第3章气化技术

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1、第3章生物质气化技术生物质气化是以生物质为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢 气等气化剂（或称为气化介质），在高温条件下通过热化学反应将生物质转化为可 燃气的过程。生物质气化产生的气体，其主要有效成分为CO、H2、CH4,称为生物 质燃气。气化和燃烧过程都需要空气或氧气，但燃烧过程需要供给充足的氧气，使 燃料充分燃烧，燃烧后放出大量的热，反应产物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧 的烟气。气化过程供给的氧气，使原料发生部分燃烧，从而提供制取可燃气反应所 需的热力学条件，原料中的能量被尽可能地保留在反应后得到的可燃气体中。由于 生物质原料通常含有70%90%的挥发分，受热后在相对较低的温度

2、下就有相当量 的挥发分物质析出，既可供生产、生活直接燃用，也可通过内燃机或燃气轮机发 电，进行热电联产联供，从而实现生物质的高效清洁利用。目前气化技术是生物质热化学转化技术中最具有实用性的一种，它也是一项 古老的技术。生物质气化的首次商业化应用可追溯到1833年，当时是以木炭作为 原料，经过气化器产生可燃气，驱动内燃机应用于早期的汽车和农业灌溉机械。在 二战期间，气化技术达到鼎盛时期。但是随着石油等化石燃料的大量开发利用，生 物质气化技术进入低潮。进入20世纪80年代以来，由于化石燃料价格增长，无节 制地使用化石燃料使人类将面临化石资源枯竭的危险以及大量使用化石燃料对环境 造成的严重污染等问题

3、的出现，各国科学家和政府又重新重视生物质气化，从环境 保护、生态环境和可持续发展的角度出发，投入了大量的研究开发经费和人力，开 展生物质的气化新技术的研究及应用。3.1生物质气化技术的特点据全国农林能源的调查统计表明，全国每年的生活用能和部分小型工业的生 产用能，以直接燃用秸秆（约2.2亿吨）和薪材（约1.8亿吨）为主，其燃烧热效 率仅为8%12%。而将生物质气化成气体燃料后再使用，其燃烧总热效率可比直接燃烧生物质提高二倍以上，即热效率可提高到30%以上。生物质气化对推动能源的 可持续发展具有重要的现实意义，其特点如下：（1）材料来源广泛，可以利用自然界大量的生物质能。我国是一个农业大 国，每

4、年有6亿余吨农作物，除用农村炊事燃料、副业原料和饲料外，其余均成为 废弃物。另外，在我国的薪炭林总面积近540多万平方米，每年有相当于1亿吨标 准煤的薪材。（2）可进行规模化生产处理。用气化技术可进行大规模的生物质处理，日处 理可达几百乃至上千吨。（3）这种方法通过改变生物质原料的形态来提高能量转化效率，获得高品位 能源，能改变传统方式利用效率低的状况。通常生化技术的能量转换效率至多为 40%左右，而气化技术的能量转换效率可高达80%以上，同时还可进行工业性生产 气体或液体燃料，直接供用户使用。（4）生物质气化具有废物利用、减少污染、使用方便清洁等优点。对于含水 分少的有机物质，如木材以及纸屑

5、和塑料为主的城市垃圾，都可采用气化技术将其 变废为宝。（5）可以实现生物质燃烧的碳循环，推动可持续发展。3.2生物质气化工艺3.2.1 生物质气化过程在典型的生物质气化过程中，通常包含了生物质的干燥、热解、氧化反应和 还原反应，这四个过程在气化炉内对应形成四个区域，但每个区域之间并没有严格 的界限。干燥：指对生物质的除湿，大约被加热至200300C，原料中的水分首先蒸发；热解：指生物质脱挥发分或热分解，在500600C时，解析出焦油、CO2、 CO、CH4、H2等大量的气体，只剩残余的木炭；3.2.2生物质气化分类生物质气化过程的分类有多种形式，可以从不同的角度对其进行分类。根据 燃气生产机理

6、可分为：（1）热解气化（2）反应性气化1）空气气化、水蒸气气化、氧气气化、氢气气化、气体混合物气化（根据 气化介质不同分类）；2）固定床气化、流化床气化（根据采用气化设备分类）；在气化过程中使用不同的气化剂、采用不同的运行方法以及过程运行条件， 可以得到三种具有不同热值的气化产品气：低热值燃气（低于8.4MJ/m3）；中热 值燃气（16.733.5 MJ/m3）；高热值燃气（高于33.5 MJ/m3）4种常用气化方法:气化方法描述热值优点缺点空气气化空气中的氧气与生物质 中的可燃组分发生氧化 反应，放出的热量为其5MJ/m3属低热值燃气（氮气的大量最简单、最经济 是用于近距离燃烧 或发电不适于

7、采用管道长距离输送它过程如分解与还原过 程提供所需的热量，因 此空气气化过程不需要 额外提供热量。存在稀释了可 燃气中的可燃 组分，降低了 燃烧热值）的最佳选择氧气气化以氧气作为气化介质的 气化过程，其过程原理 和空气气化相同。15MJ/m3属中热值燃气，与城市煤 气相当（产生 的气体不被氮 气稀释）热值高与城市煤气相当生产纯氧需 要消耗大量 的能量，气 化成本提高水蒸气气化以水蒸气作为气化介质 的气化过程，气化过程 中包含了水蒸气和碳的 还原反应，CO与水蒸气 的变换反应等甲烷化反 应以及生物质在气化炉 内的分解反应。1721MJ/m3属中热值燃气燃气质量好，H2和甲烷的含量高系统需要蒸 汽

8、发生器和 过热设备， 一般需要外 供热源，因 此系统独立性差，技术 较复杂。空气（氧气）一水蒸气气化以空气（氧气）、水蒸 气同时作为气化介质的 气化过程。典型的燃气11.5 MJ/m3属中热值燃气1、比起单独使用空 气或水蒸气为气化 介质的优越之处主 要体现在减少了空 气的供给量，并生 成了更多的氢气和 碳氢化合物，提高 了燃气的热值。2、另外，生物质与 空气反应可以给其它反应提供能量， 因此它是自供热系 统，不需外供热 源。3、设备简单、操作 维护简便以及水蒸 气气化中H2含量 高，运行成本低， 适用于其它化学品 的合成。氢气气化以氢气作为气化介质的 气化过程，主要反应是 在高温高压下氢气与

9、碳 及水蒸气生成甲烷的过 程。22.326MJ/m3热值高反应条件苛刻，该方法不常使用。十馏气化一种特殊的热解过程， 即在无氧或少量供氧的 条件下，使生物质部分 气化生成可燃气以及木 焦油等液体产物和木炭 的过程。可燃气主要成 分是：CO2、CO、CH4、 C2H4、 H2 等15 MJ/m3属中热值燃气3.2.3生物质气化工艺流程在生物质气化过程中，原料在限量供应的空气或氧气及高温条件下，被转化 成燃料气。生物质气化工艺流程如下：发电烝汽锅炉民用煤气合成燃料粗煤气净煤气L=J| I *I 原料干燥气化炉 洗涤二次转化合成氨木炭合成甲醇泥炭各种有机肥 料空气、蒸汽和氧气3.2.4生物质气化设备

10、目前，生物质气化设备主要有固定床、流化床两种。固定床气化床炉简单、热效率较高，但处理量小，适合中、小规模的工业化生产。1、固定床气化炉固定床气化炉的特点是气化介质在通过物料层时，物料相对于气流处于静止 状态。名称结构/运行优点缺点上吸 式气 化炉（逆 流式 气化 炉）生物质物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉体底部进气口进入 炉内参与气化反应，反应产生的气 体自下而上流动，由炉体上方的可 燃气出口排出。1、炉型结构简单，适用于不同形 状尺寸的原料；2、可燃气在经过 分解层和干燥层 时，将其携带的热 量传递给物料，用 于物料的热分解和 干燥，同时降低其 自身的温度，使炉 子热效率大大提高；3、热

11、分解层和十 燥层对可燃气有一 定的过滤作用，所 以，出炉的可燃气 的温度和灰分都较 低。1、构造使得进料不方 便，小炉型需间歇进 料，大炉型需安装专 用加料装置；2、生成气中焦油含量 高，容易造成输气系 统堵塞，使输气管道、阀门等工作不正 常，加速其老化，因 此需要复杂的燃气净 化处理，给燃气的利 用（如供气、发电） 设施带来问题。下吸基本结构与上吸式气化炉相近。生1、结构简单、加1、气体流动阻力大，式气物质原料由炉顶的加料口投入炉料方便。消耗功率多。化炉内，作为气化剂的空气一般在氧化 区加入。原料由上部加入后，依靠重力下 落，经过干燥区后水分蒸发，进入 温度较高的的热分解区生成炭、裂 解气、

12、焦油等，继续下落经过氧 化、还原区将焦炭和焦油等转化为 CO、CO2、CH4、H2等气体，炉内 运行温度在4001200C左右，燃 气从反应层下部吸出，灰渣从底部 排出。2、工作稳定，产 生可燃气中焦油含 量较少。2、产出的气体灰分和 温度较高。横吸式固 定床 气化 炉原料从上方加入，气化剂由炉子一 侧供给，产生的可燃气从炉子的另 一侧抽出。适于木炭等低灰分 物料，反应温度很 高。该气化炉在南 美洲得到了广泛应 用。开心 式固 定床 气化 炉类似于下吸式固定床气化炉，所不 同的是，它的炉栅中间向上隆起。 这种炉子多以稻壳作为气化原料， 反应产生灰分较多。在工作过程 中，炉栅绕它的中心垂直轴作水

13、平 的回转运动，目的在于防止灰分堵 塞炉栅，保证气化反应连续运行。由我国研制，已投 入商业应用多年。反应产生灰分较多2、流化床气化炉流态化技术用于生物质气化始于1975年，与固定床气化炉相比，具有混合均 匀，反应速度快、气固接触面积大，传热、传质系数高，反应温度均匀，单位面积的反应强度大，操作易于控制，物料在反应器重停留的时间短，生产能力大及操作 温度低等优点。名称结构/运行优点缺点鼓泡床气化炉气化剂由布风板下部吹入炉内，与生物 质原料混合并发生气化反应，生成的高 温可燃气由上部排出。最简单的流化床气化炉1、气流速度较慢， 适用于颗粒较大的 生物质燃料，一般 需增加热载体；2、由于飞灰和炭颗

14、粒夹带严重，运行 费用较高，因此较 适于大中型气化系 统。循环 流化 床气 化炉相对于鼓泡床气化炉而言，流化速度相 对较高，从流化床中携带的颗粒在通过 旋风分离器收集后重新送入炉内进行气 化反应。1、有良好的混合特性和较高的 气固反应速率；2、适用于较小 的生物质颗粒， 通常情况下不需 加热载体；3、运行简单，一般流化床气化 炉反应温度控制 在 700900C。双流化床气化 炉由两个并列的流化床组成，主要有气化 炉和燃烧炉两部分。气化炉中产生的可 燃气经分离后，砂子和炭粒流入燃烧炉 中，在燃烧炉中炭粒燃烧将砂子加热，把气化和燃烧的 过程分开，碳转 化率高。结构复杂，两床温 度以及两床间热载 体的循环速度的控 制是双流化床气化灼热的砂子再返回到气化炉中，以补充 气化炉所需热量。最关键也是最难得 技术。携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例，它不使用 惰性材料砂子，气化剂直接吹动炉中生 物质原料，原料入炉前需粉碎成细小颗 粒，气化温度高达1100C以上，碳的转 化率可达100%。可燃气中焦油的含量很低由于反应温度高而 易烧结，因此炫彩 较难。3、固定气化炉与流化床气化炉的比较气化炉类型上吸式固定床下吸式固定床流化床原料种类颗粒/mm气化温度/C气化效率/%气化强度/【kg/(mh)应用领域秸秆，废木5100约 11007579200300