生物质气化燃料技术

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1、第五章第五章 生物质生物质 气化燃料技术气化燃料技术第一节第一节 生物质气化基本原理生物质气化基本原理 第二节第二节 生物质气化技术生物质气化技术 第三节第三节 生物质燃气的利用生物质燃气的利用主要教学内容及要求：主要教学内容及要求： 了解：生物质气化技术类型，生物质气化设备类型及各自的特点，生物质气化技术研究进展 理解：生物质气化原理，生物质气化过程中的影响因素 掌握：生物质气化的概念，生物质气化过程的基本参数及其作用，生物质燃气中的主要杂质成分及净化方法 熟练掌握：上吸式和下吸式固定气化床的工作原理，流化床气化床的工作原理第1节 生物质气化 基本原理1 生物质气化的概念与特点 1.1 生物

2、质气化的概念 生物质气化：是在一定的热力学条件下，只提供有限氧的情况下使生物 质发生不完全燃烧，生成CO、H2、低分子烃等可燃气体。 生物质气化的特点： 气化是将化学能的载体由固态转换为气态，气化反应中放出的热量则小得多，气化取得的可燃气体再燃烧则可进一步释放出其具有的化学能。1.2 气化与燃烧的差异 在原理上，气化与燃烧都是有机物与氧发生反应; 生物质燃烧: 燃烧过程中提供充足的氧气， 燃烧后的产物是CO2和水等不可再燃烧的烟气， 放出大量的反应热。 即燃烧主要是将原料的化学能转变为热能； 生物质气化： 生物质气化时发生不完全反应，总体上是吸热反应， 气化产物可进一步燃烧。2 生物质气化的反

3、应过程 基本反应包括：固化燃料的干燥、 热分解反应、 还原反应、 氧化反应 四个过程， 相应的炉内分为：干燥区、 热分解区、 还原区、 氧化区 四个区（层）燃料 准备区气化区2.1 固体燃料的干燥 干燥过程特点： 生物质原料被加热，析出吸附在生物质表面的水分。 在100150主要为干燥阶段，大部分水分在低于105条件下释出， 此阶段过程进行比较缓慢。需要供给大量的热。原料表面水分完全脱除之前，被加热的生物是温度是不上升的。2.2 热分解反应 特点： 当温度达到160以上，高分子有机物开始发生吸热的不可逆热分解反应，随着温度进一步升高，分解进行愈加激烈。 生物质中含有较多氧。当温度升高到一定程度

4、后，氧将参加反应而使温度迅速提高，从而加速完成热分解。 热分解反应结果与产物 生物质中的化学变化： 大分子的碳水化合物的链被打破， 析出生物质中的挥发分， 留下木炭构成进一步反应的床层。 热分解反应产物： 复杂的混合气体和固态炭， 混合气体中至少包括数百种碳氢化合物，有些可在常温下 冷凝成焦油， 不可凝气体可作为气体燃料使用，热值可达15MJ/m3。 热分解反应主要影响因素 原料种类和加热条件是生物质热分解过程中的主要影响因 素。 原料种类的影响： 生物质中挥发组分高，在较低的温度下（300400）就 可释放出70%左右的挥发组分， 而煤到800才释放出约30%的挥发组分。 温度的影响： 热分

5、解速率随着温度的升高而加快，完成热分解反应所需 时间随着温度升高呈线性下降。 试验显示， 当温度为600时，完成时间约27s； 而温度达900时只需9s左右。 足够的气相滞留期和较高的温度则会使二次反应在很大程 度上发生，从而使最终的不可凝气体产量随着温度的升高 而增加。2.3 还原反应在还原区已没有O2存在，氧化反应中生成的CO2在该区同碳及水蒸 汽发生还原反应，生成CO和H2 。 由于还原反应是吸热反应，还原区的温度也相应降低，约为700 900。 CO2还原的反应C+ CO2 2CO； H-162.142KJ/mol 是强烈的吸热反应，故温度愈高，CO2还原愈彻底。 正向反应体积增加，故

6、压力增大使CO平衡含量减少。 CO2在氧化器内与燃料的接触时间也影响其还原反应的 彻底程度，高温下所需时间短。 水蒸汽还原的反应 CH2O(g) COH2；H-118.628KJ/mol C2H2O（g） CO22H2；H-75.114KJ/mol 吸热反应，温度增加有利于反应进行。温度较低不利于CO的生成，而有利于CO2的生成。 温度高于800时，水蒸汽与碳的反应速率才有明显增加；温度低于700时，水蒸汽与碳的反应速率极为缓慢，400以下几乎不反应。 甲烷生成反应 生物质气化可燃气中的甲烷，一部分来源于生物质热分解 和挥发分的二次裂解，另一部分来源于气化器中碳与可燃 气中氢的反应、与气体产物

7、的反应。 C2H2 CH4； H 752.400KJ/mol CO3H2 CH4 +H2O(g)； H 203.566KJ/mol CO4H2 CH4 + 2H2O(g) ； H 827.514KJ/mol 上述都是体积缩小的放热反应。 常压下甲烷生成反应速率很低，高压有利于反应进行。 甲烷生成反应 C2H2O（g） CH4 +CO2； H677.286KJ/mol 是强烈的放热反应。 甲烷是稳定的化合物，但当温度高于600时甲烷将向分解方向进行，碳以碳黑的形式析出。 甲烷的平衡含量随着温度的升高而减少。 生物质气化反应总体是体积增大的反应。 为增加产气中甲烷含量，宜采用较高气化压力和较低温度

8、； 反之，若想制取反应原料气，应降低甲烷含量，则可采用较低 的气化压力和较高的反应温度。 CO变换反应 COH2O（g） H2 +CO2； H-43.514KJ/mol 该式是制取以H2为主要成分的气体燃料的重要反应。也提 供甲烷化反应所需的H2。 当温度高于850时，此反应的正反应速度高于逆反应，有 利于生成H2，通常要求反应温度高于900。该反应通常在气化器燃气出口温度下反应达到平衡，故决 定了出口燃气的组成。2.4 氧化反应 由于碳与二氧化碳、水蒸汽之间的还原反应及物料的热分 解都是吸热反应，为保持气化器内高温，通常采用经气化 残留的碳与气化剂中的氧进行部分燃烧，并放出热量。 由于限氧燃

9、烧，氧化反应包括完全燃烧和不完全燃烧，同 时放出热量。 氧化区温度可达10001200。 2CO2 2CO ； H246.034KJ/mol CO2 CO2 ； H408.177KJ/mol3 气化过程的几个基本参数 比消耗量； 燃料的气体产率； 燃气质量 气化效率； 热效率； 碳转换率； 气化强度 比消耗量 指气化系统中，单位生物质在气化过程所消耗的气化剂（ 空气、氧气、水蒸汽、CO2等)量。 为对比各种气化方法，也以制造1m3（标准状态）可燃气 或纯CO +H2为基准。 是生物质气化站设计的一项重要技术经济指标。 比消耗量相关因素： 与生物质种类有关。随着生物质原料中固定碳含量的增加而增大

10、； 与气化方法和操作条件有关。若空气气化时比消耗大，说明气化过程消耗的氧量多，反应温度升高，有 利于气化反应的进行；但燃烧的生物质份额增加，产生的CO2量增加，使气体质量下降。水蒸汽气化时，通入的蒸汽量要能满足气化反应需要，还须够用来冷却氧化层，以控制气化反应温度低于灰分的熔点。蒸汽量由鼓风温度控制，它是鼓风温度下的饱和水蒸汽含量。 当量比： 采用空气(氧气)气化时比消耗量与完全燃烧所需要的理论 空气(氧气)量之比。 是气化过程的重要控制参数。 理论最佳当量比为0.28，由于原料与气化方式的不同，实 际运行中，控制的最佳当量比在0.20.28之间。 燃料的气体产率气体产率是指单位质量的原料气化

11、后所产生气体燃料在标准状态下的体积。 相关因素：与生物质种类有关，决定于原料中的水分、灰分及挥发分。惰性组分（灰分、水分）越少、可燃组分越高，则气体产率越高。 燃气质量（燃气的组成和热值）气体燃料的组成通常用容积百分率或分压百分率表示。 其中CO、H2、CH4、C2H4等为有效组分，N2为惰性组分，CO2、H2S等为杂质。气体热值是指单位体积气体燃料所包含的化学能。气体燃料的低位热值简化计 算公式为: Qg = 126CO + 108 H2 + 359 CH4 + 665 CnHm式中：Qg为气体的低位热值，KJ /m3（标准状态）；CO 、 H2 、 CH4 、 CnHm分别为相应气体在气化

12、气中所占的体积分数，%。 气化效率 指生物质气化后所得燃气热值与气化原料的热值之比。是衡量气化过程的主要指标。式中:为气化效率，%；Gv为每千克原料产出的燃气量（标准状态），(m3/kg)，一般为2.02.2；Qg为燃气（标准状态）低位热值，kJ/m3；Qb为原料低位热值，kJ/kg。国家行业标准规定 70%。国内固定床气化炉通常为70%75%；流化床气化炉可达78%。 碳转换率是指生物质燃料中的转换为气体燃料中的碳的份额，即气体中含碳量与原料中含碳量之比。是衡量气化效果的指标之一。式中：c 为碳转换率，%；Gv为气体产率（标准状态），m3/kg；CO2 、CO 、CH4 、CnHm分别为相应

13、气体在气化气中所占 的体积分数，%；WCHxOy为生物质原料的特征分子量。 、热效率热效率为生成物的总热量与总耗热量之比。 、气化强度指单位时间内单位反应炉截面积处理原料的能力。气化强度kg/ (m2 h) = 单位时间处理原料量（kg/h） 反应炉总截面积（m2）第2节 气化技术与设备2.1 气化技术 采用不同生物质原料，使用不同的气化介质进行气化时，所产生的可燃气成分各不相同。 以空气和水蒸汽同时作为气化剂生产生物质燃气的技术应用最广。现行的固定床生物质气化系统基本上都采用这种气化方式。 技术类型生物质气化不使用气化介质干馏气化固体炭 木焦油 木醋液 气化气使用介质气化空气气化氧气气化水蒸

14、气气化水蒸气-氧气混合气化氢气气化 不同气化技术的产物及用途气化类型主要生成物加解温度气化气热值 （ kJ/m3）产物用途干 馏 气 化慢速热解炭（28%30%）， 木焦油（5%10%）, 木醋液（30%35%）, 气化气（25%30%）低温（600） , 中温（600 900）, 高温（900）中热值 1087812552燃气，发电快速热解中热值 15000左右生产汽油与酒 精空气气化H2,CH4 ,CO2， N2（50%左右）自供热,900 1100低热值 ，4100 7500锅炉，干燥， 动力 氧气气化CO，H2,CH4中热值 ，10878 18200燃气， 化工合成原料水蒸汽气化H2（

15、20%26%）， CO（28%42%）， CO2（16%23%）， CH4（10%20%）， C2H2（2%4%）， C2H6（2%4%）吸热反应，需外 供热源中热值 1012018900燃气， 合成燃料水蒸汽-氧气H2（32%），CO（28%）， CO2（30%），CH4（7.5%） ，CnHm（2.5%）自供热800中热值 11500左右，燃气， 制氢氢气气化CH4高压、高温高热值 ，22260 26040工艺热 源， 管网2.2 气化设备固体生物质燃料气化时所应用的设备称为气化炉或气化器，它是生物质气化系统中的核心设备。生物质在气化炉内进行气化反应，生成可燃气。气化炉分类：按照气化炉内可燃气相对于生物质物料的流动速度和方向不同，气化炉可分为固定床气化炉和流化床气化炉，二者又都有多种不同形式。生物质气化炉固定床气化炉流化床气化炉鼓泡床气化炉循环流化床气化炉双流化床气化炉携带床气化炉上流式气化炉 开心式气化炉 横流式气化炉 下流式气化炉 根据气流方向按气化炉结构 和气化过程气化炉分类 （一）固定床气化炉 固定床气化炉中，气化反应是在一个相对静止的物料床层中进行，即物料相对于气流来