生物质气化技术

1、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 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

2、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 原料原料气化气成分（气化气成分（%）低热值低热值 CO2O2COH2CH4CmHnN2kJ/m3 玉米芯玉米芯221.422.512.32.320.248.785.120 玉米秸玉米秸131.621.412.21.870.249.684.809 棉柴棉柴11.61.522.711.51.920.250.584.916 稻草稻草13.51.71512.02.100.155.604.002 麦秸麦秸141.717.68.51.360.156.743.664

3、* *下吸式空气气化炉的气化气成分下吸式空气气化炉的气化气成分 可燃成份以可燃成份以CO和和H2为主，约占为主，约占2535%。N2约约50% 生物质气化气的主要用途生物质气化气的主要用途 1）民用炊事与取暖）民用炊事与取暖 2）烘干谷物、木材、果品、炒茶等）烘干谷物、木材、果品、炒茶等 3）发电）发电 4）区域供热等）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

4、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 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 干燥层干燥层 100250 热解层热解层 300 500 800 还原层还原层 900 氧化层氧化层

5、1200 湿料湿料气体气体 灰灰空气空气 以上吸式固定床气化炉为例。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、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，分形式排出。而气化剂从底部吹入， 与生物质物料走向相反。与生物质物料走向相反。 反应炉工艺结构设计的重要原则：合反应炉工艺结构设计的重要原则：合 理的温度分布理的温度分布 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 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、

6、 还原区、 氧化区 四个区（层） 燃料燃料 准备区准备区 气化区气化区 生物质气化机理示意 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 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 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 气化炉的最上层为干燥区。气化炉的最上层为干燥区。 生物质的干燥生物质的干燥 气气 体体 高温气流高温气流 干燥层干燥层 100250 湿料

7、湿料 干干 物物 水水 分分 氧化层燃烧氧化层燃烧 干燥区温度约为干燥区温度约为100250。 湿料同来自下面三个反应区的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体换热，蒸发水蒸气随着 热气流上升排出气化炉，干物热气流上升排出气化炉，干物 料落入裂解区。料落入裂解区。 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 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。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，温度降到裂解需要大量热量，温度降到400600。裂解反应方程式为：。裂解反应方程式为： CH1.4O0.6=0.64C+0.44H

8、2+0.15H2O+0.17CO+0.13CO2+0.005CH4 裂解区主要产物：裂解区主要产物：C、H2、H2O、CO、CO2、CH4、焦油和烃、焦油和烃 类等类等。 此后热气体上升到干燥区，而炭则下降到还原区。此后热气体上升到干燥区，而炭则下降到还原区。 2.2 热分解反应热分解反应 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 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

9、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。 2.2.1 热分解反应的特点 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 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

10、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 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 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 l 是强烈的吸热反应，故温度愈高，CO2还原愈彻底。 l 正向反应体积

11、增加，故压力增大使CO平衡含量减少。 l 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 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 水蒸汽还原的反应 CH2O(g) COH2；H-118.628KJ/mol C2H2O（g） CO22H2；H-75.114KJ/mol l 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。 l 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 l 生物质气化可燃气中的甲烷，一部分来源于生物质热分

12、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 l 上述都是体积缩小的放热反应。 l 常压下甲烷生成反应速率很低，高压有利于反应进行。 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 甲烷生成反应 C2H2O（g） CH4 +CO2； H677.286KJ/mol l 是强烈的放热反应。 甲烷是稳定的化合物

13、，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。 l 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 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 CO变换反应 COH2O（g） H2 +CO2； H-43.514KJ/mol l 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。 l 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

14、。 l 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 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 2.4 氧化反应 l 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。 l 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。 l 2CO2 2CO ； H246.034KJ/mol CO2 CO2 ； H408.177KJ/mol 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂

15、解产物，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。如焦油、醋酸、低温干馏气体、炭黑。 气化反应主要场所气化反应主要场所 氧化区氧化区 还原区还原区 气化区气化区 干燥区干燥区 裂解区裂解区 干馏反应的主要场所干馏反应的主要场所燃料准备区燃料准备区 热载体热载体 气化过程要点气化过程要点 3 3 气化过程的几个基本参数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

16、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。 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数 （1）比消耗量 3 3 气化过程的几个基本参数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

17、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 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数 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0.250.30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= （1.866C+5.55H+0.7S+0

18、.7O） 0.21 1 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 3 气化过程的几个基本参数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、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。 0 0 100 b gv Q QG 式中式中: 气化效率气化效率，%； Gv为为每千克原料产出的燃气量（标准状态），每千克原料产出的燃气量（标准状态

19、），(m3/kg)，一般为，一般为2.02.2； Qg为为燃气（标准状态）低位热值，燃气（标准状态）低位热值，kJ/m3； Qb为为原料低位热值，原料低位热值，kJ/kg。 国家行业标准规定国家行业标准规定 70%。国内固定床气化炉通常为。国内固定床气化炉通常为70% 75%；流化床气化炉可达；流化床气化炉可达78%。 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数 （3）气化效率 3 3 气化过程的几个基本参数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。 其中CO、H

20、2、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 3 气化过程的几个基本参数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：式中：c 碳碳转换率，转换率，%； Gv为为气

21、体产率（标准状态），气体产率（标准状态），m3/kg； CO2 、CO 、CH4 、CnHm分别分别为相应气体在气化气中所占为相应气体在气化气中所占 的体的体 积分数，积分数，%； WCHxOy生物质生物质原料的特征分子量。原料的特征分子量。 v OCH HCCHCOCO C G W yx mn )5 . 2(12 42 （6）碳转化率 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数 （7）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。 单位时间处理原料量（kg/h） 反应炉总截面积（m2） 气化强度kg/ (m2 h) = （8）气化炉输出功率 输出功率定义为单位时间产出的（燃

22、气）热能。等于燃气产 率与其热值之积。 燃气产率m3/h 热值kJ/m3功率 = 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 4 气化效果的影响因素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

23、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 1 1 气化技术气化技术 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 固体炭固体炭 木焦油木焦油 木醋液木醋液 气化气气化气 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：空气气化

24、： 以空气为气化介质的自供热气化工艺系统。获得以以空气为气化介质的自供热气化工艺系统。获得以CO为主的为主的 低热值燃气。低热值燃气。 惰性惰性N2全部保留，燃气热值较低（全部保留，燃气热值较低（5MJ/m3左右）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。最多的气化方式。 优点：优点：设备简单，能源自给设备简单，能源自给， 缺点：缺点：热值低，存储、输送成本高，应用受限制热值低，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： 氧气气化以氧气为气化介质的气化过程。其

25、过程原理与空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。相同。 优点：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，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，气体热值反应速率加快，设备容积减小，热效率提高，气体热值(约约 10MJ/m3)提高一倍以上，热值与城市煤气相当。因此，可建立以提高一倍以上，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。燃料的原料。 （1）技术类型 水蒸气气

26、化：水蒸气气化： 水蒸气气化是以水蒸气为气化介质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的气化工艺。它不仅包括水蒸气和 碳的还原反应，尚有碳的还原反应，尚有CO与水蒸气与水蒸气 的变换反应。的变换反应。 C + H2O(g) CO + H2 H = +118.628 kJ /mol 需要外供热源。需要外供热源。 H2CO2COCH4CnHm低热值 20-2616-2328-4210-206-7%17-21 (MJ/m3) 典型典型*的水蒸气气化的燃气组成（的水蒸气气化的燃气组成（V%） 螺旋进料器螺旋进料器 料箱料箱 燃气燃气 示意图示意图 气化炉气化炉 H2O （1）技

27、术类型 空气（氧气）空气（氧气）- -水蒸气气化：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。以空气（氧气）和水蒸气同时作为气化介质的气化过程。 H2CO2COCH4CnHm低热值 32%30%28%7.5%2.5%11.5 MJ/m3 * 水蒸气与生物质比为水蒸气与生物质比为0.95 典型典型*情况下，氧气情况下，氧气-水蒸气气化工艺的燃气成分（体积分数）水蒸气气化工艺的燃气成分（体积分数） 自供热系统自供热系统 特点：特点： 部分氧来源于水蒸汽，减少了空气消耗量部分氧来源于水蒸汽，减少了空气消耗量 H2与与CH4含量较高含量较高 （1）技术类型 氢气气化：氢气气化： 是

28、使氢气同碳及水发生反应生成大量甲烷，形成高热值燃气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。标准状态气）的工艺。 优点：优点：高质量气体燃料，用途广泛，效率高。高质量气体燃料，用途广泛，效率高。 缺点：缺点：反应需在高温高压且具有氢源的条件下进行，条件苛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。刻，实际应用很少。 热分解气化：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, 获得获得 以以CH4、H2为主的中热值可燃气为主的中热值可燃气, 同时获得木炭

29、和木焦油等产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。以上。 (2)不同气化技术的产物及用途 气化类型气化类型主要生成物主要生成物加解温度加解温度气化气热值气化气热值 （kJ/m3） 产物用途产物用途 干干 馏馏 气气 化化 慢速热解慢速热解炭（炭（28%30%），）， 木焦油（木焦油（5%10%）, 木醋液（木醋液（30%35%）, 气化气（气化气（25%30%） 低温（低温（600）, 中温（中温（600 900）, 高温（高温（900） 中热值中热值 1087812552

30、燃气，发电燃气，发电 快速热解快速热解中热值中热值 15000左右左右 生产汽油与酒生产汽油与酒 精精 空气气化空气气化H2,CH4 ,CO2， N2（50%左右）左右） 自供热自供热,900 1100 低热值，低热值，4100 7500 锅炉，干燥，锅炉，干燥， 动力动力 氧气气化氧气气化CO，H2,CH4中热值，中热值， 1087818200 燃气，燃气， 化工合成原料化工合成原料 水蒸汽气化水蒸汽气化H2（20%26%），）， CO（28%42%），）， CO2（16%23%），）， CH4（10%20%），）， C2H2（2%4%），）， C2H6（2%4%） 吸热反应，需外吸热反应，

31、需外 供热源供热源 中热值中热值 1012018900 燃气，燃气， 合成燃料合成燃料 水蒸汽水蒸汽-氧气氧气H2（32%），），CO（28%），）， CO2（30%），），CH4 （7.5%），），CnHm（2.5%） 自供热自供热800中热值中热值 11500左右，左右， 燃气，燃气， 制氢制氢 氢气气化氢气气化CH4高压、高温高压、高温高热值，高热值， 2226026040 工艺热源，工艺热源， 管网管网 （3）气化工艺流程）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，不需外热源。 燃气经提纯、净化后送至贮气柜，再经管道送至用户。 上料机 粉 碎 机 气 化 反 应 炉

32、 除 尘 净 化 器 储 气 柜 气化气 净化气化气 油 尘 灰 分 粉碎后的秸秆 主 支 气 管 道 入 户 管 道 秸秆 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：气化炉分类： 按照气化炉内可燃气相对按照气化炉内可燃气相对 于生物质物料的流动速度于生物质物料的流动速度 和方向不同，气化炉可分和方向不同，气化炉可分 为为固定床固定床气化炉和气化炉和流化床流化床 气化炉，二者又都有多种气化炉，二者又都有多种 不同形式。不同形式。 气化炉分类气化炉分类 生物质气化炉 固定床气化炉

33、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 根据气流方向根据气流方向 按气化炉按气化炉结构和结构和气化过程气化过程 （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。 灰室 原料原料 空气空气 干燥区干燥区

34、 热解区热解区 氧化区氧化区 还原区还原区 产出气产出气 气化器下部炉栅以下是灰室，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炉栅与内胆构成一个承托的容 纳原料的炉膛。纳原料的炉膛。 炉栅上部内胆直径减小的区域炉栅上部内胆直径减小的区域 为喉管区，是气化反应区。为喉管区，是气化反应区。 喉管区中部偏上位置布置有进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供给，使气化器在微负压条件 下运行。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：

35、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。 原料 空气 干燥层 热解层 氧化层 还原层 喉 管 区 灰室 (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 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。 特点特点 温度分布温度分布 干燥层250 热解层500-700 氧化层1000-1200 还原层700-900 原料 空气 燃气燃气 干燥层 热解层 氧化层 还原层 喉 管 区区 灰室灰室

36、 1200800400 下流式固定床气化的几种生物质的燃气成分 原料原料 燃气成分燃气成分% CO2O2COH2CH4CnHmN2 木材木材8-12 0.1-0.223.112-172.5-3.550.5-55.3 新收麦秸新收麦秸13.30.215.414.83.20.153 干燥粪便干燥粪便12.80.416.113.21.80.2155.49 (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

37、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

38、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7009

39、00。 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，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；

40、 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

41、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 原料原料 燃气燃气空气空气 干燥层干燥层 热解层热解层 氧化层氧化层 还原层还原层 灰室灰室 横流式固定床气化炉横流式固定床气化

42、炉 性能特点：性能特点： 结构紧凑，启动快，负结构紧凑，启动快，负 荷适应能力强。荷适应能力强。 燃料在炉内停留时间短，燃料在炉内停留时间短， 且炉中还原层容积很小，且炉中还原层容积很小， 影响燃气质量；影响燃气质量； 炉中心温度可达炉中心温度可达20002000， 超过了灰分的熔点，易超过了灰分的熔点，易 造成结渣。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：性能特点： 空气能均匀地进

43、入反应层，使反应温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，生产度沿反应截面的径向分布一致，生产 强度高；强度高； 气、固同向流动，有利于焦油裂解；气、固同向流动，有利于焦油裂解； 结构简单，加料操作方便，而且运行结构简单，加料操作方便，而且运行 可靠。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 鼓风机鼓风机 螺旋进料器螺旋进料器 料箱料箱 燃气燃气 流化床气化炉流化床气化炉 示

44、意图示意图 （二）流化床气化炉 鼓风机鼓风机 螺旋进料器螺旋进料器 料箱料箱 燃气燃气 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。

45、 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

46、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

47、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 鼓风机鼓风机 螺旋进料器螺旋进料器 料箱料箱 燃气燃气 循环流化床气化炉循环流化床气化炉示意图示意图 旋风分旋风分 离器等离器等 反应物中常掺有精选惰性砂粒等填料。反应物中常掺有精选惰性砂粒等填料。 吹入气化剂使

48、填料与原料充分接触、吹入气化剂使填料与原料充分接触、 流化、燃烧、传热传质。流化、燃烧、传热传质。 优点：动力学条件好，气化速度快、优点：动力学条件好，气化速度快、 燃气得率高、焦油含量少。燃气得率高、焦油含量少。 缺点：灰分高、设备复杂、投资大。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化床气化器。 （二）流化床气化炉 双流化气化床： 分为

49、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900 950； 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。 该床不使用惰性材料

50、，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 上流式上流式下流式下流式鼓泡流化床鼓泡流化床循环流化床循环流化床 原料适应性原料适应性 适应不同形状适应不同形状 尺寸原料、含尺寸原料、含 水量在水量在15-45% 间可稳定运行。间可稳定运行。 大块原料不大块原料不 经预处理可经预处理可 直接使用。直接使用。 原料尺寸控制较严，原料尺寸控制较严， 需预处理过程。需预处理过程。 能适应不同种类的能适应

51、不同种类的 原料，但要求为细原料，但要求为细 颗粒，原料需预处颗粒，原料需预处 理过程。理过程。 燃气特点燃气特点 后处理过程后处理过程 的简单性的简单性 H2和和CnHm含含 量少，量少，CO2含含 量高，焦油含量高，焦油含 量高，需要复量高，需要复 杂净化处理。杂净化处理。 H2含量增加。含量增加。 焦油经高温焦油经高温 区裂解，含区裂解，含 量减少。量减少。 与直径相同的固定与直径相同的固定 床比，产气量大床比，产气量大4 倍，焦油较少，燃倍，焦油较少，燃 气成分稳定，后处气成分稳定，后处 理过程简单。理过程简单。 焦油含量少焦油含量少, 产气量产气量 大大,气体热值比固定气体热值比固定

52、 床气化炉高床气化炉高40%左左 右。后处理简单。右。后处理简单。 设备实用性设备实用性 单炉生产能单炉生产能 力力 生产强度小。生产强度小。生产强度小。生产强度小。 生产强度是固定床生产强度是固定床 的的4倍，但受气流倍，但受气流 速度的限制。速度的限制。 生产强度是固定床生产强度是固定床 的的8-10倍，流化床倍，流化床 的的2倍，单位容积的倍，单位容积的 生产能力最大。生产能力最大。 结构复杂程结构复杂程 度及制造维度及制造维 修费用修费用 结构简单、加结构简单、加 工制造容易工制造容易 结构简单，结构简单， 容易实现连容易实现连 续加料。续加料。 故障处理容易，维故障处理容易，维 修费

53、用低修费用低 故障处理容易，维故障处理容易，维 修费用低。修费用低。 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，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

54、，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

55、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

56、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

57、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/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

58、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指单位时间内单位反应炉截面积处理原料的能 力力 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/m2h 2）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 流化床 灰分含量大

59、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 一一. 性能指标：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/m3 CO、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 5）气化效率）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。 = VmHm H 100% 气化效

60、率 Vm燃气得率 m3/kg（标态下） Hm燃气低位热值 kJ/m3 H原料低位热值 kJ/kg 国家行业标准规定国家行业标准规定70%，国内固定床气化炉通常为，国内固定床气化炉通常为70-75%，流化，流化 床气化炉可达床气化炉可达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= （1.866C+5.55H+0.7S+0.7O） 0.21 1 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