生物质资源转化与利用生物质直接气化技术

1、生生 物物 质质 热化学法热化学法 物理化学法物理化学法压缩成型压缩成型 直接燃烧直接燃烧 液化液化 气化气化 微生物法微生物法 发酵发酵 生物化学法生物化学法 固体燃料固体燃料 高压蒸汽、热气流高压蒸汽、热气流 直接液化直接液化 间接液化间接液化 共液化共液化 氢气、木煤气氢气、木煤气 木炭、生物油、木煤气、醋液木炭、生物油、木煤气、醋液 氢气氢气 沼气、乙醇沼气、乙醇 燃烧供热、木炭燃烧供热、木炭 燃料油、化工原料燃料油、化工原料 甲醇、柴油、二甲醇、柴油、二 甲醚、氢气甲醚、氢气 化学品、液体燃料化学品、液体燃料 热裂解热裂解 5.1 5.1 生物质气化原理与工艺生物质气化原理与工艺 生

2、物质气化概念生物质气化概念 以生物质为原料，以氧气（游离氧、结合氧）、空气、水蒸气、以生物质为原料，以氧气（游离氧、结合氧）、空气、水蒸气、 水蒸气水蒸气氧气混合气或氢气为气化剂，在高温不完全燃烧条件氧气混合气或氢气为气化剂，在高温不完全燃烧条件 下，使生物质中相对分子质量较高的有机碳氢化合物发生链裂下，使生物质中相对分子质量较高的有机碳氢化合物发生链裂 解并与气化剂发生复杂的热化学反应而产生相对分子质量较低解并与气化剂发生复杂的热化学反应而产生相对分子质量较低 的的COCO、氢气和甲烷、氢气和甲烷等可燃性气体的过程。等可燃性气体的过程。 气化过程与燃烧过程的区别：气化过程与燃烧过程的区别：

3、燃烧过程提供充足的空气或氧气，原料充分燃烧，目的是燃烧过程提供充足的空气或氧气，原料充分燃烧，目的是 直接获取热量，产物是直接获取热量，产物是COCO2 2和水等不可燃的烟气和水等不可燃的烟气 气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，尽可能将气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，尽可能将 能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物为含氢、能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物为含氢、 COCO和低分子烃类的可燃气体。和低分子烃类的可燃气体。 主要优点主要优点主要缺点 转化为可燃气后，转化为可燃气后， 利用效率高，用途利用效率高，用途 广泛，如可以用作广泛，如可以用作 生活煤气

4、，也可用生活煤气，也可用 于锅炉或直接发电。于锅炉或直接发电。 系统复杂，生成的系统复杂，生成的 燃气相对其他主要燃气相对其他主要 气体燃料而言热值气体燃料而言热值 较低，不便于储存较低，不便于储存 运输，须有专门的运输，须有专门的 用户或配套的利用用户或配套的利用 设施。设施。 废木材、柴薪、秸秆、果壳、稻壳、木屑等。一般都是挥发分高、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。灰分少、易裂解的生物质废弃物。 生物质气化的主要原料生物质气化的主要原料: : 生物质气化的主要用途生物质气化的主要用途: : 1 1）民用炊事与取暖）民用炊事与取暖 2

5、 2）烘干谷物、木材、果品、炒茶等）烘干谷物、木材、果品、炒茶等 3 3）发电）发电 4 4）区域供热等）区域供热等 5 5）工业企业用蒸汽）工业企业用蒸汽 5.1.1 5.1.1 生物质气化原理生物质气化原理 生物质气化都要通过生物质气化都要通过气化炉气化炉完成。典型的下吸收式生物质完成。典型的下吸收式生物质 气化过程通常包括生物质的干燥、热解、氧化和还原气化过程通常包括生物质的干燥、热解、氧化和还原4 4个阶个阶 段，这段，这4 4个阶段在气化炉中对应形成个阶段在气化炉中对应形成4 4个区域。个区域。 1 1）干燥层）干燥层 100250 100250 o oC C的高温作用下，生物质中的

6、自由水和结合水被加的高温作用下，生物质中的自由水和结合水被加 热析出，此过程比较缓慢，需要大量的热量。热析出，此过程比较缓慢，需要大量的热量。 以气体在炉内自上而下流动的气化炉工作情况，介绍生物质以气体在炉内自上而下流动的气化炉工作情况，介绍生物质 气化原理气化原理 2 2）热分解层）热分解层 热解是指生物质的基本热解反应过程，可以看做是其纤维素、热解是指生物质的基本热解反应过程，可以看做是其纤维素、 半纤维素、木质素热解过程的综合体现。半纤维素、木质素热解过程的综合体现。 生物质被加热到生物质被加热到500600 500600 o oC C时，半纤维素、纤维素、木质素时，半纤维素、纤维素、木

7、质素 热分解析出焦油、热分解析出焦油、COCO2 2、COCO、氢气、甲烷等大量可燃气和生、氢气、甲烷等大量可燃气和生 物质炭。物质炭。 纤维素纤维素 左旋葡萄糖酐左旋葡萄糖酐 单糖、多糖单糖、多糖 脱水低聚糖脱水低聚糖 COCO COCO2 2 水水 生物质炭生物质炭 温度超过温度超过240 240 o oC C 大分子苷键断裂大分子苷键断裂 碳碳和碳氧键断裂碳碳和碳氧键断裂 温度进一步升高温度进一步升高 温度超过温度超过400 400 o oC C 聚合和芳构化阶段聚合和芳构化阶段 半纤维素半纤维素 COCO COCO2 2 水水 炭炭 温度超过温度超过250 250 o oC C 温度超

8、过温度超过150 150 o oC C开始热解开始热解 与纤维素热解比较类似与纤维素热解比较类似 甲醇甲醇 焦油焦油 醋酸醋酸 木质素木质素 COCO COCO2 2 温度超过温度超过310 310 o oC C 热解激烈，热解激烈， 放热阶段放热阶段 甲醇甲醇 醋酸醋酸 焦油焦油 其他有机化合物其他有机化合物 甲烷甲烷 温度超过温度超过420 420 o oC C 蒸汽气体产物减少，热解基本完成蒸汽气体产物减少，热解基本完成 3 3）氧化层）氧化层 由于干燥区、还原区发生的都是吸热反应，所以气化设备中由于干燥区、还原区发生的都是吸热反应，所以气化设备中 必须保持热量的供给。通常的做法是将热解

9、区产生的生物质必须保持热量的供给。通常的做法是将热解区产生的生物质 炭与氧气进行燃烧反应来放出热量，保持气化设备中的热量炭与氧气进行燃烧反应来放出热量，保持气化设备中的热量 平衡。生物质炭和氧气在此层充分接触、燃烧生成大量平衡。生物质炭和氧气在此层充分接触、燃烧生成大量COCO2 2， 同事放出大量热量，温度可达到同事放出大量热量，温度可达到1300 1300 o oC C或更高。或更高。 化学反应式化学反应式 C+OC+O2 2 = CO= CO2 2H= -408.8 kJ H= -408.8 kJ 2C+ O2C+ O2 2 = 2CO= 2COH= -246.44kJH= -246.4

10、4kJ 4 4）还原层）还原层 在没有氧气的条件下，生物质炭与气流中的在没有氧气的条件下，生物质炭与气流中的COCO2 2、水、氢气、水、氢气 发生一系列反应，还原层没有氧气存在，发生一系列反应，还原层没有氧气存在，COCO2 2和水在这里还和水在这里还 原成原成COCO和氢气，进行吸热反应，温度开始降低，一般温度和氢气，进行吸热反应，温度开始降低，一般温度 在在700900 700900 o oC C。 C+COC+CO2 2 2CO 2CO H = +162.30 kJ H = +162.30 kJ C+HC+H2 2O(g) CO+HO(g) CO+H2 2 H = +118.74 kJ

11、 H = +118.74 kJ C+2HC+2H2 2O(g) COO(g) CO2 2+2H+2H2 2H = +75.19 kJ H = +75.19 kJ CO+HCO+H2 2O(g) COO(g) CO2 2+H+H2 2H = +43.56 kJ H = +43.56 kJ 以上吸式固定床气化炉为例。以上吸式固定床气化炉为例。 秸秆从上部加入，依次进入干燥层、秸秆从上部加入，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

12、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 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 1200 湿料湿料气体气体 灰灰空气空气 原料原料气化气成分（气化气成分（%）低热值低热值 COCO2 2O O2 2COCOH H2 2CHCH4 4C Cm mH Hn nN N2 2MJ/mMJ/m3 3 玉米芯玉米芯22221.41.422.522.512.312.32.322.320.20.248.7848.785.1205.120 玉米秸玉米秸13131.61.621.421.412.212.21.871

13、.870.20.249.6849.684.8094.809 棉柴棉柴11.611.61.51.522.722.711.511.51.921.920.20.250.5850.584.9164.916 稻草稻草13.513.51.71.7151512.012.02.102.100.10.155.6055.604.0024.002 麦秸麦秸14141.71.717.617.68.58.51.361.360.10.156.7456.743.6643.664 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COCO和和H H 2 2为主，约占 为主，约占2535%2535%

14、。N N 2 2约 约50%50% 气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸、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。低温干馏气体、炭黑。 气化过程要点气化过程要点 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 5.1.2 5.1.2 生物质气化工艺生物质气化工艺 混合气体通常为混合气体通常为 空气（氧气）与水蒸气空气（氧气）与水蒸气 使用：使用： 不用：不用： 气化介质气化介质 空气空气 氧气氧气 水蒸气水蒸气 混合

15、气体混合气体 氢气氢气 热分解气化热分解气化 空气气化：空气气化： 以空气为气化介质的自供热气化工艺系统。获得以以空气为气化介质的自供热气化工艺系统。获得以COCO为主的为主的 低热值燃气。低热值燃气。 惰性惰性N N2 2全部保留，燃气热值较低（全部保留，燃气热值较低（5MJ/m5MJ/m3 3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 氧

16、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/m10MJ/m3 3) )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

17、生活供气系统，也可用作化工合成 燃料的原料。燃料的原料。 水蒸气气化：水蒸气气化： 水蒸气气化是以水蒸气为气化水蒸气气化是以水蒸气为气化 介质的气化工艺。它不仅包括介质的气化工艺。它不仅包括 水蒸气和碳的还原反应，尚有水蒸气和碳的还原反应，尚有 COCO与水蒸气的变换反应。与水蒸气的变换反应。 C + HC + H2 2O(g) CO + HO(g) CO + H2 2 H = +118.74kJ /molH = +118.74kJ /mol 需要外供热源。需要外供热源。 H H2 2COCO2 2COCOCHCH4 4CnHmCnHm低热值低热值 20-2620-2616-2316-2328

18、-4228-4210-2010-206-7%6-7%17-21 (MJ/m17-21 (MJ/m3 3) ) 典型的水蒸气气化的燃气组成（典型的水蒸气气化的燃气组成（V%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 H H2 2O O 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。 H H2 2COCO2 2COCOCHCH4 4CnHmCnHm低热值低热值 32%32%30%30%28%28%7.5%7.5%2.5%2.5%11.5 MJ/m11.5

19、MJ/m3 3 水蒸气与生物质比为水蒸气与生物质比为0.950.95 典型情况下，氧气典型情况下，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 H H2 2与与CHCH4 4含量较高含量较高 氢气气化：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 （22.323.5MJ/m22.323.5MJ/m3 3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

20、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。苛刻，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CHCH4 4、H H2 2为主的中热值可燃气为主的中热值可燃气, , 同时获得木炭和木焦油等产品。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 10.7 MJ/mMJ/m3

21、 3以上。以上。 甲烷的一部分来源于秸秆挥发分的热分解和二次裂解，另一甲烷的一部分来源于秸秆挥发分的热分解和二次裂解，另一 部分主要是炭或碳氧化物与氢气的反应结果。部分主要是炭或碳氧化物与氢气的反应结果。 2C+2H2C+2H2 2O CHO CH4 4 + CO+ CO2 2(g) (g) H H298 298 = -15.32 kJ /mol = -15.32 kJ /mol 以上生成甲烷的反应使得体积减小，高压有利于反应进行。以上生成甲烷的反应使得体积减小，高压有利于反应进行。 此外碳和水蒸气直接生成甲烷也是甲烷的来源之一此外碳和水蒸气直接生成甲烷也是甲烷的来源之一 C+2HC+2H2

22、2CHCH4 4 H=-75 kJ H=-75 kJ CO+3HCO+3H2 2CHCH4 4+H+H2 2O(g) O(g) H=-206 kJ H=-206 kJ COCO2 2+4H+4H2 2CHCH4 4+2H+2H2 2O(g) O(g) H=-165 kJH=-165 kJ 甲烷生成反应甲烷生成反应 不同气化技术的气化特性不同气化技术的气化特性 气化炉气化炉空气气化空气气化氧气气化氧气气化水蒸气气化水蒸气气化 氢气气化氢气气化 气化剂气化剂空气空气氧气氧气水蒸气水蒸气氢气氢气 热值热值 kJ/mkJ/m3 3 42007560420075601092018900109201890

23、022260235202226023520 特点特点设备简单，自设备简单，自 供热，热值低供热，热值低 无无N N2 2，热值高，热值高， 高效高效 热值高，供热值高，供 热与高热与高C C料料 高质气，需氢高质气，需氢 气，高压高温气，高压高温 用途用途锅炉、干燥锅炉、干燥合成燃料、合成氨合成燃料、合成氨 热源、管网热源、管网 5.2 5.2 生物质气化设备生物质气化设备 气化炉气化炉 隧道窑气化炉隧道窑气化炉 固定床气化炉固定床气化炉 流化床气化炉流化床气化炉 固定床气化炉固定床气化炉 下吸式下吸式 上吸式上吸式 横流式横流式 开心式开心式 主要工艺流程：经粗切碎后直接进入气化炉点燃分解，

24、不需外热源。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。燃气经提纯、净化后送至贮气柜，再经管道送至用户。 上料机上料机 粉粉 碎碎 机机 气气 化化 反反 应应 炉炉 除除 尘尘 净净 化化 器器 储储 气气 柜柜 气化气气化气 净化气化气净化气化气 油油 尘尘 灰灰 分分 粉碎后的秸秆粉碎后的秸秆 主主 支支 气气 管管 道道 入入 户户 管管 道道 秸秆秸秆 气化工艺流程气化工艺流程 下吸式固定床气化炉 主要由内胆外壁和灰室组成 原料 产出气体 空气 干燥层 热解层 氧化层 还原层 喉 管 区 灰室 干燥层： 热解层： 氧化

25、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。 最大特点是下吸流动方式。水蒸气、热解气、焦油等产物都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 COCO、CHCH4 4、H H2 2等有可燃成分等有可燃成分 ，国内气化站大多用此炉型。，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7

26、00-900 原料 产出气体 空气空气 干燥层 热解层 氧化层 还原层 喉 管 区区 灰室灰室 1200800400 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。运行可靠，燃气焦油含量低。 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。因此不适于水分大、灰分高且易熔结的物料。 缺点 优点 下吸式固定床气化的几种生物质的燃气成分下吸式固定床气化的几种生物质的燃气成分 原料燃气成分% CO2O2COH2CH4CnHmN2 木材8-120.1-0.223.112-172.5-3.550.

27、5-55.3 新收麦秸13.30.215.414.83.20.153 干燥粪便12.80.416.113.21.80.2155.49 原料原料 燃气燃气 空气空气 干燥层干燥层 热解层热解层 还原层还原层 氧化层氧化层 上吸式固定床气化炉上吸式固定床气化炉 一般由钢板内衬耐火砖或耐火水泥而做成一般由钢板内衬耐火砖或耐火水泥而做成 直立桶状。顶部加料后靠自重下行，炉栅直立桶状。顶部加料后靠自重下行，炉栅 支撑燃料，灰分与炭渣等落入灰室定期排支撑燃料，灰分与炭渣等落入灰室定期排 出。炉栅设计应考虑便于除灰和密封。出。炉栅设计应考虑便于除灰和密封。 空气经灰室加热后与高温空气经灰室加热后与高温 碳料

28、燃烧产热，氧化层在碳料燃烧产热，氧化层在10001000以上。以上。 COCO2 2、水等升到还原层遇到下行的高温碳发、水等升到还原层遇到下行的高温碳发 生还原反应形成燃气，温度降低至生还原反应形成燃气，温度降低至700-700- 900900。热解层物料被热气流加热热解，析。热解层物料被热气流加热热解，析 出挥发分，固体碳下落。热气流到干燥层出挥发分，固体碳下落。热气流到干燥层 烘干物料后降温到烘干物料后降温到300 300 以下排出。以下排出。 工作原理工作原理 灰室灰室 H H 燃气燃气 空气空气 上吸式固定床气化器工艺原理上吸式固定床气化器工艺原理 原料原料 干燥层干燥层 热解层热解层

29、 还原层还原层 氧化层氧化层 灰室灰室 物料脱水干燥，然后快速升温物料脱水干燥，然后快速升温 生物质固体碳化、热解气化、生物质固体碳化、热解气化、 C+COC+CO2 2 2CO 162.3kJ 2CO 162.3kJ C+HC+H2 2O(g) CO +HO(g) CO +H2 2 118.7kJ 118.7kJ C+2HC+2H2 2O(g)COO(g)CO2 2 +2H+2H2 2 75.2kJ 75.2kJ C+2HC+2H2 2CHCH4 4 -75 -75kJkJ CO+HCO+H2 2O COO CO2 2+H+H2 2 43.6kJ 43.6kJ C+OC+O2 2 COCO2

30、 2 -408.9kJ -408.9kJ 2C+ O2C+ O2 2 2CO -246.4kJ 2CO -246.4kJ H H 主要优点主要优点 1 1、气化效率高，热解层与干燥层利用了还原反应后气体、气化效率高，热解层与干燥层利用了还原反应后气体 的余热；底层为氧化层，利于固体燃料完全燃烧。的余热；底层为氧化层，利于固体燃料完全燃烧。 2 2、燃气热值高、燃气热值高 主要缺点：主要缺点： 焦油含量高焦油含量高 其他主要炉型其他主要炉型 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炉 鼓风机鼓风机 螺旋进料器

31、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 示意图示意图 鼓风机鼓风机 螺旋进料器螺旋进料器 料箱料箱 燃气燃气 循环流化床气化炉示意图循环流化床气化炉示意图 v v 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。 气化炉性能及主要参数气化炉

32、性能及主要参数 1 1）气化强度）气化强度 气化炉单位横截面在单位时间内气化的原料量。气化炉单位横截面在单位时间内气化的原料量。 一般固定床的气化强度为一般固定床的气化强度为100-250kg/m100-250kg/m2 2h h，流化床的气化强度可高，流化床的气化强度可高 达达2000kg/m2000kg/m2 2h h 2 2）燃气质量）燃气质量 主要内容为焦油含量、热值、灰分、主要内容为焦油含量、热值、灰分、COCO比例等。比例等。 焦油含量大体为：上流式固定床焦油含量大体为：上流式固定床 下流式固定床下流式固定床 流化床流化床 灰分含量大体为：上流式固定床灰分含量大体为：上流式固定床

33、下流式固定床下流式固定床 流化床流化床 燃气热值大体为：氢气燃气热值大体为：氢气- -燃气燃气 氧气或水蒸气氧气或水蒸气- -燃气燃气 空气空气- -燃气燃气 一一. . 性能指标：性能指标： 3 3）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。物质原料的热值之比。 气化效率气化效率 V Vm m燃气得率燃气得率 m m3 3/kg/kg（标态下）（标态下） H Hm m燃气低位热值燃气低位热值 kJ/mkJ/m3 3 H H原料低位热值原料低位热值 kJ/kgkJ/kg 国家行业标准规定国家行业

34、标准规定70%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%70-75%，流，流 化床气化炉可达化床气化炉可达78%78% 4 4）气化剂用量（空气量）气化剂用量（空气量） 计算生物质气化所需要空气量时，应首先根据生物质原料的元素计算生物质气化所需要空气量时，应首先根据生物质原料的元素 分析结果，计算出完全燃烧所需理论空气量分析结果，计算出完全燃烧所需理论空气量V V，然后再按气化实，然后再按气化实 验比验比?，算出气化试剂需要空气量值，算出气化试剂需要空气量值VL。 VV原料完全燃烧理论上所需要的空气量原料完全燃烧理论上所需要的空气量 V VL L= = ?V O)7 .

35、 0S7 . 0H55. 5C866. 1 ( 0.21 1 V 一般当量比一般当量比=0.250.3 =0.250.3 为宜。此时燃气成分较好。原料水分大或为宜。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 量比量比 5) 5) 气体产率（气体产率（m m3 3/kg/kg） 单位质量生物质原料气化后生成的燃气体积。也就是单位质量生物质原料气化后生成的燃气体积。也就是燃气得率燃气得率 。 6) 6) 碳转换率碳转换率 生物质原料中的碳转换到气体燃料中碳的份额。生物质原料中的碳转换到气体燃料中碳

36、的份额。 7 7）气化炉输出功率）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。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，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。流化床气化炉功率较大。 二二. .气化效果的影响因素：气化效果的影响因素： 1) 1) 反应温度：反应温度：最重要的影响因素。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，温度对燃气成分影响很大，一般而言温度升高时，“COCO2 2降低降低”， 其他成分升

37、高，反应时间缩短，燃气产量增大。但温度太高会增其他成分升高，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，增加加原料氧化量，增加COCO2 2，增加热损失，增加材料与设备成本。，增加热损失，增加材料与设备成本。 2 2 ）原料性质）原料性质 原料水分、挥发性、灰分、原料水分、挥发性、灰分、C/HC/H比、密度、物料形态等比、密度、物料形态等 4 4） 进风强度进风强度 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。油的高温裂解、燃气热值。 3 3 ）炉内物料高度）炉内物料高度 干燥层高度

38、影响因素：原料干燥层高度影响因素：原料形态形态与水分。水多、块大，层高增加。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。热解层高度影响因素：原料形态、挥发性。 氧化层高度氧化层高度影响因素影响因素：供热强度、燃烧性能、气化剂、进风方式：供热强度、燃烧性能、气化剂、进风方式 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 含焦油、氨、酚、萘、含焦油、氨、酚、萘、 硫化氢等污染物硫化氢等污染物 一氧化碳毒性高一氧化碳毒性高 储存、输送、净化、储存、输送、净化、 防腐等成本防腐等成本 湿法湿法 干湿法结合干湿法结合 净化燃气净化燃气 污水污水 热值低，

39、热值低， 我国没有严格管理小型气化站的废水处理，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，工业化的煤制气厂的废水处理在发达国家受到严格控制， 在我国也有日益严格的管理要求与排放标准。在我国也有日益严格的管理要求与排放标准。 比如煤制气厂脱酚方法：比如煤制气厂脱酚方法： 溶剂萃取脱酚溶剂萃取脱酚活性污泥脱酚活性污泥脱酚活性炭吸附脱酚活性炭吸附脱酚 含酚废水的三级治理含酚废水的三级治理 CODCOD、酚、硫、氰等均达标排放、酚、硫、氰等均达标排放 气体种类气体低位热值

40、（KJ/m3） 理论空气量 （m3/m3） 理论燃烧温度 （） 天然气365869.641970 焦炉煤气176154.211998 混合煤气138583.181986 发生炉煤气57351.191600 沼气212235.563191 秸秆煤气53160.91810 几种典型燃气的低位热值 种类种类 高位发热值高位发热值 低位发热值低位发热值 玉米秸玉米秸 16903 16903 15547 15547 高粱秸高粱秸 16380 16380 15047 15047 稻稻 草草 15245 15245 13977 13977 豆豆 秸秸 17594 17594 16154 16154 麦麦 秸

41、秸 16681 16681 15371 15371 棉棉 秸秸 17380 17380 15999 15999 稻稻 壳壳 15670 15670 14557 14557 秸秆的热值（秸秆的热值（kJ/kgkJ/kg） 名名 称称 水分水分灰分灰分挥发分挥发分固定碳固定碳 玉米秸玉米秸4.87 4.87 5.935.9371.9571.9517.75 17.75 高粱秸高粱秸4.714.718.918.9168.9068.9017.4817.48 豆豆 秸秸5.105.103.133.1374.6574.6517.1217.12 麦麦 秸秸4.394.398.908.9067.3667.361

42、9.3519.35 稻稻 草草4.974.9713.8613.8665.1165.1116.0616.06 秸秆原料的工业分析（秸秆原料的工业分析（%） 生物质燃气的净化生物质燃气的净化 燃气燃气 尘粒 旋风除尘过程示意图 1 1）燃气除尘）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 进口燃气流速突然降低，颗粒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物与壁面或铁屑等添加物碰撞 摩擦、失去动能下落摩擦、失去动能下落 离心分离、分凝器、冷凝器、过滤 等。方法多，技术成熟。 2 2）燃气脱水）燃气脱水 3 3）除焦油）除焦油 焦油主要由苯的衍生物构成，成分

43、多 而复杂。苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、 萘、酚等为其主要成分。 焦油危害性焦油危害性 焦油占可燃气能量的焦油占可燃气能量的5-10%5-10%，但难于与燃，但难于与燃 气一道燃烧利用，通常大部分焦油能量被气一道燃烧利用，通常大部分焦油能量被 浪费。浪费。 易冷凝，堵塞阀门、管道、腐蚀金属、活易冷凝，堵塞阀门、管道、腐蚀金属、活 动件受阻失灵等动件受阻失灵等 难于完全燃烧，常产生炭黑颗粒物，严重难于完全燃烧，常产生炭黑颗粒物，严重 损害燃气利用设备损害燃气利用设备 除焦油法很多除焦油法很多 喷淋法喷淋法 鼓泡水浴法鼓泡水浴法 干式过滤法干式过滤法 静电捕捉法静电捕捉法 水水 水水 水水 燃气燃气

44、 燃气燃气 喷淋法示意图喷淋法示意图 水水 出水出水 水水 燃气燃气 燃气燃气 鼓泡水浴法示意图鼓泡水浴法示意图 入水入水 BIGCC Vaxj Vrnamo biomass gasification center 英国英国ARBRE IGCC plant ARBRE IGCC plant 世界上第一个商业化BIGCC电站 生物质发电及热电联产经济性不佳的原因生物质发电及热电联产经济性不佳的原因 CHOREN Carbo-V 气化技术气化技术 Carbo-VCarbo-V工艺保留气流床气化的优点，克服了气流床气化对生物质的工艺保留气流床气化的优点，克服了气流床气化对生物质的“不适不适”。 Ca

45、rbo-VCarbo-V工艺流程示意图工艺流程示意图 CHOREN Carbo-V 气化技术气化技术 Carbo-VCarbo-V技术是阶段性的气化工艺技术是阶段性的气化工艺, ,分为三个步骤：分为三个步骤： 1. 1. 低温炭化：生物质低温炭化：生物质 ( (水分水分 15 %- 20 %) 15 %- 20 %) 第一阶段内以部分氧化方式在第一阶段内以部分氧化方式在 400 400 至至 500 500 摄氏度间温度炭化，分解成含焦油燃气摄氏度间温度炭化，分解成含焦油燃气 ( (挥发份挥发份) ) 以及碳素以及碳素 ( (生物生物 碳碳) )。 2. 2. 高温气化：焦油燃气被加入到燃烧炉

46、发生部分氧化，释放出热量将气体高温气化：焦油燃气被加入到燃烧炉发生部分氧化，释放出热量将气体 加热至加热至1300-15001300-1500o oC,C,在此温度下大分子烃类包括大部分甲烷裂解，气体在此温度下大分子烃类包括大部分甲烷裂解，气体 主要为主要为COCO、CO2CO2、H2H2、水蒸气。、水蒸气。 3. 3. 吸热气流床气化：粉化的生物碳以气流形式被输入高温气流内。吸热气流床气化：粉化的生物碳以气流形式被输入高温气流内。 在此，在此， 生物碳与气化剂进行吸热反应，温度降至生物碳与气化剂进行吸热反应，温度降至800-900 800-900 o oC C，高温热能转变为，高温热能转变为

47、 化学能，避免了热损失，提高了气化效率，产出粗合成气。化学能，避免了热损失，提高了气化效率，产出粗合成气。 CHOREN Carbo-V 气化技术气化技术 世界第一个工业标准世界第一个工业标准 的 商 业 性的 商 业 性 B T LB T L 设 备设 备 (Beta-(Beta-设备设备) )。该装置预。该装置预 计将从计将从20082008年起提供年起提供 年产量大约年产量大约1500015000吨燃吨燃 料的生物质合成燃料料的生物质合成燃料 （可以满足（可以满足1500015000到到 2000020000辆客车的年燃料辆客车的年燃料 需求）。需求）。 CHOREN Carbo-V 气

48、化技术气化技术 以上吸式固定床气化炉为例。以上吸式固定床气化炉为例。 秸秆从上部加入，依次进入干燥层、秸秆从上部加入，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 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 1200 湿料湿料气体气体 灰灰空气空气 原料原料气化气成分（气化气成分（%）低热值低热值 COCO2 2O O2 2COCOH H2 2CHCH4 4C Cm mH Hn nN N2 2MJ/mMJ/m3 3