………………………………………………………………..….15 3-1.4 進料裝置…………………………………………………………………..15 3-1.5 排灰裝置…………………………………………………………….…….16 3-1.6 冷卻裝置…………………………………………………………….…….16 3-2 量測與分析設備………………………………………………………….…17 3-2.1 溫度量測系統 ……………………………………………………….…...17 3-2.2 重量量測設備………………………………………………………….….18 3-2.3 氣體採樣裝置 ……………………………………………………….…...18 3-2.4 氣體分析設備……………………………………………………….….…18 3-3 進料控制……………………………………………………………….……20 3-4 實驗步驟……………………………………………………………….……22 第四章 實驗結果與討論…………………………………………………….….23 4-1 實驗操作結果 ………………………………………………………….…..23 4-1.1 風量實驗之操作結果………………………………………………….…24 4-1.2 溫度實驗之操作結果………………………………………………….…26 4-1.3 生質水份實驗之操作結果………………………………………….……28 4-1.4 進氣位置實驗之操作結果………………………………………….……30 4-2 結果分析討論…………………………………………………………..…..31 4-2.1 風量實驗結果分析討論…………………………………………….……31 4-2.2 溫度實驗結果分析討論………………………………………….………35 4-2.3 生質水份實驗結果分析討論…………………………………….………37 4-2.4 進氣位置實驗結果分析討論…………………………………….………37 第五章 結論與建議………………………………………………………….….40 5-1 結論 …………………………………………………………….…………..40 5-2 建議 …………………………………………………………….…………..42 參考文獻……………………………………………………………….………….86 附錄A 實驗紀錄………………………………………………………………..88 表目錄 表2-1 上抽式(updraft)與下抽式(downdraft)氣化爐之優缺點比較……………8 表4-1 柳安木之物理與化學特性………………………………………………23 表4-2 流量實驗之綜合結果……………………………………………………26 表4-3 預熱空氣溫度實驗之綜合結果…………………………………………28 表4-4 生質水份實驗之綜合結果………………………………………………29 表4-5 進氣位置實驗之綜合結果………………………………………………31 表4-6 實驗一至實驗八之相關操作參數與結果………………………………39 表4-7 實驗一至實驗八之產氣成分濃度與熱值………………………………39 圖目錄 圖2-1 上抽式（updraft）氣化爐反應模式………………………………………44 圖2-2 下抽式（downdraft）氣化爐反應模式………………………….………..44 圖3-1 氣化爐及週邊設備說明…………………………………………….……..13 圖3-2 氣化爐及週邊設備全貌…………………………………………….……..45 圖3-3 生質氣化實驗流程示意圖………………………………………………...45 圖3-4 氣化反應爐體之構造……………………………………………………..14 圖3-5 直立殼管式熱交換器構造說明…………………………………………..17 圖3-6 熱交換器流程示意圖……………………………………………………..46 圖3-7 熱交換器內管流程示意圖………………………………………………..46 圖3-8 VisiDAQ軟體溫度紀錄情形……………………………………………..47 圖3-9 由視窗觀察爐內反應狀況………………………………………………..48 圖3-10 煙囪之火焰燃燒情形…………………………………………………….48 圖3-11 產氣成份分析結果……………………………………………………….49 圖3-12 灰燼（ash）……………………………………………………………...49 圖3-13 凝結水……………………………………………………………………50 圖4-1 生質燃料（柳安木）……………………………………………………..23 圖4-2 實驗一爐體溫度分佈隨時間變化情形…………………………………..50 圖4-3 實驗一熱解燃燒界面隨時間變化情形…………………………………..51 圖4-4 實驗一爐體出口產氣熱值隨時間變化情形…………………………..…51 圖4-5 實驗一爐體出口產氣成份濃度隨時間變化情形……………………..…52 圖4-6 實驗一爐體出口產氣熱值隨溫度與進料變化情形……………….……52 圖4-7 實驗一150分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形………….…53 圖4-8 實驗一236分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形……….……53 圖4-9 實驗二爐體溫度分佈隨時間變化情形………………………………….54 圖4-10 實驗二熱解燃燒界面隨時間變化情形………………………………...54 圖4-11 實驗二爐體出口產氣熱值隨時間變化情形……………………….…..55 圖4-12 實驗二關掉加熱器後爐體出口產氣熱值隨時間變化情形……….…..55 圖4-13 實驗二爐體出口產氣成份濃度隨時間變化情形………………….…..56 圖4-14 實驗二關掉加熱器後爐體出口產氣成份濃度隨時間變化情形……...56 圖4-15 實驗二爐體出口產氣熱值隨溫度與進料變化情形……………….…..57 圖4-16 實驗二關掉加熱器後爐體出口產氣熱值隨溫度與進料變化情形…...57 圖4-17 實驗二109分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形……….…..58 圖4-18 實驗二175分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形…………...58 圖4-19 實驗三爐體溫度分佈隨時間變化情形………………………………...59 圖4-20 實驗三熱解燃燒界面隨時間變化情形…………………………….…..59 圖4-21 實驗三爐體出口產氣熱值隨時間變化情形……………………….…..60 圖4-22 實驗三爐體出口產氣成份濃度隨時間變化情形………………….…..60 圖4-23 實驗三爐體出口產氣熱值隨溫度與進料變化情形……………….…..61 圖4-24 實驗三120分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形……….…..61 圖4-25 實驗三196分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形…………...62 圖4-26 實驗四爐體溫度分佈隨時間變化情形…………………………….…..62 圖4-27 實驗四熱解燃燒界面隨時間變化情形…………………………….…..63 圖4-28 實驗四爐體出口產氣熱值隨時間變化情形……………………….…..63 圖4-29 實驗四爐體出口產氣成份濃度隨時間變化情形………………….…..64 圖4-30 實驗四爐體出口產氣熱值隨溫度與進料變化情形…………………...64 圖4-31 實驗四129分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形……….…..65 圖4-32 實驗四187分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形……….…..65 圖4-33 實驗五爐體溫度分佈隨時間變化情形…………………………….…..66 圖4-34 實驗五熱解燃燒界面隨時間變化情形………………………….……..66 圖4-35 實驗五爐體出口產氣熱值隨時間變化情形……………………….…..67 圖4-36 實驗五爐體出口產氣成份濃度隨時間變化情形………………….…..67 圖4-37 實驗五爐體出口產氣熱值隨溫度與進料變化情形…………………...68 圖4-38 實驗五95分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形………….…68 圖4-39 實驗五154分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形……….…..69 圖4-40 實驗六爐體溫度分佈隨時間變化情形…………………………….…..69 圖4-41 實驗六熱解燃燒界面隨時間變化情形…………………………….…..70 圖4-42 實驗六爐體出口產氣熱值隨時間變化情形…………………….……..70 圖4-43 實驗六爐體出口產氣成份濃度隨時間變化情形……………….……..71 圖4-44 實驗六爐體出口產氣熱值隨溫度與進料變化情形…………….……..71 圖4-45 實驗六133分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形……….…..72 圖4-46 實驗六202分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形……….…..72 圖4-47 實驗七爐體溫度分佈隨時間變化情形…………………………….…..73 圖4-48 實驗七熱解燃燒界面隨時間變化情形…………………………….…..73 圖4-49 實驗七爐體出口產氣熱值隨時間變化情形……………………….…..74 圖4-50 實驗七爐體出口產氣成份濃度隨時間變化情形……………………...74 圖4-51 實驗七80分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形…………….75 圖4-52 實驗七144分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形……………75 圖4-53 實驗八爐體溫度分佈隨時間變化情形………………………………….76 圖4-54 實驗八熱解燃燒界面隨時間變化情形………………………………….76 圖4-55 實驗八爐體出口產氣熱值隨時間變化情形…………………………….77 圖4-56 實驗八爐體出口產氣成份濃度隨時間變化情形……………………….77 圖4-57 實驗八爐體出口產氣熱值隨溫度與進料變化情形…………….………78 圖4-58 實驗八100分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形…………….78 圖4-59 實驗八170分鐘時爐內氣體成份隨高度與溫度變化情形…………….79 圖4-60 風量參數對各反應區溫度之影響（起爐後200min）………………...79 圖4-61 風量參數對產氣熱值之影響……………………………………………80 圖4-62 風量參數對產氣成分濃度之影響………………………………………80 圖4-63 風量參數對燃料供給率與空燃比之影響………………………………81 圖4-64 等值比對產氣熱值之影響………………………………………………81 圖4-65 等值比對產氣成分濃度之影響…………………………………………82 圖4-66 空氣預熱溫度對各反應區溫度之影響（起爐後200min）…………...82 圖4-67 空氣預熱溫度對產氣熱值之影響………………………………………83 圖4-68 空氣預熱溫度對產氣成分濃度之影響…………………………………83 圖4-69 生質燃料含水率對產氣熱值之影響……………………………………84 圖4-70 生質燃料含水率對產氣成分濃度之影響………………………………84 圖4-71 空氣輸配高度位置對產氣熱值之影響…………………………………85 圖4-72 空氣輸配高度位置對產氣成分濃度之影響……………………………851940674 bytesapplication/pdfen-US熱解生質氣化爐氣化biomasspyrolysisgasificationgasifier[SDGs]SDG7thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61594/1/ntu-93-R90522116-1.pdf