建筑能源应用技术-课件 第8章 生物质能利用技术

第8章生物质能利用技术转化方法·燃烧·沼气·热裂解·气化本章核心生物质能利用的关键，是根据原料特性和目标产品选择合适的转化路径，并通过预处理、反应条件控制、产物净化与终端匹配形成完整工程系统。01第8章生物质能利用技术｜课程导入学习目标1了解生物质种类、特点及资源化和能源化属性；了解生物质能源转化工艺及应用；2熟悉各类生物质能源转化原理及特点；3掌握生物质能源转化技术种类及其优缺点0203第8章生物质能利用技术｜课程导入本章主要内容8.1生物质能源的转化方法①物理转化

②化学转化

③生物转化

8.2生物质能源利用技术①生物质燃烧技术

②沼气技术

③生物质热裂解技术

④生物质气化技术2.18.1生物质能源的转化方法生物质可通过物理、化学和生物过程转化为热、电、固体燃料、液体燃料和气体燃料。不同路线对含水率、粒径、温度、供氧和微生物条件的要求不同。本节学习路径：生物质定义→三类转化→产品与适用条件04第8章生物质能利用技术05什么是生物质•生物质是直接或间接利用绿色植物光合作用形成的有机物质。•范围包括动植物、微生物及其代谢物，也包括工业性生物质加工形成的有机制品。•生物质是可再生资源，可转化为能源和化工原料。•评价能源化潜力时，需要结合原料形态、含水率、堆积密度和可收集性。三类转化方法物理转化粉碎、加压和固化，主要改变形态与密度。化学转化燃烧、热解、气化、液化和酯交换等。生物转化厌氧消化和发酵制乙醇等生物化学过程。二次能源可获得热、电、固体、液体或气体燃料。第8章生物质能利用技术8.1生物质能源的转化方法061）物理转化•将生物质粉碎到一定粒径，在不添加黏结剂的条件下高压挤压成型。•固化解决原料形状各异、堆积密度小和结构松散的问题。•致密成型后更便于运输、储存、计量和连续给料。•物理转化主要改善使用条件，并未改变生物质的基本化学组成。原料筛选粉碎至规定粒径高压挤压成型储运与稳定给料第8章生物质能利用技术8.1生物质能源的转化方法072）化学转化直接燃烧与氧发生强烈氧化，直接获得热量。热裂解无氧或缺氧热降解，获得炭、油和气。气化加入有限气化剂，将固体转化为可燃气。液化与酯交换获得液体燃料或燃料组分。第8章生物质能利用技术第8章生物质能利用技术8.1生物质能源的转化方法083）生物转化厌氧消化微生物在厌氧条件下将湿有机物转化为沼气。发酵制乙醇利用生物化学过程将糖类等转化为乙醇。适用原料通常适合可生物降解、含水率较高的原料。过程特点温度较低，但对微生物环境和停留时间要求较高。第8章生物质能利用技术8.1生物质能源的转化方法2.18.2生物质能源利用技术燃烧：碳氢有机化合物与氧发生激烈氧化并放热的过程。生物质燃烧可按特征分为表面、分解和蒸发燃烧，实际燃烧又经历干燥、挥发分燃烧、木炭燃烧和燃尽阶段。沼气：由有机物在适宜温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下经微生物发酵产生。工程系统必须完成发酵、脱水、脱硫、储存和终端利用。热裂解：在无氧或缺氧条件下使生物质发生热降解，形成生物油、木炭和可燃气。温度、升温速率、停留时间和快速冷却共同决定产物分布。气化：在一定温度和压力下，用空气中的氧气、水蒸气等作为气化剂，把生物质转化为可燃气体。下吸式固定床可用干燥、热裂解、氧化和还原四区模型分析。09第8章生物质能利用技术10燃烧的定义与能量转换•燃料中的碳氢有机化合物与氧发生激烈氧化反应。•反应释放大量热量，化学能转化为热能。•燃烧能否稳定、完全，取决于温度、氧量、混合和停留时间。•生物质含水率和挥发分含量对燃烧过程影响显著。8.2.1生物质燃烧技术第8章生物质能利用技术111）燃烧的三种基本类型表面燃烧反应主要在燃料表面进行，如木炭。分解燃烧热解挥发分与氧进行气相燃烧。蒸发燃烧低熔点固体或液体先蒸发再燃烧。实际过程多种机制可能依次出现或相互重叠。8.2.1生物质燃烧技术第8章生物质能利用技术12预热与干燥挥发分燃烧并形成木炭木炭燃烧燃尽并形成灰烬2)生物质的燃烧过程8.2.1生物质燃烧技术阶段1：预热与干燥•固体燃料进入炉膛后升温到约100℃，水分首先蒸发。•蒸发吸收燃烧释放的热量，使燃烧室温度降低并减缓燃烧。•含水率越高，蒸发持续时间越长，损失热量越多。•因此燃料干燥程度直接影响着火和燃烧稳定性。第8章生物质能利用技术13阶段2：挥发分燃烧与木炭形成•生物质热分解温度一般较低，约150～200℃开始大量析出挥发分。•温度升至240℃以上时，可燃气体被点燃并在燃料表面形成火焰。•这一过程需氧较多、持续时间较长。•固定碳被挥发分包围，燃烧初期木炭通常尚未燃烧。2)生物质的燃烧过程8.2.1生物质燃烧技术第8章生物质能利用技术14阶段3：木炭燃烧•挥发分燃烧结束后，木炭开始燃烧。•此时进入炉膛的氧可直接扩散到木炭表面。•木炭表面发生氧化反应并继续释放热量。•灰分逐步生成并覆盖木炭，会增加氧扩散阻力。阶段4：燃尽•木炭燃烧不断产生灰分，灰层包裹剩余木炭。•灰层使燃烧速度减慢，炉膛温度下降。•适当抖动和加强通风可使灰分脱落，使余炭充分燃尽。•最终残留物为灰烬。2)生物质的燃烧过程8.2.1生物质燃烧技术第8章生物质能利用技术151）沼气工艺原理•有机物在适宜温度、湿度和酸碱度条件下进入厌氧环境。•微生物通过发酵和分解产生可燃混合气体。•反应条件会影响微生物活性、产气速率和气体组成。•工程运行需保持发酵环境稳定，并处理气体与消化残余物。8.2.2沼气技术甲烷通常占55%～70%，是主要可燃组分。二氧化碳通常占30%～40%，会降低热值。少量气体含H₂、N₂、CO、H₂S和NH₃等。气味与安全H₂S使沼气带微臭；可燃混合物存在爆炸范围。第8章生物质能利用技术16沼气热值、密度与储存条件•沼气热值4.8～6.0kcal/L。•每立方米沼气热值约相当于1.45m³煤气或0.69m³天然气。•密度约1.22g/L，与空气混合的爆炸体积分数范围为8.8%～24.4%。•甲烷对水的溶解度很小，因此可采用水封方式储存沼气。1）沼气工艺原理8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术17厌氧发酵产气脱水与脱硫净化储气设备调节供需民用／锅炉／发电净化保障设备安全与排放，储存协调连续产气与间歇用气。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术18(1)沼气的净化•管路温度和压力变化会使水蒸气冷凝，增加流动阻力并降低热值。•水与H₂S共同作用会腐蚀或堵塞管道、阀门和流量计。•H₂S燃烧生成SO₂，并可能与水形成亚硫酸腐蚀设备。•硫化物还会造成大气污染并影响人体健康。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术19重力法脱水•常用气水分离器脱除沼气中的部分水蒸气。•输气管路最低点设置集水器，排出冷凝水。•管路坡度和低点位置会影响冷凝水能否顺利汇集。•脱水减少流动阻力，并降低水与H₂S共同造成的腐蚀。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术20干法脱硫•脱硫塔内装填多层吸收材料。•常用材料包括氧化铁和活性炭等。•H₂S在通过填料层时被吸收并脱除。•干法系统设备相对紧凑，但填料需要检查、更换或再生。湿法脱硫•液体吸收剂从塔顶向下喷淋，沼气从塔底上升。•H₂S进入吸收液并被脱除，常用2%～3%碳酸钠或稀氢氧化钠溶液。•湿法脱硫效率一般在90%以上，延长接触时间可进一步提高。•其运行管理较复杂，占地通常大于干法脱硫2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术21生物脱硫•无色硫细菌在微氧条件下把H₂S氧化为单质硫。•优点包括无需催化剂、化学污泥少、耗能低、可回收硫和去除效率高。•系统气味较小。•难点是根据H₂S浓度控制反应所需的溶解氧浓度。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术22(2)沼气的储存•沼气产生基本连续，而使用通常间歇，因此需要储气设备。•可采用低压湿式储气柜、干式储气柜或橡胶储气袋。•民用时储气柜容积按产气量50%～60%计算；民用、发电或锅炉各一半时按40%计算。•工业用途应根据实际用气曲线确定储气容积。2）大中型沼气工程工艺及应用8.2.2沼气技术第8章生物质能利用技术231）热裂解原理•生物质在无氧或缺氧条件下发生热降解。•最终产物包括生物质热解油、木炭和可燃气体。•三种产物比例取决于工艺类型和反应条件。•热裂解不是完全燃烧，目标是把化学能保存在不同产物中。8.2.3生物质热裂解技术第8章生物质能利用技术24按温度划分热裂解低温热裂解温度低于500℃。中温热裂解温度约500～650℃。高温热裂解温度约700～1100℃。温度作用影响反应程度、二次裂解和产物比例。1）热裂解原理8.2.3生物质热裂解技术升温速率与主产物低温慢速产物以木炭为主。中温快速产物以生物油为主。高温闪速产物以可燃气体为主。实际产率还受原料、反应器、停留和冷却条件影响。第8章生物质能利用技术25热裂解过程的三个阶段脱水：室温～100℃热裂解：100～380℃碳化：高于380℃脱水主要是物理失水；热裂解阶段析出多种挥发物并发生主要质量损失；碳化阶段分解速度较慢。1）热裂解原理8.2.3生物质热裂解技术第8章生物质能利用技术26图8.1生物质热裂解液化工艺流程•一般流程包括干燥、粉碎、热裂解、炭和灰分离、气态生物油冷却以及生物油收集。•各环节共同服务于快速传热、减少二次裂解和稳定收集液体产物。•流程中的气体和固体副产物也需要合理利用或处理。1）生物质热裂解的液化工艺8.2.3生物质热裂解技术第8章生物质能利用技术27步骤1-2：干燥与粉碎•为避免原料水分进入生物油，教材要求物料含水率一般低于10%。•快速热裂解需要很高的加热速率，因此物料粒径应足够小。•不同反应器粒径要求不同：旋转锥＜200μm、流化床＜2mm、传输床或循环流化床＜6mm。•粒径越小加工费用越高，需要综合反应器要求与成本。1）生物质热裂解的液化工艺8.2.3生物质热裂解技术步骤3：热裂解反应控制•生产生物油需要很高的加热速率和热传递速率。•反应温度应严格控制在中温范围。•挥发分产生后需要快速离开高温区并迅速冷却。第8章生物质能利用技术28步骤4：炭和灰的分离•生物质中的灰几乎都保留在产物炭中，因此分离炭也同时分离灰。•炭从生物油中分离较困难，并非所有应用都必须完全分离。•炭会催化二次裂解，并使液体热解油产生不稳定因素。•对高质量生物油工艺，快速、彻底分离炭灰十分重要。1）生物质热裂解的液化工艺8.2.3生物质热裂解技术步骤5：气态生物油快速冷却•挥发分从产生到冷凝的时间与温度影响液体质量和组成。•停留时间越长，二次裂解生成不可冷凝气体的可能性越大。•为了保证产油率，需要快速冷却热裂解挥发产物。•急冷系统必须与反应器出口流量和温度相匹配。第8章生物质能利用技术29步骤6：生物油收集•收集系统需要冷凝气态生物油并汇集液体产物。•多种重组分的冷凝可能导致反应器或管路堵塞。•设计除严格控制温度外，还要组织合理的冷凝和排液路径。•生物油性质复杂，储存和后续利用需结合实际质量要求。1）生物质热裂解的液化工艺8.2.3生物质热裂解技术第8章生物质能利用技术301）生物质气化的原理及评价指标8.2.4生物质气化技术生物质气化是指在一定的温度及压力条件下,利用空气中的氧气、水蒸气、一氧化碳等作为气化剂,将生物质转化为可燃气体的过程。干燥区50～150℃热裂解区约160℃起氧化区最高1000～1200℃还原区600～900℃下吸式固定床的四个反应区第8章生物质能利用技术31干燥区•生物质物料和气化剂从气化炉顶部进入。•含水原料与下部热源换热，水分蒸发。•干燥区温度约50～150℃。•产物为干物料和水蒸气：干物料在重力作用下下移，水蒸气在抽吸作用下也向下移动。热裂解区•干物料、水蒸气和气化剂继续获得氧化区传来的热量。•温度达到约160℃时，生物质发生热裂解并析出挥发分。•产物包括炭、H₂、水蒸气、CO、CO₂、CH₄、焦油和其他烃类。•这些产物继续向下进入氧化和还原区域。1）生物质气化的原理及评价指标8.2.4生物质气化技术第8章生物质能利用技术32氧化区及式C+O₂→CO₂+393.51kJ(8.1)碳完全氧化，强放热。2C+O₂→2CO+221.34kJ(8.2)碳不完全氧化生成CO。2CO+O₂→2CO₂+565.94kJ(8.3)CO继续氧化放热。2H₂+O₂→2H₂O+483.68kJ(8.4)氢氧化生成水。CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O+890.36kJ(8.5)甲烷完全燃烧。1）生物质气化的原理及评价指标8.2.4生物质气化技术第8章生物质能利用技术33还原区C+CO₂→2CO+172.43kJ(8.6)CO₂与炭反应生成CO。H₂O+C→CO+H₂−131.72kJ(8.7)水蒸气与炭生成合成气。2H₂O+C→CO₂+2H₂+90.17kJ(8.8)生成CO₂和H₂。H₂O+CO→CO₂+H₂+41.13kJ(8.9)水煤气变换反应。3H₂+CO→CH₄+H₂O+250.16kJ(8.10)甲烷化反应。1）生物质气化的原理及评价指标8.2.4生物质气化技术第8章生物质能利用技术34Gₚ=Vg/Mb(8.11)气体产率：标准状态气体体积／生物质质量。Qa=126QCO+108QH₂+3594QCH₄+6659QC,H(8.12)按各可燃组分体积分数估算低位热值；系数按教材排版核对。η=QgGₚ/Qb×100%(8.13)气化气的化学能与原料化学能之比。ηC：按气体含碳量与原料含碳量计算(8.14)碳转化率；原式分式结构按教材理解。P=Wb/A(8.15)气化强度：单位面积、单位时间的进料能