第七章-生物质气化

2023/7/1412023/7/142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，处于静止状态，因此称做固定床固定床反应器的结构特征是有一个容纳原料的炉膛和一个承托反应料层的炉栅。根据固定床气化器内气流运动的方向，固定床气化器又可分为下吸式气化器、上吸式气化器、平吸式气化器三种类型2023/7/143内胆外壁灰室气化器的下部炉栅以下是灰室，反应后的灰分及没有完全反应的炭颗粒经过炉栅落进灰室，可定期排灰炉栅与内胆构成一个承托和容纳原料的炉膛。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的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的供给，即下吸式气化器大多数都是在微负压的条件下运行。喉管区结构示意图2023/7/144干燥区：受外腔的热气体及内胆里热气体的热辐射、热传导，吸收热量，使生物质内的水分蒸发，变成干物料

热分解区：干物料向下移动到温度较高的热分解区，干生物质开始发生热分解反应，生成炭、气体及焦油等

氧化区：生成的炭随着物料的消耗继续下移落人氧化区，气化剂在氧化区加人，在该区，由热分解区生成的炭与气化剂中的氧进行氧化燃烧反应生成二氧化碳、一氧化碳，并释放出大量的热量.还原区：与热分解及氧化区生成的二氧化碳发生还原反应生成一氧化碳;炭还与水蒸气反应生成氢气和一氧化碳工作原理气化剂2023/7/145还原区的温度：700~900℃氧化区温度：1000~1200℃热分解区温度：500~700℃干燥区温度：300℃左右

炉内温度分布2023/7/146下吸式气化器的最大特点是气流向下流动的，通过炉栅进人外腔后被导出。原料干燥生成的水蒸气和热分解生成的二氧化碳、一氧化碳、氢气、焦油等产物全部通过氧化区和还原区，因此产生的大部分焦油就可在高温下被分解，变成可燃气体水分亦参加反应形成一氧化碳、氢气、甲烷等。下吸式固定床气化器产出的可燃气热值相对高一些，而焦油含量相对低一些。当气化焦油含量高的燃料如烟煤、木材、农业剩余物时，就常常采用这种气化器。2023/7/147孔板或缩径来形成喉部，以利形成均匀的灼热炭层由喷嘴进人喉部的空气与热分解区产生的炭发生氧化反应，在喷嘴附近形成高温区，即氧化区。而在离喷嘴稍远的区域，即喉部的下部和中心，已经没有氧气存在，炽热的炭和热分解区形成的热气体在该区进行还原反应，大部分焦油也在喉部的高温区和还原区发生裂解反应，生成小分子的可燃气体。由于喉部的截面变小，而且在该区域又有大量气体产生，因此该区域气体流速加大，并且阻力也增加。

喉部工作原理喉部不能被按比例放大，从而限制了其生产能力

2023/7/148下吸式气化器优缺点结构比较简单，其有效层高度几乎不变，工作稳定性好微负压运行，在工作中可随时打开料盖添料，具有操作方便、运行安全可靠、产出气体中焦油含量少等优点。但亦存在因可燃气流方向和热气流方向相反，使吸出可燃气消耗的功增多可燃气必须经灰分层和储灰室吸出，因而可燃气中灰尘含量较多产出气体经高温的有效层流出，也使可燃气的出炉温度增高等缺点。所以这种形式对含水量高(>20%)、含灰量高或灰易熔结的燃料是不利的。

2023/7/149一直立的圆桶，一般由钢板做成，里面砌上耐火砖或搪以耐火水泥。物料由顶部加入，依靠重力逐步向下移动，燃料支撑在炉栅上，燃烧后的灰分和渣通过炉栅落人灰室。炉栅设计有两种形式：一种是转动炉栅；另一种是固定炉栅。转动炉栅有利于除灰，但是由于炉栅的转动，增加了密封难度。气化剂(空气或蒸汽)由底部经过炉栅进人气化器的氧化燃烧层并逐渐上升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，故称为上吸式气化器2023/7/1410上吸式气化器工作时，在炉栅附近的燃料遇到炉栅下通人的新鲜空气而燃烧成灰烬，在炉栅上就出现了灰与渣，灰分通过炉栅间隙落人灰室，可以通过灰渣门定期排出。进人气化器的空气，被灰渣层稍加热后，与炽热的炭发生氧化反应，产生一氧化碳、二氧化碳，并释放出大量热量氧化区的上面是还原区，在这里已经没有氧气存在，遇到炽热的炭，CO2及水蒸气被还原成CO和H2，进行吸热反应，温度开始降低炽热的气体再向上便使燃料发生热分解反应，析出挥发分，热分解产生的木炭则下落与空气、CO2和水蒸气发生氧化和还原反应。在氧化区、还原区、热分解区生成的混合可燃气体还有很高的温度，就把其上面的燃料加以干燥脱去水分干燥区热分解还原区氧化区生物质灰室2023/7/1411氧化区1000℃以上还原区700~900℃热分解区400~600℃干燥区100～300℃

2023/7/1412特点：气化燃气和热流是同方向的，所以工作时不必消耗很大的动力，启动容易气化燃气中混有热分解析出的挥发物，发热量一般较高燃料燃烧后产生的灰分落在炉栅下面，不会被产生的可燃气带走，故出口可燃气中的灰分较少；可燃气流经上面各原料层时得到滤清，这亦可使可燃气中灰分含量减少。热效率较高，有两方面原因：一方面是由于热分解层和干燥层利用了还原反应后气体的余热，出口燃气的温度降低到300℃以下；另一方面氧化层位于气化器的最下层，这里充足的氧气供应使底部的木炭可以得到充分的燃烧。炉栅由于受到进风的冷却，工作比较可靠2023/7/1413其它注意事项：上吸式气化器在微正压下运行，气化剂(空气和蒸汽)由鼓风机向气化器内送入，由进风量控制气化器负荷量。其气化强度根据气化器的结构和运行条件的不同而不同，一般为100～300kg/(m2·h)燃气出口与进料口的位置接近，为了防止燃气的泄漏，必须采取密封措施，进料通常也采取间歇进料的方式适用于燃用含焦油较少的燃料。在上吸式气化器中，生物质热分解产生的焦油直接混入了可燃气体，因此燃气中的焦油含量很高，且不易净化。用在粗燃气不需冷却和净化就可以直接使用的场合，可直接作为锅炉或加热炉的燃料气或向系统提供工艺热源燃烧所需的空气是通过炉栅空隙进入炉内的，故空气流速较低，燃烧速度也低，其燃烧温度不高，不适于燃用不易燃烧的燃料2023/7/1414生物质原料从气化器顶部加入，灰分落入下部的灰室。空气或空气与水蒸气的混合气从位于炉身一定高度处的单管风嘴以高速送入炉内，进风管需要用风或少量的水冷却。所产生的燃气由对面炉栅处被吸到炉外，因燃气呈水平流动，故称做平吸式气化器。生物质气化剂可燃气灰室2023/7/1415平吸式气化器由于空气通过单管进风喷嘴高速吹入，形成一个高温燃烧区温度可高达2000℃，故较难燃烧的燃料也可应用。高温区的大小由进风喷嘴的形状和进气速度决定，不宜太大或太小。生物质灰室氧化区：2000℃还原区热分解干燥区2023/7/1416结构紧凑，启动时间比下吸式短(5～l0min)，负荷适应能力强。但燃料在炉内停留时间短，影响燃气质量。炉中心温度高，超过了灰分的熔点，固而容易造成结渣。炉子还原层容积很小，使二氧化碳还原成一氧化碳的机会变少，燃气质量变差。仅适用于含焦油很少及含灰分不大于5%的燃料，如无烟煤、焦炭和木炭等。特点：2023/7/1417结构与气化原理与下吸式固定床气化器相类似，是下吸式气化器的一种特别形式，它以转动炉栅代替了高温喉管区

结构特点：①炉顶敞开无盖②燃料和空气同时进人炉内主要优点：①空气能均匀地进人反应层，使反应温度沿反应截面的径向分布一致，最大限度地利用了反应截面，生产强度在固定床气化器中居首位

②气、固同向流动，有利于焦油裂解，使气体中焦油含量低于其他固定床气化器③结构简单，加料操作方便。转动炉栅2023/7/1418气体组分随床层高度的变化特性①低温氧化区：床层高度约200mm，气体O2从21%降至11%，CO2从0升至10%。在床层100mm处温度变化缓慢，约为150～250℃；在床层200mm处，温度上升迅速，约为250～650℃。②热分解氧化区：其床层高度约为300mm，各种气体组分明显变化，CO2量仍在上升，表明炭仍在氧化，H2

、CO、CH4增长，O2减少。其最高温度约为1000℃。③还原区：其床层高度约为300mm，CO2量下降，而CO量增长，其反应温度低于800℃。④惰性区：其床层高度约为200mm，各气体组分无明显变化，其反应温度约为700℃左右。2023/7/1419床层高度对反应温度的影响①反应床层越高，氧化区的最高温度越高；②反应床层越低，反应层顶部的温度越高；③反应床层越高，从反应层顶部的最低温度升至氧化区最高温度的温度梯度越小。2023/7/14202023/7/14212023/7/1422在流化床气化器中，一般采用惰性热介质(如沙子等)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，也可不用流化介质。气化反应在床内进行，焦油也在床内裂解。流化床气化反应速度快，产气率高，使唯一在恒温床上反应的气化器。流化床气化器适合水分含量大、热值低、着火困难的生物质原料原料适应性广，可大规模、高效利用。

2023/7/14232023/7/1424一级反应器和二级反应器两部分组成。在第一级反应器中，生物质原料发生热分解反应，生成的可燃气体在高温下进行气一固分离后进人后续净化系统，而分离后炭颗粒则作为原料经料脚管送人第二级反应器中。在第二级反应器中炭进行氧化燃烧反应，使床层温度升高，经过加温的高温惰性流化介质，通过料脚管返回到第一级反应器，从而保证第一级反应器内热分解气化的热源和床料浓度，双流化床气化器碳转化率也较高2023/7/1425双流化床系统把燃烧和气化过程分开进行。燃烧床采用鼓泡床或循环流化床，用空气鼓风，运行温度为900~950℃气化床采用循环流化床，用蒸汽鼓风，运行温度为800~850℃;在双流化床系统中，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是其技术关键，也是其技术难点。

2023/7/1426携带床气化器是一种特殊形式的流化床气化器，它不使用惰性材料作为流化介质，流速较大的气化剂直接吹动气化器中生物质原料，在高温条件下进行气化反应。携带床气化器床截面一般较小，且要求原料破碎成非常细小的颗粒，运行温度高达1100℃以上，产出气体中焦油及可冷凝成分少，碳转化率可达100%。但由于运行温度高，易出现烧结现象，气化器炉体材料较难选择。生物质携带床气化通常只适宜于实验室研究使用2023/7/1427优点:①流化床内温度均匀，气固混合改善，热量与质量的传递加速反应剧烈，气化强度较高，气化器的断面要小，而且燃料适用性广，可以使用粒度很小的原料，对灰分的要求也不高，尤其是循环流化床气化；②流化床使用的燃料颗粒很细小，传热面积大，故传热效率高；③流化床气化时未燃尽的颗粒损失少，气化效率比较高④流化床气化的产气能力可在较大范围内波动，且气化效率不会明显降低；⑤流化床温度均匀且低于其他气化器，使结渣的可能性减弱，而且低温可以防止NO的生成，有利于环境保护；⑥可以通过改变反应温度来生成中间产物，从而可以更好地控制产出的气体成分；⑦适用于连续运转的场合。2023/7/1428不足之处：①对于鼓泡床，如果没有飞灰循环装置，则效率会降低，而增加飞灰循环装置，系统变得较复杂；②由于气流速度大，特别是在循环流化床中有石英砂作为惰性热载体，流化床壁和其他部分易于磨损;燃料颗粒细小，故产出气体中的带出物较多；③均匀但较低的床层温度，焦油裂解受到抑制，使得产出气体中的焦油含量较高，这样，如用于发电就需要复杂的净化系统；④产出气体的显热损失大，用于自身气化的显热热量很少；⑤流化床要求床内燃料分布均匀、温度均匀，运行控制和检测手段较复杂，⑥燃料需要预处理成一定尺寸，设备投资大。2023/7/14292023/7/1430中国生物质气化技术应用情况2023/7/143145Nm3/hDown-draftExperimentalResearchGasifier 20Nm3/hUp-draftExperimentalUnit2023/7/14322023/7/14332023/7/1434Volundscommericalplant(42t/h)2023/7/14352023/7/14362023/7/14372023/7/1438中科大10kg/h固定床中科大50kg/h流化床2023/7/14392023/7/1440集中供气系统

它将农村丰富的生物质资源转化为使用方便而且清洁的可燃气体输送到居民用户，用作炊事燃气。生物质气化集中供气系统一般是以自然村为单元的小型燃气发生和供应系统。从目前的应用状况看，这一技术还有许多有待于完善和提高之处2023/7/1441由原料处理系统、生物质气化机组、储气系统、燃气输配系统和用户组成生物质物料由螺旋输送机送入气化器气化，产出气经过旋风除尘器去除大颗粒飞灰后进入复合式喷淋净化器进行清洗去除焦油和细灰，产出气由喷淋净化器出来后进人气水分离器去除气体中携带的水滴，然后经过过滤器进一步过滤所得到的洁净气体由罗茨鼓风机送人储气柜气体依靠储气柜的配重所产生的压力送人供气管网并到达用户家中。2023/7/1442FGAS系列生物质气化集中供气系统主要技术参数如下产气能力（标准状态）：300m3/h；供气户数：300-400户；物料消耗：150kg/h；气体热值（标准状态）：5500～6500kJ/m3气化效率：75%；焦油和灰分含量（标准状态）：10mg/m32023/7/1443发电机组类型:内燃机/发电机机组汽轮机/发电机机组燃气轮机/发电机机组内燃机-汽轮机联合汽轮机-燃气轮机联合2023/7/1444气化炉一般多用固定床式的。内燃机所用的燃料有的是生物质燃气与柴油混合，有的全用生物质燃气单一燃料口混合燃料的燃气成分(按热值