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1、,3 生物质的热解气化 王孝强,生物质能工程，32学时,3.1气化的基本原理,20世纪70年代，Gahly等首次提出了将气化技术用于生物质这种含能密度低的燃料。生物质气化是生物质转化过程最新的技术之一。生物质原料通常含有7090挥发分，这就意味着生物质受热后，在相对较低的温度下就有相当量的固态燃料转化为挥发分物质析出。由于生物质这种独特的性质，气化技术非常适用于生物质原料的转化。不同于完全氧化的燃烧反应，气化通过两个连续反应过程将生物质中的碳的内在能量转化为可燃烧气体，生成的高品位的燃料气既可以供生产、生活直接燃用，也可以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
2、。生物质气化的一个重要特征是反应温度低至600650，因此可以消除在生物质燃料燃烧过程中发生灰的结渣、团聚等运行难题。生物质气化采用的技术路线种类繁多，可从不同的角度对其进行分类。根据燃气生产机理可分为热解气化和反应性气化，其中后者又可根据反应气氛的不同细分为空气气化、水蒸气气化、氧气气化、氢气及其这些气体的混合物的气化。根据采用的气化反应器的不同又可分为,3.1气化的基本原理,固定床气化、流化床气化和气流床气化。另外，还可以根据气化规模的大小、气化反应压力的不同对气化技术进行分类。在气化过程中使用不同的气化剂、采取不同的运行方法以及过程运行条件，可以得到三种不同质量的气化产品气。三种类型的气
3、化产品气有着不同的热值(CV)：低热值(LowCV)46MJNm3(使用空气和蒸汽空气)；中热值(MediumCV)l218MJNm3(使用氧气和蒸汽)；高热值(HighCV)40MJNm3(使用氢气或者是氢化)。,3.1气化的基本原理,气化的基本原理 为了清楚的描述气化过程，我们将以上吸式固定床气化炉（如图所示）为例，具体分析生物质的气化过程。1.生物质的干燥 在气化炉的最上层为干燥区，从上面加入的生物质燃料直接进入到燥区湿物料在这里同下面三个反应区生成的热气体产物进行换热，使原料中的水分蒸发出去，生物质物料由含有一定水分的原料转变为干物料。干燥区的温度大约为100-250度。干燥区的产物为
4、干物料和水蒸气，水蒸气随着下述的三个反应区的产物排出气化炉，而干物料则落入裂解区。,3.1气化的基本原理,2.裂解反应 在氧化区和还原区生成的热气体，在上行过程中经过裂解层，将生物质加热。由前面叙述的气化原理可知，生物质受热后发生裂解反应。在反应中，生物质中大部分的挥发分从固体中分离出去。由于生物质的裂解需要大量的热量，在裂解区温度已降到400-600度。裂解反应方程式为 当然，在裂解反应中还有少量烃类物质的产生。裂解区的主要产物为炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油及其他烃类物质等，这些热气体继续上升，进入到干燥区，而炭则进入下面的还原区3.还原反应 在还原区已没有氧气存在，在氧
5、化反应中生成的二氧化碳着这里同炭及水蒸气发生还原反应，生成一氧化碳和氢气。由于还原反应是吸热反应，还原区的温度也相应降低，约700-900度，其还原反应方程式为：,3.1气化的基本原理,还原区的主要产物为一氧化碳、二氧化碳和氢气，这些热气体同氧化区生成的部分热气体进入上部裂解区，而没有反应完的炭则落入氧化区。4.氧化反应 气化剂由气化炉的底部进入，在经过灰渣层时与热灰渣进行换热，被加热的热气体进入气化炉底部的氧化区，在这里同炽热的炭发生燃烧反应，生成二氧化碳，同时放出热量。由于是限氧燃烧，氧气的供给是不充分的，因而不完全燃烧反应同时发生，生成一氧化碳，同时也放出热量。在氧化区，温度可达到100
6、0-1200度，反应方程式为：,3.1气化的基本原理,在氧化区进行的均为燃烧反应，并放出热量，也正是这部分反应热为还原区的还原反应、燃烧的裂解和干燥提供了热源。在氧化区中生成的热气体（一氧化碳和二氧化碳）进入气化炉的还原区，灰则落入下部的灰室中。通常把氧化区及还原区合起来称作气化区，气化反应主要在这里进行；而裂解反应及干燥区则统称为燃料准备区或叫做燃料预处理区。这里的反应是按照干馏的原理进行的，其载热体来自气化区的热气体。如上所叙，在气化炉内截然分为几个区的情况实际上并不如此。事实上，一个区可以局部地渗入另一个区，由于这个缘故，所述过程多多少少有一部分是可以相互交错进行的。气化过程的几个基本参
7、数1.当量比当量比指自供热气化系统中，单位生物质在气化过程所消耗的空气（氧气）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。当量比大，说明气化过程消耗的氧量多，反应温度升高，,3.1气化的基本原理,有利于气化反应的进行，但燃烧的生物质份额增加，产生的二氧化碳量增加，使气体质量下降，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之间。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。3.气体热值 气体热值是指单位体积气体燃料所包含的化学能。气体燃料的低值简化计算公式为：,3.1气化的基本原理,4.气化效率
8、气化效率是指生物质气化后生成气体的总热量与气化原料的总热量之比。它是衡量气化过程的重要指标。5.热效率 热效率为生成物的总热量与总耗热量之比。6.碳转换率 碳转换率是指生物质燃料中的碳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。它是衡量气化效果的指标之一。,3.1气化的基本原理,7.生产强度 生产强度是指单位时间内每单位反应炉截面积处理原料的能力。气化过程中的综合影响因素 气化反应是一个非常复杂的热化学过程，这个过程受很多影响因素的影响。例如反应温度、反应压力、物料特性、气化设备结构等。不同的气化条件，气化产物变化很大，图2-7显示了反应温度对气体成分及热值的影响。图2-8显
9、示了反应温度对气体产量的影响。表2-10则表示不同生物质气化后燃气的成分。,3.1气化的基本原理,注：1kcal是一千卡，1kcal=4.17kJ,3.1气化的基本原理,气化技术分类 生物质气化有多种形式，如果按气体介质分，可分为使用气化介质和不使用气化介质两种，不使用气化介质有干馏气化；使用气化介质则分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、水蒸气-氧气混合气化和氢气气化等。,3.1气化的基本原理,1.干馏气化 干馏气化其实是热解气体的一种特例，它是在完全无氧或只提供极有限的氧使气化不至于大量发生情况下进行的生物质热解，也可描述成生物质的部分气化。它主要是生物质的挥发分在一定温度作用下进行挥发，生
10、成四种产物：固体炭、木焦油和木醋液（可凝挥发物）与气化气,3.1气化的基本原理,（不可凝挥发物）。按热解温度可分为低温热解（600度以下）、中文热解（600-900度）和高温热解（900度以上）。2.空气气化 以空气为气化介质的气化过程。空气中的氧气与生物质中的可燃组分进行氧化反应，产生可燃气，反应过程中放出的热量为气化反应的其他过程即热分解与还原过程提供所需的热量，整个气化过程是一个自供热系统。但由于空气中含有79%的氮气，它不参加气化反应，却稀释了燃气中可燃组分的含量，其气化气中氮气含量50%左右，因而降低了燃气的热值气体。由于空气可以任意取得，空气气化过程又不需外供热源，所以，空气气化是
11、所有气化过程中最简单也最易实现的形式，因而这种气化技术应用较普遍。3.氧气气化 氧气气化是指向生物质燃料提供一定氧气，使之进行氧化还原反应，产生可燃气，但没有惰性气体氮气，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，反应器容积减小，热效率提高，气化气,3.1气化的基本原理,热值提高一倍以上。在与空气气化相同反应温度下，耗氧量减少，当量比降低，因而也提高了气体质量。氧气气化的气体产生物热值与城市煤气相当。在该反应中应控制氧气供给量，既保证生物质全部反应所需要的热量，又不能使生物质同过量的氧反应生成过多的二氧化碳。氧气气化生成的可燃气体的主要成分为一氧化碳、氢气及甲烷等。4.水蒸气气化
12、 水蒸气气化是指水蒸气同高温下的生物质发生反应，它不仅包括水蒸气-碳的还原反应，尚还有CO与水蒸气的变换反应等各种甲烷化反应以及生物质在气化炉内的热分解反应等，其主要气化反应是吸热反应过程，因此水蒸气气化的热源来自外部的热源及蒸汽本身热源，但反应温度不能过高，该技术较复杂，不易控制和操作。5.水蒸气-氧气混合气化 水蒸气-氧气混合气化是指空气（氧气）和水蒸气同时作为气化介质的气化过程。从理论上分析，空气（或氧气）-水蒸气气化是比单用空气或单用水蒸气都优越的气化方法。一方面，它是自供热系统，不需要负,3.1气化的基本原理,杂的外供热源；另一方面，气化所需要的一部分氧气可由水蒸气提供，减少了空气（
13、或氧气）消耗量，并生成更多的氢气及碳氢化合物，特别是在催化剂存在的条件下，一氧化碳变成二氧化碳反应的进行，降低了气体中一氧化碳的含量，使气体燃料更适合于用作城市燃气。6.氢气气化 氢气气化是指使氨气同碳及水发生反应生成大量的甲烷的过程，其反应条件苛刻，需在高温高压且具有氢源的条件下进行。此类气化不常用。,3.1气化的基本原理,生物质气化燃气的特点 这里把生物质燃气同城市燃气做一个对比，了解它们的不同之处，以便正确的使用生物质燃气。尽管可以采用各种气化剂对生物质进行气化，但在目前应用最多的、技术较成熟的还是以空气为气化介质的空气气化。空气气化最主要的特点就是产出气体中氮气的比例比较高，因而气体热
14、值也就偏低，在生物质燃气中主要可燃成分为一氧化碳和氢气及少量甲烷。而普通煤气中的甲烷及其他烃类的碳氢化合物占绝大部分比例，因而热值较高。,3.1气化的基本原理,3.1气化的基本原理,3.1气化的基本原理,从表可以看出生物质燃气在理化及燃烧特性上与工业燃气相比有较大的不同。如燃气中氮气含量高、热值较低、燃烧所需理论空气量较少、着火浓度极限（爆炸极限）较高等。,3.1气化的基本原理,生物质燃气不同于普通煤气的另外一个特点是净化效果。通常来讲，普通煤气的净化都非常好，它的规模大，因此，净化系统也较复杂完善，处理后的气体也很干净。而生物质气化一般规模都不是很大，因而净化系统也相对简单一些，其净化效果较
15、普通煤气差一些，这一点在应用时影响较大。,3.2气化炉及设计举例,概述 气化炉的定义：用来气化固体燃料的设备叫做气化炉。气化炉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。生物质气化炉可以分为固定床气化炉和流化床气化炉两种类型，而固定床气化炉和流化床气化炉又都有多重不同形式。,3.2气化炉及设计举例,所谓固定床气化炉，是指气流在通过物料层时，物料相对于气流来说，处于静止状态，因此称作固定床。一般情况下，固定床气化炉适用于物料为块状及大颗粒原料。固定床气化炉具有以下优点：制造简便，有很少的运行部件；较高的热效率。其缺点为：内部过程难于控制；内部物质容易搭桥形成空腔；处理
16、量小。根据气化炉内气流运动的方向，固定床气化炉又可分为下吸式气化炉、上吸式气化炉、横吸式气化炉及开心式气化炉四种类型。在流化床气化炉中，一般采用沙子作为流化介质（也可不用），由气化炉底部吹入的、向上流动的强气流使沙子和生物质物料的运行就像是液体沸腾一样的漂浮起来。所以，流化床有时也叫沸腾床。流化床气化炉具有气、固接触，混合均匀的优点，是唯一在恒温床上反应的气化炉，反应温度一般为750-850度。流化介质一般选用惰性材料（如沙子）或非惰性材料（石灰或催化剂），可增加传热效率及促进气化反应。流化床气化炉适合水分含量大、热值低、高效利用、着火困难的生物质原料，原料适应性广，可大规模、高效利用。按气化炉结构和气化过程，,1,2,1,2,3,3.2气化炉及设计举例,可将流化床气化炉分为单床气化炉、双床气化炉、循环流化床气化炉及携带床气化炉四种类型。固定床气化炉1.下吸式固定床气化炉,
