生物质发电技术与系统课程生物质热解气化基础

生物质发电技术与系统课程生物质热解气化基础第1页/共60页2第二章生物质热解气化基础（4学时）目录第2页/共60页第二章生物质热解气化基础（4学时）生物质气化装备第3页/共60页4第一节生物质热解的主要化学反应1、碳化学反应-----1）碳和氧发生反应

碳燃烧释热的化学反应过程：C+O2

CO2+400kJ2C+O2

CO

+245kJ

第二章生物质热解气化基础（4学时）第4页/共60页5第一节生物质热解的主要化学反应1、碳化学反应------1）碳和氧发生反应

更多的是中间反应过程：4C+3O22CO2+2CO3C+2O22CO

+2CO2

第二章生物质热解气化基础（4学时）第5页/共60页6第一节生物质热解的主要化学反应1、碳化学反应--------1）碳和氧发生反应C可以和CO2发生反应：

C+CO22CO

而CO可以和O2发生反应2CO+O22CO2

第二章生物质热解气化基础（4学时）第6页/共60页7第一节生物质热解的主要化学反应1、碳化学反应--------2）碳和H2O发生反应C可以和H2O发生反应：

C+2H2OCO2

+2H2C+H2OCO

+H2

C+2H2

CH4

第二章生物质热解气化基础（4学时）第7页/共60页8第一节生物质热解的主要化学反应2、氢化学反应--------链式反应特征H2

在高能量物质碰撞下发生反应：

H2+MM+2HH+O2

O

+OHO+H2

H

+OH

OH+H2

H2O

+OH

第二章生物质热解气化基础（4学时）第8页/共60页9第一节生物质热解的主要化学反应2、氢化学反应--------链式反应特征H2

在高能量物质碰撞下发生反应：

H2+MM+2HH+O2

O

+OHO+H2

H

+OH

OH+H2

H2O

+OH

第二章生物质热解气化基础（4学时）第9页/共60页10第一节生物质热解的主要化学反应2、氢化学反应--------链式反应特征

H+3H2+O2

2H2O

+3H

第二章生物质热解气化基础（4学时）第10页/共60页11第一节生物质热解的主要化学反应3、一氧化碳化学反应--------燃烧反应和歧化反应

燃烧反应也是链式反应，有干燥链式反应和潮湿链式反应：H2+MM+2HH+O2

O

+OHO+H2

H

+OH

OH+H2

H2O

+OH

第二章生物质热解气化基础（4学时）第11页/共60页12第一节生物质热解的主要化学反应3、一氧化碳化学反应--------燃烧反应和歧化反应

燃烧反应也是链式反应，有干燥链式反应和潮湿链式反应：

干燥链式反应：当一氧化碳和氧燃烧时，臭氧O2超着活化中心的作用，碳和纯氧的混合物要在660-740ºC以上才能着火。第二章生物质热解气化基础（4学时）2CO+O22CO2第12页/共60页13潮湿链式反应：比干燥链式反应更容易发生，因为H、O和OH等活化中心使CO的燃烧速度变快了许多，当掺有2%水蒸汽时，它在600-640ºC更容易反应。OH+COCO2+HCO+O+MCO2+M

第二章生物质热解气化基础（4学时）第13页/共60页14一氧化碳歧化反应：是相当于CO2还原反应的逆反应，这个反应对于生物质热解反应炉的设计很重要，很湿出碳，造成耐火砖破碎。

一氧化碳歧化反应是放热的，温度升高时有利反应，但温度很高时，也不容易发生反应，一般在200-1000ºC时发生，在450-600ºC反应速度最快。

CO2

CO

+C+162kJ

第二章生物质热解气化基础（4学时）第14页/共60页15第一节生物质热解的主要化学反应4、烃燃烧化学反应--------链式反应

此外，还有脱氢反应和焦化反应。

烃（CnH2n+1）的燃烧化学反应也是链式反应，主要是羟基OH作为活化中心引起的。

OH+RHR+H2O第二章生物质热解气化基础（4学时）HCHO+O22CO2+H2O第15页/共60页16第一节生物质热解的主要化学反应4、烃燃烧化学反应--------脱氢反应+焦化反应和断链反应

脱氢反应：

C2H6

C2H4+H2C2H42C+2H2

断链反应：

C(m+n)H2(m+n)+2CmH2m

+CnH2n+2第二章生物质热解气化基础（4学时）第16页/共60页17第二节生物质气化原理1、气化技术发展背景

气化原理早在18世纪就为人所知，20世纪生物质气化动力系统已从固定式的内燃机拓展到移动式的内燃机，如汽车。

第二次世界大战气化技术得到迅猛发展。

我国始于50年代，80年代才快速发展。80年代末研制出固定床气化器；90年代末研制出流化床气化器。第二章生物质热解气化基础（4学时）第17页/共60页18第二节生物质气化原理1、气化技术分类（1）按气化剂分类1）不用气化剂：干馏气化

在完全无氧或含氧很小的情况下的气化反应。干馏产物包括固体碳（28%-30%）、木焦油（5%-10%）、木醋液（30%-35%）和生成气（25%-30%）。

分低温干馏（600ºC）、中温干馏（600ºC-900ºC）和高温干馏（900ºC）。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第18页/共60页19第二节生物质气化原理1、气化技术分类（1）按气化剂分类1）使用气化剂：空气气化-----使用空气作为气化剂，燃气热值低氧气气化-----使用氧气作气化剂，反应速率快，燃气成份主要为CO、H2、CH4，可用作中热值燃气和化工原料。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第19页/共60页20第二节生物质气化原理1、气化技术分类（1）按气化剂分类1）使用气化剂：水蒸汽气化----一般与氧气气化联合采用，是水蒸汽在高温下与生物质发生反应，水蒸汽和碳的还原反应，CO与水蒸汽变换反应和甲烷化反应，属中热值气体氢气气化----是氢气和炽热的炭及水蒸汽反应生成甲烷的过程

第二章生物质热解气化基础（4学时）第20页/共60页21第二节生物质气化原理1、气化技术分类（1）按设备运行方式1）固定床气化炉：制造简便、成本低、运动部件少、热效率高和操作简单。

气化过程难以控制，物料容易搭桥。

有上吸式、下吸式、横吸式、开心式等。第二章生物质热解气化基础（4学时）第21页/共60页22第二节生物质气化原理1、气化技术分类2）流化床气化炉：采用砂子、石灰或催化剂等其他非惰性材料作为流化介质；气化强度大（约2.5-3.0倍），反应温度750-900ºC，原料适应性广，可大规模应用。

有单流化床、循环流化床和双流化床等。第二章生物质热解气化基础（4学时）第22页/共60页23第二节生物质气化原理1、气化技术分类3）旋转床气化炉：有效防止原料在气化床内的内部搭桥和产生空洞。

有较高的热效率；缺点是操作难度大、成本高、衬里容易磨损，密封困难、反应条件难以控制。第二章生物质热解气化基础（4学时）第23页/共60页24第二节生物质气化原理2、气化基本原理

生物质热解气化是在一定热力学条件下，将组成生物质的碳水化合物转化为主要由CO、

H2和低分子烃类组成的可燃气的过程。

热解气化和沼气发酵有根本的区别，沼气发酵适合于处理畜禽粪便和有机废液等一类湿生物质。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第24页/共60页25第二节生物质气化原理2、气化基本原理

生物质热解气化过程一般分为干燥、挥发、氧化和还原反应。1）干燥反应

含有水份的原料进入气化床和热气剂进行热交换，失去水份。温度约为50-150ºC。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第25页/共60页26第二节生物质气化原理2、气化基本原理

2）挥发反应

当干燥区的干物料、水蒸汽和水化剂进入热解区后，继续获得热量，在高于160ºC时，生物质将会发生热解反应，析出挥发份，主要有碳、氢气、水蒸汽、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油和其他烃类物质。CHxOy

n1C+n2H2+n3Hn2O+n4CO+n5CO2+n6CH4第二章生物质热解气化基础（4学时）第26页/共60页27第二节生物质气化原理2、气化基本原理

3）氧化反应

生物质在气化炉内继续下移，温度继续升高，达到250-300ºC时，可挥发性组分继续燃烧，释放大量热能，生成CO、CO2和H2O，温度达到1000-1200ºC。C+O2CO2

第二章生物质热解气化基础（4学时）第27页/共60页28第二节生物质气化原理2、气化基本原理

4）还原反应

还原区已没有氧气存在，二氧化碳和炽热的碳以及水蒸汽发生还原反应，生成一氧化碳和氢气，温度达到600-900ºC。C+CO22CO第二章生物质热解气化基础（4学时）第28页/共60页29第二节生物质气化原理3、气化反应动力学

4）热解过程

热解是固体生物质在非燃烧状态下受热分解生成气体、焦油和炭的过程，温度和加热速率是最主要参数。

低温（

<400ºC）反应，主要产物是二氧化碳、一氧化碳、水和焦炭。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第29页/共60页30第二节生物质气化原理3、气化反应动力学

4）热解过程高温（>400ºC）反应，主要产物是二氧化碳、一氧化碳、氢气、水、甲烷、焦油和焦炭。更高温度（>700ºC）反应，出现二次反应，氢气和不饱和烃类气体增加。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第30页/共60页31第二节生物质气化原理3、气化反应动力学

1）热解过程实际上，热解是经过两个独立的反应过程：第一步是固相反应，高分子聚合脱水反应，反应速率非常快。第二步是气相反应，气体和炭的反应，包括裂解、重整和变换。第二章生物质热解气化基础（4学时）第31页/共60页32第二节生物质气化原理1）热解过程裂解反应：焦油等重碳氧化物裂解生成较小的化合物的过程，形成氢氧化物、碳氧化物、甲烷和不饱和碳氢化合物。重整反应：碳氢化合物和水蒸汽的吸热反应，生成碳氧化物及氢气变换反应：水蒸汽和一氧化碳的反应，生成二氧化碳和氢气。第二章生物质热解气化基础（4学时）第32页/共60页33第二节生物质气化原理2）燃烧过程焦炭的烧烧速率受燃烧温度和燃烧时间的控制，当温度从400ºC增加到900ºC时，燃烧速率增加，随时间增加，焦炭颗粒越来越少。3）还原过程

是碳和二氧化碳、水蒸汽和一氧化碳之间的反应。第二章生物质热解气化基础（4学时）第33页/共60页34第三节生物质气化典型工艺过程1）气化系统的构成

生物质气化系统一般包括原料预处理设备（供破碎和烘干用）、进料装置、气化炉、气固分离装置、气体冷却装置、气体净化装置和燃气输送设备等。

生物质气化系统中，气化炉最为重要。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第34页/共60页35第三节生物质气化典型工艺过程1）气化系统的构成

（1）固定床上吸式气化炉生物质原料从顶部加入，依靠重力从顶部移动到底部，空气从下面进入，向上经过各反应层，燃气从上部出，灰渣从底部排出。

气化剂补给有两种：微正压和微负压。--------优点：1）气化效率高；2）燃气热值高；3）炉排不易损坏。--------缺点：焦油量大。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第35页/共60页36第二章生物质热解气化基础（4学时）第36页/共60页37第三节生物质气化典型工艺过程1）气化系统的构成

（1）固定床上吸式气化炉生物质原料从顶部加入，依靠重力从顶部移动到底部，空气从下面进入，向上经过各反应层，燃气从上部出，灰渣从底部排出。

气化剂补给有两种：微正压和微负压。--------优点：1）气化效率高；2）燃气热值高；3）炉排不易损坏。--------缺点：焦油量大。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第37页/共60页38第三节生物质气化典型工艺过程1）气化系统的构成

（1）固定床下吸式气化炉生物质原料从顶部加入，依靠重力从顶部移动到底部，空气从上面进入，向下经过各反应层，燃气从反应层下部吸出，灰渣从底部排出。

气化剂补给有两种：微正压和微负压。--------优点：1）气化效率高，焦油含量低；2）燃气热值高，洁净度高；--------缺点：炉排易损坏

第二章生物质热解气化基础（4学时）第38页/共60页39第三节生物质气化典型工艺过程1）气化系统的构成

（2）固定床下吸式气化炉生物质原料从顶部加入，依靠重力从顶部移动到底部，空气从上面进入，向下经过各反应层，燃气从反应层下部吸出，灰渣从底部排出。

气化剂补给与工作环境：微负压，可以连续进料。--------优点：1）气化效率高，焦油含量低；2）燃气热值高，洁净度高；--------缺点：炉排易损坏。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第39页/共60页40第二章生物质热解气化基础（4学时）第40页/共60页41第三节生物质气化典型工艺过程1）气化系统的构成

（4）单流化床气化炉只有一个流化床反应器。反应器可分为上、下两段，下部为气固密相段，上部气固稀相段。

在密相段发生干燥、热解、氧化和还原反应。

稀相段主要是降低气体流速，不带出生物质炭。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第41页/共60页42第三节生物质气化典型工艺过程1）气化系统的构成

（4）单流化床气化炉

--------优点：1）气化效率高，焦油含量低；2）气化床调节效率高；3）不容易结渣。-------缺点：1）气体出口温度高，产出气体显热损失大；2）产出气体含固形物较高；3）床内物料分布不均匀；4）最好有隋性载体。

第二章生物质热解气化基础（4学时）第42页/共60页43第三节生物质气化典型工艺过程1）气化系统的构成

（4）循环流化床气化炉

其特征在于生成气中的固体颗料经过旋风分离器后，再次返回到流化床，继续进行气化反应。

--------优点：1）气化效率与气化强度进一步提高，焦油含量低；2）适合更细小的颗料-------缺点：回流系统控制难

第二章生物质热解气化基础（4学时）第43页/共60页44第二章生物质热解气化基础（4学时）第44页/共60页45第三节生物质气化典型工艺过程1）气化系统的构成

（5）双流化床气化炉

由第一级和第二级流化床反应器组成。在第一级流化床反应器发生热解反应；在第二级流化床里进行氧化反应；高温烟气分离后又重新进入第一级流化床反应器。

--------优点：热值高，既用作燃气，又可作化工合成气。-------缺点：气化床和燃烧床，炭颗粒和床层物料难平衡。第二章生物质热解气化基础（4学时）第45页/共60页46第四节生物质气化技术的应用1、生成气特性1）气体成分

生物质气化生成气的成分和热值与气化工艺和气化原料密切相关。

生成气可燃成分主要是一氧化碳和氢气，还有少量甲烷和其他烃类气体。

2）相对分子质量

M=ximi/100

第二章生物质热解气化基础（4学时）第46页/共60页47第四节生物质气化技术的应用1、生成气特性3）气体密度=xii/100；一般为1.2Kg/m3左右4）气体热值Q=xiQi/100kJ/m35）华白指数

是一个热负荷指标，从燃气性质的角度全面反映了燃气向燃烧器提供热量的能力，是保证已有燃烧器在燃气性质发生变化时仍能正常使用的指标。

Ws=Qs/√S第二章生物质热解气化基础（4学时）第47页/共60页48第四节生物质气化技术的应用1、生成气特性6）化学当量比

每立方米燃气完全燃烧所需要的最少空气量，

H2

化学当量比2.38C2H6

化学当量比14.287）着火浓度极限

第二章生物质热解气化基础（4学时）第48页/共60页49第四节生物质气化技术的应用1、生成气特性6）化学当量比

每立方米燃气完全燃烧所需要的最少空气量，

H2

化学当量比2.38C2H6

化学当量比14.2

第二章生物质热解气化基础（4学时）第49页/共60页50第四节生物质气化技术的应用7）着火浓度极限

燃气燃烧须满足两个条件：一是空气和氧气混合；二是要有点火源。

燃气在可燃混合物中能够正常着火的最