生物质气化生物质气化 §1 基本概念基本概念 p气化：在气化剂的作用下固态或液态碳基材料气化：在气化剂的作用下固态或液态碳基材料通过热化学反应转化成可燃气体的过程通过热化学反应转化成可燃气体的过程 美国能源环保署对生物质气化做了如下定义：一种通过美国能源环保署对生物质气化做了如下定义：一种通过生物质的化学转化生产合成气或燃料气的技术，该化学生物质的化学转化生产合成气或燃料气的技术，该化学转化过程通常包括在空气或水蒸气存在情况下以及还原转化过程通常包括在空气或水蒸气存在情况下以及还原气氛条件下生物质原料发生的局部氧化反应气氛条件下生物质原料发生的局部氧化反应 气化产物气化产物 不论通过哪种转化途径，生物质经过气化后主要生不论通过哪种转化途径，生物质经过气化后主要生成以下三类物质：成以下三类物质： 1.气体：气体：包括包括CO、、H2、、CH4等可燃成分，等可燃成分，CO2、、H2O等不可燃成分，以及气化剂携带的没有参与反应的气等不可燃成分，以及气化剂携带的没有参与反应的气体，如体，如N2等 2.液体：液体：主要指焦油主要指焦油 3.固体：固体：主要为炭以及原料所携带的一些惰性组分。
主要为炭以及原料所携带的一些惰性组分 3. 还原反应还原反应 生物质燃气中的可燃气体成分主要通过还原反应产生生物质燃气中的可燃气体成分主要通过还原反应产生还原反应所需的温度通常在还原反应所需的温度通常在900℃℃以上气化过程中发生的还以上气化过程中发生的还原反应主要包括以下原反应主要包括以下2类反应：类反应：（（1）二氧化碳）二氧化碳还还原反原反应应C+CO2 2CO，ΔH = +162.142kJ/molCO+H2O(g) CO2＋＋H2，，ΔH = + 43.514kJ/mol（（2）水蒸汽）水蒸汽还还原反原反应应C+H2O(g) CO＋＋H2，，ΔH = +118.628kJ/mol C+2H2O(g) CO2＋＋2H2，，ΔH = +75.114kJ/mol 4. 氧化反应氧化反应 氧化反氧化反应应是指在气化是指在气化剂剂中氧气的作用下原料中的碳中氧气的作用下原料中的碳发发生的生的完全和不完全燃完全和不完全燃烧烧反反应应在气化炉的氧化反在气化炉的氧化反应应区，温度可高区，温度可高达达1000～～1200℃反应应方程式如下：方程式如下： C + O2 CO2，，ΔH = －－408.177kJ/mol 2C + O2 2CO，，ΔH = －－246.034kJ/mol §3 气化工艺气化工艺工工艺艺类类型型热解气化空气气化氧气气化水蒸气气化水蒸汽－氧气混合气化氢气气化超临界水气化气化剂气化 1. 空气气化空气气化 气化过程中，空气为生物质的氧化反应，即燃烧过程提供气化过程中，空气为生物质的氧化反应，即燃烧过程提供氧气，氧化反应为还原反应提供热量和反应物，通过还原反氧气，氧化反应为还原反应提供热量和反应物，通过还原反应产生生物质燃气。
应产生生物质燃气 空气气化特点：空气气化特点： p运行成本低运行成本低p燃气热值低，通常在燃气热值低，通常在5MJ/Nm3左右左右p燃气中焦油含量高燃气中焦油含量高p存在原料结渣问题存在原料结渣问题 2. 氧气气化氧气气化与空气气化相比，氧气气化的特点表现在以下与空气气化相比，氧气气化的特点表现在以下2个方面：个方面：p燃气热值高，可达燃气热值高，可达15MJ/Nm3p使气化反应设备容积减小使气化反应设备容积减小 实际应用过程中生物质氧气气化工艺多采用富氧气化富氧气化就是通过提高空气中氧的体积分数来降低气化介质中N2的体积分数 2. 氧气气化氧气气化nBiomass氧气氧气浓浓度度(%)炉内温度炉内温度(℃)热值热值(MJ/m3)99.881011.9899.872411.9789.055011.5389.060011.8090.267012.2578.045010.5867.055010.5667.056010.69 3. 水蒸汽气化水蒸汽气化 水蒸气气化是指以水蒸气作为气化剂在高温下同生物质发水蒸气气化是指以水蒸气作为气化剂在高温下同生物质发生反应产生生物质燃气的工艺。
生反应产生生物质燃气的工艺 反反应类应类型型反反应应式式Boudouard反反应应 C+CO2 2CO非均相水气非均相水气转换转换反反应应 C+H2O CO＋＋H2 C+2H2O CO2＋＋2H2水气水气转换转换反反应应 CO+H2O CO2＋＋H2甲甲烷烷化反化反应应 C+2H2 CH4蒸气重整反蒸气重整反应应 CH4＋＋H2O CO+3H2 水蒸气气化所产燃气中H2含量高，燃气热值高，可达16～19MJ/Nm3；燃气的H2 /CO 较高，这些是水蒸气气化工艺优于空气气化工艺之处 4. 超临界水气化超临界水气化 超临界水气化是利用超临界水可溶解多数有机物和气体，超临界水气化是利用超临界水可溶解多数有机物和气体，而且密度高、粘性低、运输能力强的特性，将生物质高效气而且密度高、粘性低、运输能力强的特性，将生物质高效气化，产生高含化，产生高含H2燃气的气化技术因此超临界水气化被认为燃气的气化技术因此超临界水气化被认为是一种生物质气化产氢的新方法是一种生物质气化产氢的新方法。
Modell M.(1985)发现了超发现了超临界水对有机废弃物能高效转化的现象，随后一些研究者开临界水对有机废弃物能高效转化的现象，随后一些研究者开展的有关纤维素在超临界水中分解的动力学研究进一步印证展的有关纤维素在超临界水中分解的动力学研究进一步印证了这一现象近年来生物质超临界水气化已成为了一个热点了这一现象近年来生物质超临界水气化已成为了一个热点研究领域研究领域 4. 超临界水气化超临界水气化u 超临界水指温度和压力处于临界点以上的水，水的临界温超临界水指温度和压力处于临界点以上的水，水的临界温度和压力分别为度和压力分别为374℃℃和和22MPau 超临界水是具有强扩散和传输能力的均质非极性溶剂，能超临界水是具有强扩散和传输能力的均质非极性溶剂，能溶解各种有机化合物和气体生物质超临界水气化正是利用溶解各种有机化合物和气体生物质超临界水气化正是利用了其良好的传输能力和溶解能力了其良好的传输能力和溶解能力u由于水和有机成分的混合不存在界面传输限制，所以化学由于水和有机成分的混合不存在界面传输限制，所以化学反应的效率很高，反应的效率很高，在气化模型物的过程中原料的气化效率超在气化模型物的过程中原料的气化效率超过过99%，所产燃气中，所产燃气中H2的体积含量高达的体积含量高达50%。
4. 超临界水气化超临界水气化原料原料温度温度(℃)压压力力(MPa)催化催化剂剂H2(%)气化效率气化效率(%)锯锯末末/CMC65025无无21.093.8锯锯末末/玉米玉米秆秆60034.5C57.098木材木材45025无无30.090陈陈化粮化粮40013.8-34.5Ni4.774.9日本橡木日本橡木35018Ni/Na2CO347.255.4 5. 热解气化热解气化热解气化，又称干馏气化，是指生物质在隔绝空气或提供极热解气化，又称干馏气化，是指生物质在隔绝空气或提供极有限的空气的条件下加热后进行裂解反应的气化过程也可有限的空气的条件下加热后进行裂解反应的气化过程也可描述成生物质的部分气化描述成生物质的部分气化热解气化的突出优点是产生的燃气热值较高，约15MJ/Nm3左右，其缺点是气体产出率较低，产生的燃气中焦油含量很高 5. 热解气化热解气化按温度可将热解分为低温热解(600℃以下)，中温热解(600～900℃)和高温热解(900℃以上)根据热解过程的原料停留时间和升温速率，热解可分为：常规热解(Conventional pyrolysis)、快速热解(Fast pyrolysis)和闪解(Flash pyrolysis)。
生物质气化炉生物质气化炉固定床气化炉固定床气化炉流化床气化炉流化床气化炉鼓泡流化床气化炉鼓泡流化床气化炉循环流化床气化炉循环流化床气化炉双流化床气化炉双流化床气化炉携带床气化炉携带床气化炉下下吸式气化炉吸式气化炉开心式气化炉开心式气化炉平吸式气化炉平吸式气化炉上上吸式气化炉吸式气化炉根根据据气气流流方方向向按按气气化化炉炉结结构构和和气气化化过过程程§4 生物质气化炉生物质气化炉 1.上吸式气化炉上吸式气化炉上吸式气化炉结构与工作原理示意图上吸式气化炉结构与工作原理示意图 1.上吸式气化炉上吸式气化炉氧化区：氧化区：温度温度1000℃℃以上，以上，提供气化反应所需热量提供气化反应所需热量还原区：还原区：发生还原反应产生发生还原反应产生CO和和H2，，温度降低到温度降低到700～～900℃℃裂解区：裂解区：使原料发生热裂解反应，温度使原料发生热裂解反应，温度400-600℃℃干燥区：干燥区：将原料加热干燥，温度下降到将原料加热干燥，温度下降到200～～300℃℃ 1.上吸式气化炉上吸式气化炉优点：优点：u操作简便操作简便u运行能耗低运行能耗低u燃气灰分含量少燃气灰分含量少u燃气出口温度低燃气出口温度低缺点：缺点：u焦油含量高焦油含量高 2.下吸式气化炉下吸式气化炉下吸式气化炉结构与工作原理示意图下吸式气化炉结构与工作原理示意图 2.下吸式气化炉下吸式气化炉优点：优点：u焦油含量低。
焦油含量低u结构简单，结构简单，且由于其有效层高度几乎不变，且由于其有效层高度几乎不变，工作稳定性好工作稳定性好u操作方便操作方便这与气化炉可以在微副压条件运行，从而便于连这与气化炉可以在微副压条件运行，从而便于连续进料有关续进料有关缺点：缺点：u燃气含尘高燃气含尘高u燃气出口温度高燃气出口温度高 3. 鼓泡床气化炉鼓泡床气化炉鼓泡床气化系统结构与工作原理示意图鼓泡床气化系统结构与工作原理示意图 3. 鼓泡床气化炉鼓泡床气化炉鼓泡床气化炉是最基本、也是最简单的气化炉有一个流鼓泡床气化炉是最基本、也是最简单的气化炉有一个流化床反应器，气化剂从底部布风板吹人，生物质原料被送化床反应器，气化剂从底部布风板吹人，生物质原料被送入布风板上由细颗粒形成的流动床中与气化剂发生气化反入布风板上由细颗粒形成的流动床中与气化剂发生气化反应，最终生成生物质燃气应，最终生成生物质燃气气化炉内气化剂的上升流速为气化炉内气化剂的上升流速为1～～3m/s燃气中焦油含量燃气中焦油含量较低，一般小于较低，一般小于1～～3g/Nm3生成的生物质燃气直接由气生成的生物质燃气直接由气化炉出口送人净化系统中鼓泡床的炉温可通过调节气化化炉出口送人净化系统中。
鼓泡床的炉温可通过调节气化剂的比消耗量而控制在剂的比消耗量而控制在700～～900℃℃的温度范围内的温度范围内 4.循环流化床气化炉循环流化床气化炉循环流化床气化系统结构与工作原理示意图循环流化床气化系统结构与工作原理示意图 4.循环流化床气化炉循环流化床气化炉循环流化床气化炉与鼓泡床气化炉相比，循环流化床气化循环流化床气化炉与鼓泡床气化炉相比，循环流化床气化炉的流化速度高，气化剂的上升流速为炉的流化速度高，气化剂的上升流速为5～～10m/s，从而使，从而使得从气化炉出来的燃气中携带有大量的固体颗粒，这些颗得从气化炉出来的燃气中携带有大量的固体颗粒，这些颗粒包含大量未完全反应的炭粒，通过设置在气化炉出气口粒包含大量未完全反应的炭粒，通过设置在气化炉出气口处的旋风分离器将这些颗粒从燃气中分离出来，并重新送处的旋风分离器将这些颗粒从燃气中分离出来，并重新送入气化炉内，继续参与气化反应循环流化床气化炉的反入气化炉内，继续参与气化反应循环流化床气化炉的反应温度一般也控制在应温度一般也控制在700～～900℃℃ 5.各种生物质气化炉比较各种生物质气化炉比较气化炉类型气化炉类型优点优点缺点缺点上吸式固定上吸式固定/ /移移动动床床气化炉气化炉工工艺简单艺简单且成本低且成本低燃气出口温度低，燃气出口温度低，大大约约250℃ 碳碳转转化率高化率高 燃气灰分含量低燃气灰分含量低 热热效率高效率高焦油焦油产产率高率高 会会产产生沟流生沟流现现象象 会会产产生架生架桥现桥现象象要求原料粒度小要求原料粒度小会会产产生生结结渣渣问题问题下吸式固定下吸式固定/ /移移动动床床气化炉气化炉工艺简单工艺简单燃气焦油含量低燃气焦油含量低 要求原料粉碎很要求原料粉碎很细细对对原料的灰分含量有限制原料的灰分含量有限制存在功率限制存在功率限制能能产产生架生架桥桥和和结结渣渣现现象象 鼓泡床气鼓泡床气化炉化炉进进料速率和成分料速率和成分较较灵活灵活 可气化高灰分含量原料可气化高灰分含量原料可以加可以加压压气化气化 燃气燃气 CH4 含量高含量高 容容积负积负荷高荷高 温度易于控制温度易于控制操作温度受灰熔点的限制操作温度受灰熔点的限制 燃气出口温度高燃气出口温度高 燃气焦油燃气焦油尘尘含量高含量高飞飞灰中炭含量可能偏高灰中炭含量可能偏高循循环环流化流化床气化炉床气化炉操作灵活操作灵活 操作温度可高达操作温度可高达850℃ 存在腐存在腐蚀蚀和磨和磨损问题损问题 气化生物气化生物质时质时可操控性差可操控性差双床流化双床流化床气化炉床气化炉不需要氧气不需要氧气 床床层层温度低使得温度低使得CH4含量高含量高低床低床层层温度温度导导致焦油致焦油产产量高量高 加加压压气化条件下控制困气化条件下控制困难难 5.各种生物质气化炉比较各种生物质气化炉比较总之，大规模利用条件下应该首选最为可靠循环流化床气化总之，大规模利用条件下应该首选最为可靠循环流化床气化炉系统，而小规模利用应选用下吸式气化炉，鼓泡流化床气炉系统，而小规模利用应选用下吸式气化炉，鼓泡流化床气化炉在中等规模利用条件下更有竞争力化炉在中等规模利用条件下更有竞争力 生物质气化炉技术经济性能对比生物质气化炉技术经济性能对比 §4 燃气净化燃气净化颗粒去除技术：颗粒去除技术：旋风分离器、过滤器、静电除尘器、湿式除尘器燃气净化燃气净化碱金属去除技术：碱金属去除技术：低温凝结、过滤器，高温过滤除焦油技术除焦油技术物理方法除焦：物理方法除焦：湿式除尘器、静电除尘器，旋风除尘器催化裂解除焦：催化裂解除焦：木炭、白云石、镍基催化剂 除焦油技术除焦油技术除焦油技术可以分为两类：一类是物理方法；另一类是催化裂解的方法。
除焦油技术可以分为两类：一类是物理方法；另一类是催化裂解的方法物理方法除焦油物理方法除焦油主要采用冷凝的方法使燃气中的焦油凝结成液滴，然后利主要采用冷凝的方法使燃气中的焦油凝结成液滴，然后利用湿式除尘器、静电除尘器，或旋风除尘器等将冷凝下来的焦油去除用湿式除尘器、静电除尘器，或旋风除尘器等将冷凝下来的焦油去除物理除焦只是将焦油从燃气中分离出来，而且多把分离出来的焦油作为废物排放，这使得焦油所含能量被浪费，如果处理不当还会产生污染 除焦油技术除焦油技术湿式净化系统湿式净化系统 除焦油技术除焦油技术喷淋法除焦油喷淋法除焦油 鼓泡法除焦油鼓泡法除焦油 除焦油技术除焦油技术干式净化系统干式净化系统 1.气化炉 2.一次除尘 3.二次除尘 4.冷却管 5.过滤器 6.风机 7.水封 除焦油技术除焦油技术催化裂解除焦油：催化裂解除焦油：通过高温热裂解可以将焦油转化为燃气通过高温热裂解可以将焦油转化为燃气对对焦油裂解具有催化作用的材料很多，其中效果焦油裂解具有催化作用的材料很多，其中效果较较好的材好的材料主要有三种，即木炭、白云石、料主要有三种，即木炭、白云石、镍镍基催化基催化剂剂催化催化剂剂反反应应温度温度/℃接触接触时间时间/s转转化效率化效率/%特点特点镍镍基催化基催化剂剂750约约1.097 反反应应温度低、温度低、转转化效果化效果好；材料好；材料较贵较贵，成本，成本较较高高木炭木炭800900约约0.5约约0.59199.5木炭木炭为为气化自身气化自身产产物，成物，成本低；随着反本低；随着反应进应进行，木行，木炭减少炭减少白云石白云石800900约约0.5约约0.59599.8 转转化效率高，材料分布化效率高，材料分布广，成本低广，成本低 督督 脉脉（（28穴）穴） 长强 Chángqiáng DU1 络穴定位：在尾骨端下，当尾骨端与肛门连线的中点处。
临床应用：现多用于痔疮，脱肛，阴囊湿痒，腰脊痛，尿失禁，尿路感染，下肢麻痹等操作：斜刺，针尖向上与骶骨平行刺入0.5～1寸不得刺穿直肠，以防感染，不灸 常用配伍：配二白、阴陵泉、上巨虚、三阴交，治痔疮（湿热下注型）；配精宫、二白、百会（灸），治脱肛、痔疮;配小肠俞，治大小便难，淋症；配身柱，治脊背疼痛 腰阳关 Yāoyángguān DU3定位：在腰部，当后正中线上，第４腰椎棘突下凹陷中临床应用：现多用于下肢瘫痪，腰骶部疼痛，月经不调，遗精，阳痿，慢性肠炎，坐骨神经痛等操作：向上微斜刺0.6～1寸；可灸 常用配伍：补腰阳关、肾俞、次髎、泻委中，治腰脊痛、四肢厥冷、小便频数；配腰夹脊、秩边、承山、飞扬，治坐骨神经痛、腰腿痛；配膀胱俞、三阴交，治遗尿、尿频 命门 Mìngmén DU4定位：在腰部，当后正中线上，第２腰椎棘突下凹陷中临床应用：现多用于腰扭伤，遗尿，白带，子宫内、外膜炎，盆腔炎，脊柱炎，肾炎，坐骨神经痛，下肢瘫痪，小儿脑膜炎，破伤风，疝气，痔疮，耳鸣，失眠等操作：向上斜刺0.5～1寸；可灸 常用配伍：配肾俞、太溪，治遗精、早泄、腰脊酸楚、足膝无力、遗尿、癃闭、水肿、头昏耳鸣等肾阳亏虚之症；配百会、筋缩、腰阳关，治破伤风抽搐；灸命门、隔盐灸神阙，治中风脱症；配关元、肾俞、神阙（艾灸），治五更泄；补命门、肾俞、三阴交，治肾虚腰痛；泻命门、阿是穴、委中、腰夹脊穴，治腰扭伤痛和肥大性脊柱炎；配十七椎、三阴交，治痛经（寒湿凝滞型）（艾灸）；配大肠俞、膀胱俞、阿是穴（灸），治寒湿痹腰痛。
至阳 Zhìyáng DU9定位：在背部，当后正中线上，第７胸椎棘突下凹陷中临床应用：现多用于急性胃炎，肝炎，胆囊炎，胸膜炎，疟疾，支气管炎，哮喘，胆道蛔虫症等操作：向上微斜刺0.5～1寸；可灸 常用配伍：配曲池、阳陵泉、脾俞，治黄疸；配天枢、大肠俞，治腹胀、肠鸣、泄泻；配内关、神门，治心悸、心痛 大椎 Dàzhuī DU14定位：在后正中线上，第７颈椎棘突下凹陷中临床应用：现多用于发热，中暑，疟疾，感冒，肺结核，支气管炎，哮喘，肺气肿，衄血，精神分裂症，癫狂，痫证，小儿惊风，呕吐，黄疸，齿龈炎，小儿消化不良，老年初期白内障，疔疮，肝炎，血液病，湿疹，瘫痪，尿毒症等操作：直刺0.5～1寸；可灸 常用配伍：配肺俞，治虚损、盗汗、劳热；配间使、乳根，治脾虚发疟；配四花穴，治百日咳（双膈俞、双胆俞）；配曲池，预防流脑；配合谷，治白血球减少；配足三里、命门，提高机体免疫力；配大椎、定喘、孔最，治哮喘；配曲池、合谷，泻热；配腰奇、间使，治癫痫。