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1、第五章 生物质气化技术,第一节 生物质气化基本原理第二节 生物质气化工艺技术第三节 生物质燃气的利用,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炉的工作原理，流化床气化炉的工作原理,第一节 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
2、等可燃气体。生物质气化原料： 废木材、柴薪、秸秆、果壳、稻壳、木屑等。一般都是挥发分高、灰分少、易裂解的生物质废弃物。可燃气体成分组成 通过生物质气化过程产生的气化气主要可燃成份为一氧化碳、氢气、乙烯、甲烷等，是一种干净、清洁的绿色能源。,1 生物质气化的概念与特点,*下吸式空气气化炉的气化气成分,可燃成份以CO和H2为主，约占2535%。N2约50%,生物质气化气的主要用途,1）民用炊事与取暖 2）烘干谷物、木材、果品、炒茶等 3）发电 4）区域供热等,1.1 生物质气化的概念,1 生物质气化的概念与特点,1.1 生物质气化的概念,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
3、应中放出的热量则小得多气化后的可燃气体再燃烧则可进一步释放出其具有的化学能生物质转化为可燃气后，利用效率明显提高，用途更为广泛系统复杂，生成的燃气相对其他主要气体燃料而言热值较低，不便于储存运输，须有专门的用户或配套的利用设施。,1 生物质气化的概念与特点,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 生物质气化的反应过程,干燥层100250,热解层
4、300500800,还原层900,氧化层1200,湿料,气体,灰,空气,以上吸式固定床气化炉为例。生物质从上部加入，依次进入干燥层、热解层、还原层、氧化层，最终以灰分形式排出。而气化剂从底部吹入，与生物质物料走向相反。反应炉工艺结构设计的重要原则：合理的温度分布,2 生物质气化的反应过程,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）,生物质气化机理示意,2 生物质气化的反应过程,2.1 固体燃料的干燥,2.1.1 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
5、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 生物质气化的反应过程,气化炉的最上层为干燥区。,生物质的干燥,气体,高温气流,干燥层,100250,氧化层燃烧,干燥区温度约为100250。,湿料同来自下面三个反应区的热气体换热，蒸发水蒸气随着热气流上升排出气化炉，干物料落入裂解区。,2 生物质气化的反应过程,秸秆受热后发生裂解反应，大部分的挥发分从固体中分离出去。裂解需要大量热量，温度降到400600。裂解反应方程式为：,CH1.4O0.6=0.64C+0.44H2+0.15H2O+0.17CO+0.13C
6、O2+0.005CH4,裂解区主要产物：C、H2、H2O、CO、CO2、CH4、焦油和烃类等。此后热气体上升到干燥区，而炭则下降到还原区。,2.2 热分解反应,2 生物质气化的反应过程,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后，氧将参加反应而使温度迅速提高，从而加速完成热分解。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
7、气体可作为气体燃料使用，热值可达15MJ/m3。,2.2.1 热分解反应的特点,2 生物质气化的反应过程,2.2.1 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
8、度的升高而增加。,2 生物质气化的反应过程,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700900。 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。,2 生物质气化的反应过程, 水蒸汽还原的反应 CH2O(g) COH2；H-118.628KJ/mol C2H2O（g） C
9、O22H2；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
10、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。,2 生物质气化的反应过程,2 生物质气化的反应过程,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；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。,2 生物质气化的反应过程,CO变换反应 COH2O（g） H2 +CO2； H-43.514K
11、J/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 生物质气化的反应过程,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/molCO2 CO
12、2 ； H408.177KJ/mol,2 生物质气化的反应过程,气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸、低温干馏气体、炭黑。, 气化反应主要场所,氧化区,还原区,气化区,干燥区,裂解区, 干馏反应的主要场所,燃料准备区,热载体,气化过程要点,3 气化过程的几个基本参数,（1）比消耗量；（2）气体产率；（3）气化效率；（4）热效率；（5）燃气质量（6） 碳转换率；（7） 气化强度（8）气化炉输出功率,在评价生物质气化过程时，经常用到下列指标：,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
13、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。,3 气化过程的几个基本参数,（1）比消耗量,3 气化过程的几个基本参数,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； 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。,3 气化过程的几个基本参数,当量比：采用空气(
14、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0.250.30之间。为宜。此时燃气成分较好。原料水分大或挥发分低时应取上限，反之取下限。必要时应实验确定适宜的当量比。,生物质完全燃烧理论空气量可根据元素分析计算：,V为理论空气量(m3/kg) ；C为C元素含量%,实际空气需要量：,VL=V,（2）气体产率 气体产率是指单位质量的原料气化后所产生气体燃料在标准状态下的体积。相关因素：,3 气化过程的几个基本参数,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
15、、水分）越少、可燃组分越高，则气体产率越高。,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: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%。,3 气化过程的几个基本参数,（3）气化效率,3 气化过程的几个基本参数,（4）热效率,热效率为生成物的总热量与总耗热量之比。,（5）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。
16、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气中所占的体积分数，%。,3 气化过程的几个基本参数,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 碳转换率，%； Gv为气体产率（标准状态），m3/kg； CO2
17、、CO 、CH4 、CnHm分别为相应气体在气化气中所占 的体积分数，%； WCHxOy生物质原料的特征分子量。,（6）碳转化率,3 气化过程的几个基本参数,（7）气化强度,（8）气化炉输出功率,输出功率定义为单位时间产出的（燃气）热能。等于燃气产率与其热值之积。,一般而言下流式固定床气化炉功率较小，其次为上流式固定床，流化床气化炉功率较大。,4 气化效果的影响因素,1）原料性质原料水分、挥发性、灰分、C/H比、密度、物料形态等。2) 反应温度：最重要的影响因素 温度对燃气成分影响很大，一般而言温度升高时，“CO2降低”，其他成分升高，反应时间缩短，燃气产量增大。但温度太高会增加原料氧化量，增
18、加CO2，增加热损失，增加材料与设备成本。3） 进风强度进风量与传质效果的主要影响：燃烧温度、还原、干燥、热解、焦油的高温裂解、燃气热值。 4）炉内物料高度干燥层高度影响因素：原料形态与水分。水多、块大，层高增加。热解层高度影响因素：原料形态、挥发性。氧化层高度影响因素：供热强度、燃烧性能、气化剂、进风方式,第二节 气化技术与设备,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。,（1）技术类型,生物质气化,不使用气化介质,干馏气化,固体炭木
19、焦油木醋液气化气,使用介质气化,空气气化,氧气气化,水蒸气气化,水蒸气-氧气混合气化,氢气气化,空气气化：以空气为气化介质的自供热气化工艺系统。获得以CO为主的低热值燃气。,惰性N2全部保留，燃气热值较低（5MJ/m3左右）用于近距离燃烧或发电时，空气气化是最佳选择。我国目前使用最多的气化方式。,优点：设备简单，能源自给，,缺点：热值低，存储、输送成本高，应用受限制,（1）技术类型,（1）技术类型,氧气气化：氧气气化以氧气为气化介质的气化过程。其过程原理与空气气化相同。,优点：没有惰性氮气，在与空气气化相同的当量比下，反应温度提高，反应速率加快，设备容积减小，热效率提高，气体热值(约10MJ/
20、m3)提高一倍以上，热值与城市煤气相当。因此，可建立以生物质废弃物为原料的中小型生活供气系统，也可用作化工合成燃料的原料。,（1）技术类型,水蒸气气化：水蒸气气化是以水蒸气为气化介质的气化工艺。它不仅包括水蒸气和碳的还原反应，尚有CO与水蒸气的变换反应。C + H2O(g) CO + H2 H = +118.628 kJ /mol需要外供热源。,典型*的水蒸气气化的燃气组成（V%）,（1）技术类型,空气（氧气）-水蒸气气化：以空气（氧气）和水蒸气同时作为气化介质的气化过程。,* 水蒸气与生物质比为0.95,典型*情况下，氧气-水蒸气气化工艺的燃气成分（体积分数）,自供热系统,特点：,部分氧来源
21、于水蒸汽，减少了空气消耗量,H2与CH4含量较高,（1）技术类型,氢气气化：是使氢气同碳及水发生反应生成大量甲烷，形成高热值燃气（22.326MJ/m3标准状态气）的工艺。优点：高质量气体燃料，用途广泛，效率高。缺点：反应需在高温高压且具有氢源的条件下进行，条件苛刻，实际应用很少。,热分解气化：热解气化是将农作物秸秆在热解炉中进行隔绝空气干馏, 获得以CH4、H2为主的中热值可燃气, 同时获得木炭和木焦油等产品。这种方法既不用氧气也不用外加热源，气体热值可达到10.7 MJ/m3以上。,(2)不同气化技术的产物及用途,（3）气化工艺流程,主要工艺流程：经粗切碎后直接进入气化炉点燃分解，不需外热
22、源。燃气经提纯、净化后送至贮气柜，再经管道送至用户。,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。,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说是处于静止状态。固定床气化炉是一种传统的气化反应炉。按照气化介质的流动方向不同又分为：上流式（上流式）、下流式（下吸式）、横流式（横吸式）气化炉。,(1)下流式
23、固定床气化炉,生成的可燃气体是通过炉栅向下流动被吸出的，故称为下流式（下吸式）气化器。,气化器下部炉栅以下是灰室，炉栅与内胆构成一个承托的容纳原料的炉膛。炉栅上部内胆直径减小的区域为喉管区，是气化反应区。喉管区中部偏上位置布置有进风喷嘴，由气化系统后端的容积式风机的抽力来实现气化剂供给，使气化器在微负压条件下运行。,主要由内胆外壁和灰室组成,干燥层： 热解层：氧化层：还原层：,工作原理,结构,原料自重下降，气体下吸,脱水,挥发、裂解、碳化、气化、液化。,碳粒等燃烧供热，,碳粒、CO2 、水等还原形成燃气。,(1)下流式固定床气化炉,产出气体,最大特点是下吸流动方式。水蒸气、热解气、焦油等产物都
24、经过氧化层与还原层，利于焦油分解为可燃气体，利于水参与反应形成CO、CH4、H2等有可燃成分 ，国内气化站大多用此炉型。,特点,温度分布,干燥层250热解层500-700氧化层1000-1200还原层700-900,1200,800,400,下流式固定床气化的几种生物质的燃气成分,(1)下流式固定床气化炉,结构简单，有效层高度几乎不变，运行稳定性好。 负压操作可随时打开填料盖，操作方便。 燃气焦油含量低（气体中焦油在通过下部高温区时部分被裂解，）,气流下行方向与热气流升力相反，使风机功耗增加；可燃气须经过灰层和储灰室吸出，灰分较高；气体经高温层流出，出炉温度较高。若用于发电或集中供气时须进行除
25、灰或降温。需由缩小的喉口加强其燃烧速度，阻力较大，不便于设备的放大；因此不适于水分大、灰分高且易熔结的物料。,缺点,优点,(1)下流式固定床气化炉,(2)上流式固定床气化炉,气化剂（空气或水蒸汽）由气化炉底部经过炉栅进入气化器的氧化层（燃烧）并逐渐上升，而气化产出的可燃气体通过气化器内的各个反应区后从气化器上部出气口排出，故称为上流式（上吸式）气化器。气流流动方向与原料移动方向相反，故也称逆流式气化器。,(2)上流式固定床气化炉,上流式固定床气化炉工作原理,生物质原料从气化炉上部的加料装置送入炉内，整个料层由炉膛下部的炉栅支撑。炉底。气化剂从炉底下部的送风口进入炉内，由炉栅缝隙均匀分布、并渗入
26、料层底部区域的灰渣层，气化剂和灰渣进行热交换，气化剂被预热，灰渣被冷却。氧化层。气化剂随后上升至燃烧层，在燃烧层中和原料中炽热的炭发生氧化反应，放出大量的热量，可使炉内温度迅速上升到1000以上，这一部分热量可维持气化炉内的气化反应所需热量。,还原层。气流接着上升到还原层，此时气流中已没有氧气存在，燃烧层生成的CO2遇到炽热的炭被还原成CO；气化剂中的水蒸气被分解，生成H2和CO。此时进行的是吸热反应，使该区温度开始下降到700900。热分解层。还原区生成气体与气化剂中未反应部分一起继续上升，加热上部的原料层，使原料层发生热解，脱除挥发分，生成的木炭落入还原层。干燥层。混合气体还有很高的温度，
27、它们继续上升，将刚入炉的原料预热和干燥脱水，并使可燃气体的温度降低到100300,然后进入气化炉上部，经气化炉气体出口排出。,(2)上流式固定床气化炉,(2)上流式固定床气化炉,上流式气化炉特点,气化炉的热效率提高。燃气在经过热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，同时降低自身温度；热分解层和干燥层对燃气有一定的过滤作用，出炉燃气中灰分含量少；燃气中混有热分解析出的挥发物，发热量较高；氧化层位于气化器最底部，氧气供应充足，使底部木炭充分燃烧；气化燃气和热流同向，故工作时不必消耗很大的动力，启动容易；炉栅由于受到进风的冷却，工作比较可靠。,优点：,(2)上流式固定床气
28、化炉,上流式气化炉特点,燃气出口和进料品的位置接近，为防止燃气泄漏，必须采取密封措施；添料不方便；户用炉（微型炉）一般采用间断式加料方式；连续生产则需要专门的加料装置，而气闸叶片磨损后易导致密封不严漏气；燃气中挥发性物质如焦油等含量较多宜不易净化。,缺点：,(2)上流式固定床气化炉,上流式固定床气化炉的适用情况：,原则上适用于各类生物质物料，特别适用于木材等堆积密度较大的原料；可以使用较湿的物料，物料含水量可达50%，并对原料尺寸要求不高，但不适用于焦油含量高的物料；气化剂是通过炉栅空隙进入炉内的，气流流速较低，燃烧速度也低，不适于燃用不易燃烧的燃料。一般用于粗燃气无需冷却和净化就可直接使用的
29、场合，可直接作为锅炉或加热炉的燃料，或向系统提供工艺热源。,(3)横流式固定床气化炉,空气由侧方向供给，产出气体由侧向流出。气流横向通过燃烧气化区。主要用于木炭气化，反应温度很高。 在南美洲应用广泛并投入商业运行。,(3)横流式固定床气化炉,原料,燃气,空气,干燥层 热解层氧化层 还原层,灰室,横流式固定床气化炉,性能特点：结构紧凑，启动快，负荷适应能力强。燃料在炉内停留时间短，且炉中还原层容积很小，影响燃气质量；炉中心温度可达2000，超过了灰分的熔点，易造成结渣。,(4)开心式固定床气化炉,也称层式下吸式固定床气化炉。结构特点：同下流式气化炉相似，气流同物料一起向下流动，但是没有缩口，由中
30、心向上搭起的转动炉栅代替了喉管区。由我国于50年代初研制的，主要用于稻壳气化，已投入商业运行多年。,性能特点：空气能均匀地进入反应层，使反应温度沿反应截面的径向分布一致，生产强度高；气、固同向流动，有利于焦油裂解；结构简单，加料操作方便，而且运行可靠。,（二）流化床气化炉,在管形炉体下部装置一块多孔的水平分布板（布风板），颗粒状的流化介质和燃料堆放在板上，在吹入的气化剂作用下，带动固体像流体一样运动，使生物质物料在炉内呈沸腾状态，在高温下生成气体。,基本概念流化床气化,流化床气化炉,示意图,（二）流化床气化炉,流化床气化炉,床层：流化介质颗粒和燃料颗粒堆放在布风板上形成的固体层称为床层，简称为
31、床。流态化：当流体流过固体颗粒层时，带动固体像流体一样运动，此现象称为流态化。,（二）流化床气化炉,流化床气化炉中，一般采用惰性热介质（沙子等），作为流化介质来增加传热效率；也可采用非惰性材料（石灰或催化剂），促进气化反应，也可不用气化介质。是惟一的在恒温床上反应的气化器。通过控制运行参数可使流化床床温保持在结渣温度以下，床层只要保持均匀流化就可使床层保持等温，这样可避免局部燃烧高温。,流化床气化炉特点：,（二）流化床气化炉,原料适应性广。可用于水分含量大、热值低、着火困难的生物质原料。反应速度快，产气率高。物料颗粒、流化介质和气化介质接触充分，受热均匀，氧化反应和焦油裂解都在床内进行；可大规
32、模、高效利用。流化床气化炉良好的混合特性和较高的气固反应速率使其非常适合于大型的工业供气系统。,（二）流化床气化炉,（3）流化床气化过程：,固定床阶段。首先通过外加热达到运行温度，床料吸收并贮存热量。流化床阶段。鼓入气化炉的适量空气经布风板均匀分布后将床料流化，床料的湍流流动和混合使整个床保持一个恒定的温度。流体输送阶段。当合适粒度的生物质燃料经供料装置加入到流化床中时，与高温床料迅速混合，在布风板以上的一定空间内激烈翻滚，在常压条件下迅速完成干燥、热解、燃烧及气化反应过程，使之在等温条件下实现了能量转化，从而生产出需要的燃气。,（二）流化床气化炉,（4）类型,按气化器结构和气化过程，可分为四
33、种类型：,鼓泡流化床循环流化床双流化床携带床流化床,（二）流化床气化炉,鼓泡流化床（沸腾床）：是最简单的流化床气化器。气化方式：生物质原料在分布板上部被直接输送到炽热沙床中热分解生成炭和挥发分。特点：大分子的挥发分在炽热的床层中会进一步裂解成小分子气体，生成的气化燃气中焦油含量少。气化燃气直接由气化器出口送入净化系统中。气化炉中气流速度相对较低，几乎没有固体颗粒从流化床中逸出。通过调节气化剂的比消耗量，流化床温度控制在800900左右。,（二）流化床气化炉,循环流化床：与鼓泡流化床的主要区别循环流化床气化炉中流动速度相对较高，使产出的燃气中含有大量固体颗粒。结构特点：在气化燃气出口处设有旋风分
34、离器，从流化床中携带出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。,（二）流化床气化炉,鼓风机,螺旋进料器,料箱,燃气,循环流化床气化炉示意图,旋风分离器等,反应物中常掺有精选惰性砂粒等填料。吹入气化剂使填料与原料充分接触、流化、燃烧、传热传质。优点：动力学条件好，气化速度快、燃气得率高、焦油含量少。缺点：灰分高、设备复杂、投资大。,（二）流化床气化炉,循环流化床的技术特点：气化过程中流化速度由所供给的空气量保持。一般生物质气化所需的空气量是完全燃烧的20%30%。为保持较高的流化速度，一方面气化器相对截面不能太大，另一方面要求生物质颗粒的直径较小。循环流化床是目前商业化应用最多的流
35、化床气化器。,（二）流化床气化炉,双流化气化床：分为两个组成部分：一部分是气化炉，另一部分是燃烧炉。气化炉中产出的燃气经分离后，沙子和炭粒流入燃烧炉中，在这里炭粒燃烧，将沙子加热，灼热的沙子再返回到气化炉中，以补充气化炉所需的热量。,（二）流化床气化炉,双流化气化床特点：双流化系统中燃烧和气化的过程分开进行，燃烧炉采用鼓泡床或循环床，用空气鼓风，燃烧温度为900950；气化炉用蒸汽鼓风，运行温度为800850。系统的关键：双流化系统中，两床间有足够稳定的物料循环量以保证有足够连续的热量供气化吸热所需是该系统的关键，也是其技术难点。,（二）流化床气化炉,携带床气化炉：是流化床气化炉的一种特例。该
36、床不使用惰性材料，提供的气化剂直接吹动生物质原料。携带床气化炉要求原料破碎成细小颗粒，其运行温度高达1100以上，产出气体中焦油成分及冷凝物含量很低，碳转化率可达100%。由于运行温度高易烧结，故携带床气化炉选材较难。,固定床气化炉与流化床气化炉性能比较,3 生物质气化过程中的影响因素,生物质物料特性的影响气化条件与工艺相同而物料特性不同，其气化产物也各有差异。不同生物质原料的热值、水分、挥发分、灰分以及元素组成各不相同，这些差异造成了气化产气结果的变化。通过对物料含水率、粒度、料层厚度及物料种类等因素的调整，可得到不同的气化效果。另外，原料的黏结性、结渣性、灰熔温度等对气化炉及过程影响较大，
37、气化温度受其限制最为明显。,3 生物质气化过程中的影响因素,气化温度的影响温度是热解和气化的关键控制变量之一。主要的气化反应温度为7001000。随着气化温度的增大，气化产气量也逐渐增大，燃气组分中的可燃组分浓度增大，气体热值增大。气化温度过低，易造成气化产气热值小，焦油产量大等问题；气化温度过高，也不利于高热值气化气的生成，而且能量损耗大。,3 生物质气化过程中的影响因素,高温有利于H2浓度的增加，CO浓度稍有降低。H2/CO随反应温度的增大而增大。在750850的气化条件下，气化气热值有先升高后降低的趋势。故要获得高热值的气体，气化温度应控制在800左右。但在小于800时，气化产气中的H2
38、浓度低于CO，当温度高于800后，H2浓度逐渐高于CO浓度。因为温度升高将导致热解反应的二次裂解速率加快，增加了H2、CO和烃类物质增加，焦油裂解速率也会加快。,3 生物质气化过程中的影响因素,气化介质的影响气化剂量直接影响到反应器的运行速率与气化气的停留时间，从而影响燃气品质与产率。目前采用的气化介质主要有4种：空气气化、富氧气化、空气-水蒸气气化、水蒸气气化。,3 生物质气化过程中的影响因素,生物质粒径的影响粒径大小在300m1 mm，高温下较小粒径之间的气化差异表现并不明显；但对粒径大于1 mm的颗粒，随着反应温度的升高，气体产率逐渐增大，但是总体上小于小粒径的产气率。表明：随着粒径的增
39、大，颗粒表面和内部的热传递的效果变差而逐渐成为限制因素。气化产气量及组分与生物颗粒的升温速率有关：高升温速率会产生较多的小分子气体，较少的焦炭及焦油，主要是由于小颗粒具有较大的比表面积因此升温速率较快。,3 生物质气化过程中的影响因素,气化过程中ER较合适的取值范围一般为0.190.43。适当的ER可以实现气化过程的自热反应，减少外来能源的输入。这是气化工艺追求的目标之一。对下吸式气化炉来讲当ER=0.38时，气化效果达到最优，单位燃料的产气量随当量比呈线性增加关系。在ER=0.25、0.30和0.35三种条件下，流化床反应器气化中，流化速率为0.22 m/s的条件下，ER=0.25为气化的最
40、优当量比。气化炉温度随着当量比的增加而增加。主要原因是部分燃烧释放出的温度大于系统的热损失。较大的ER也使气化产气的热值以及H2、CO含量降低。这是由于氧气在与生物质反应的同时，也部分与气化产生的H2、CO、CH4等可燃气体发生氧化反应，从而造成了燃气品质的下降,当量比（ER）的影响,3 生物质气化过程中的影响因素, S/B的影响S/B是指气化过程中的水蒸气与生物质量之比。水蒸气作为气化介质有几个特点：水蒸气参与反应可以大大提高气化产气中的氢气含量；可以改善燃气品质，增加燃气热值；由于水蒸气参与的反应大多为吸热反应，因此需要和氧气混合使用，或者增加外来能源。,3 生物质气化过程中的影响因素,S
41、/B的影响研究发现，S/B比值在0.40.8，生产量和产能增加明显，但在高S/B时，气体产量接近常量。S/B值为1.2比为0.8时产气有较小的降低，气体中CO、CO2和CH4变化较小。研究表明，随着S/B的增加产气量也随着增加，但焦油和木炭则出现减少。增加的气体产量来源于水蒸气作用焦油的重整、裂解和焦炭的还原反应。,4 各类气化炉性能及主要参数,1）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 一般固定床的气化强度为100-250kg/m2h， 流化床的气化强度可高达2000kg/m2h2）燃气质量主要内容为焦油含量、热值、灰分、CO比例等。焦油含量大体为：上流式固定床 下流式固定床
42、流化床灰分含量大体为：上流式固定床 下流式固定床 流化床燃气热值大体为：氢气-燃气 氧气或水蒸气-燃气 空气-燃气,一. 性能指标：,4 各类气化炉性能及主要参数,3) 气体产率（m3/kg）单位质量生物质原料气化后生成的燃气体积。也就是燃气得率 。,气化气的低热值简化计算式：Qv=126CO+108H2+359CH4+665CnHm kJ/m3CO、H2等为体积分数,4) 碳转换率 生物质原料中的C转换到气化气中的份额。,4 各类气化炉性能及主要参数,5）气化效率单位生物质原料转换成的气体燃料的化学能（热能）与生物质原料的热值之比。,气化效率Vm燃气得率 m3/kg（标态下）Hm燃气低位热值
43、 kJ/m3H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%,4 各类气化炉性能及主要参数,6）当量比自供热系统中，单位生物质气化的空气消耗量与其完全燃烧时所需理论空气量之比。,V为理论空气量(m3/kg) ；C为C元素含量%,一般当量比=0.250.3 为宜。此时燃气成分较好。原料水分大或挥发分低时应取上限，反之取下限。必要时应实验确定适宜的当量比,VL=V,生物质完全燃烧理论空气量可根据元素分析计算：,实际空气需要量：,4 各类气化炉性能及主要参数,7）气化炉输出功率输出功率定义为单位时间产出的（燃气）热能。等于燃气产率与其热值
44、之积。,一般而言下流式固定床气化炉功率较小，其次为上流式固定床，流化床气化炉功率较大。,4 各类气化炉性能及主要参数,二. 气化效果的影响因素,1) 反应温度：最重要的影响因素。 温度对燃气成分影响很大，一般而言温度升高时，“CO2降低”，其他成分升高，反应时间缩短，燃气产量增大。但温度太高会增加原料氧化量，增加CO2，增加热损失，增加材料与设备成本。,2） 进风强度进风量与传质效果的主要影响：燃烧温度、还原、干燥、热解、焦油的高温裂解、燃气热值。,4 各类气化炉性能及主要参数,3 ）炉内物料高度干燥层高度影响因素：原料形态与水分。水多、块大，层高增加。热解层高度影响因素：原料形态、挥发性。氧
45、化层高度影响因素：供热强度、燃烧性能、气化剂、进风方式,4 ）原料性质原料水分、挥发性、灰分、C/H比、密度、物料形态等,5生物质气化技术中的几个问题,1）规模问题,技术还不够成熟,原料分散、季节性很强,制约因素,气化工程应用规模较小,5 生物质气化技术中的几个问题,3）二次污染问题,含焦油、氨、酚、萘、硫化氢等污染物一氧化碳毒性高,2）燃气质量问题,储存、输送、净化、防腐等成本,湿法干湿法结合净化燃气,污水,热值低，,5 生物质气化技术中的几个问题,我国没有严格管理小型气化站的废水处理，污水问题是秸秆气化必须考虑的重要技术问题,工业化的煤制气厂的废水处理在发达国家受到严格控制，在我国也有日益
46、严格的管理要求与排放标准。比如煤制气厂脱酚方法：,溶剂萃取脱酚,活性污泥脱酚,活性炭吸附脱酚,含酚废水的三级治理,COD、酚、硫、氰等均达标排放,5 生物质气化技术中的几个问题,几种典型燃气的低位热值,5 生物质气化技术中的几个问题,秸秆的热值（kJ/kg）,5 生物质气化技术中的几个问题,秸秆原料的工业分析（%）,第三节 生物质燃气的 净化与利用,1 生物质燃气中的主要成份,生物质气化生成的燃气含有各种各样的杂质，其含量与原料特性、气化炉的形式关系很大。燃气中的各种杂质特性,2 生物质燃气的净化,燃气净化的目标:根据气化工艺的特点，设计合理有效的杂质去除工艺，保证后续利用设备不会因杂质造成磨
47、损腐蚀和污染等问题。,2 生物质燃气的净化,1）燃气除尘,一般采用旋风除尘处理，剩余细小灰尘在后续的焦油处理可得以除去,离心分离、分凝器、冷凝器、过滤等。方法多，技术成熟。,2）燃气脱水,3）除焦油,焦油主要由苯的衍生物构成，成分多而复杂。苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、萘、酚等为其主要成分。,燃气,燃气,尘粒,旋风除尘过程示意图,进口燃气流速突然降低，颗粒物与壁面或铁屑等添加物碰撞摩擦、失去动能下落,（一）燃气中的灰分与水分的去除,（1）灰分的去除主要方式：燃气中的灰尘经旋风分离器或袋式分离器被分离一部分；余下的细小灰尘将在处理焦油的过程中被除掉。,内置风机滤筒除尘器示意图,滤筒除尘器,旋风分离清
48、除灰尘的过程：从气化炉出来的燃气沿切线方向进入旋风分离器，由于容器内空间大，流速降低，加之灰尘与内壁的摩擦，较大的尘粒在重力作用下落底。为提高除尘效果，有的旋风分离器中放入机械加工产生的铁屑。经过一段时间，需更换或清洗铁屑。,（一）燃气中的灰分与水分的去除,机械式除尘类,燃气,燃气,尘粒,燃气进入容器，流速突然降低，颗粒物再与壁面或铁屑等添加物碰撞摩擦、失去动能，受重力作用下落,旋风除尘形式,惯性除尘形式,净化气,洗涤水,粗燃气,污水,水分离箱,喷射器,喷射器,喷射洗涤器,优点: 效率高，可脱除1微米以上的杂质颗粒,缺点：动力消耗较大（喷射器喉部气体流速在30m/s以上）,可内设挡板、筛网等水
49、汽分离部件,湿式分离类,粗燃气,净化气,挡水板,喷管,污水,冲击（水浴）式分离器,优点：结构简单，成本低；动力消耗少。,气体流速：5 14 m/s喷口与水面相对位置： -100 50mm（负值表示插入水中，为水浴式）,主要影响因素：,（一）燃气中的灰分与水分的去除,水分的去除气水分离器脱水（隔板冷凝式、离心式）、冷凝脱水隔板冷凝脱水式气水分离器：在特制的容器中装有多个叶片，形成曲折的流道，燃气流经容器的过程中，多次冲击叶片，形成水滴沿板流下。,（一）燃气中的灰分与水分的去除,离心式气水分离器：在燃气流道中安装高速旋转的风机，用离心力将水分分离。工作原理：含有液态冷凝液的燃气在经过叶轮后，其流向
50、由垂直向下变为沿过滤器壁的圆周运动，这样冷凝液在离心作用下被甩到侧壁上，然后在重力作用下流到壳体底部，并最终排出；,（一）燃气中的灰分与水分的去除,冷凝脱水：在输气管道的低处设集水井，燃气沿管道流动中降温，水汽凝结在管道壁上，沿管道流入集水井。定期将凝水排出。,（一）燃气中的灰分与水分的去除,（二）燃气中的焦油及其去除,焦油的特点：焦油的成分十分复杂，可以分析出成分有200多种，主要成分不少于20种，大部分是苯的衍生物，主要是苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚等。气化过程中影响焦油生成的因素：反应温度、加热速率、气化过程的滞留期长短通常反应温度在500时焦油产量最高；滞留期延长，焦油因裂解充
