（机械电子工程专业论文）电厂锅炉生物质燃气点火助燃的初步研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 生物质气化技术用于电站锅炉点火、稳燃、助燃，对节约电站锅炉用油和推 进生物质气化应用技术有积极作用。本文利用生物质气化技术，初步研究并开发 了一种适于电站锅炉点火助燃的系统和设备。本文在阅读大量文献基础上对生物 质气化技术进行了详细的阐述，主要包括：生物质气化基本原理、工作过程和特 点，生物质气化设备的种类、工作原理和特点；对生物质燃气点火助燃系统进行 了总体方案的规划，并对系统中的气化设备进行了设计计算；系统中锅炉点火器 采用强制鼓风预混式燃烧方式，并运用相关理论对其进行了设计计算和技术经济 可行性分析。 关键词：生物质，气化，电站锅炉，燃气点火助燃 a bs t r a c t b eu s e df o ri g n i t i o n ，s t a b l ec o m b u s t i o na n dc o m b u s t i o n - s u p p o r t i n gi np o w e r s t a t i o nb o i l e r ，b i o m a s sg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sap o s i t i v ee f f e c to no i l s a v i n gi n p o w e r s t a t i o nb o i l e ra n d a d v a n c eo fb i o m a s sg a s i f i c a t i o na p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y w i t h t h eu t i l i z a t i o no fb i o m a s sg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , w ep r e l i m i n a r yr e s e a r c ha n d d e v e l o pak i n do fs y s t e ma n de q u i p m e n tw h i c h i ss u i t a b l ef o ri g n i t i o na n dc o m b u s t i o n s u p p o r t i n go fp o w e rs t a t i o nb o i l e r b a s e do fr e a d i n gl o t so fr e f e r e n c e s ，b i o m a s s g a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi s d i s c u s s e di n d e t a i l i n t h i s t h e s i s ，i n c l u d i n gt h eb a s i c p r i n c i p l e ，p r o c e s s ，c h a r a c t e ro fb i o m a s sg a s i f i c a t i o n ，a n dc a t e g o r i e s ，w o r k i n gp r i n c i p l e ， c h a r a c t e ro fb i o m a s sg a s i f i c a t i o ne q u i p m e n t t h eb i o g a si g n i t i o na n dc o m b u s t i o n s u p p o r t i n gs y s t e mi sg e n e r a lp l a n e d ，a n di t sg a s i f i c a t i o ne q u i p m e n ti sd e s i g n e d t h e w a yo fc o m b u s t i o no fb o i l e ri g n i t e ri ns y s t e mi sc o m p u l s o r yp r e m i x e db l o w i n g ，a n d t h eb o i l e r i g n i t e ri sd e s i g n e dw i t hc o r r e l a t i o nt h e o r i e s ，a n d i t st e c h n o - e c o n o m i c f e a s i b i l i t yi sa n a l y z e df i n a l l y w e n s h u a n g q u a n ( m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h a n gl i a n s h e n g k e yw o r d s ：b i o m a s s ，g a s i f i c a t i o n ，p o w e rs t a t i o nb o i l e r ，b i o g a si g n i t i o na n d c o m b u s t i o n s u p p o r t i n g 华北电力大学硕士学位论文 摘要 生物质气化技术用于电站锅炉点火、稳燃、助燃，对节约电站锅炉用油和推 进生物质气化应用技术有积极作用。本文利用生物质气化技术，初步研究并丌发 了一种适于电站锅炉点火助燃的系统和设备。本文在阅读大量文献基础上对生物 质气化技术进行了详细的阐述，主要包括：生物质气化基本原理、工作过程和特 点，生物质气化设备的种类、工作原理和特点；对生物质燃气点火助燃系统进行 了总体方案的规划，并对系统中的气化设备进行了设计计算；系统中锅炉点火器 采用强制鼓风预混式燃烧方式，并运用相关理论对其进行了设计计算和技术经济 可行性分析。 关键词：生物质，气化，电站锅炉，燃气点火助燃 a bs t r a c t b eu s e df o ri g n i t i o n ，s t a b l ec o m b u s t i o na n dc o m b u s t i o n - s u p p o r t i n gi np o w e r s t a t i o nb o i l e r ，b i o m a s sg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sap o s i t i v ee f f e c to no i l s a v i n gi n p o w e rs t a t i o nb o i l e ra n da d v a n c eo fb i o m a s sg a s i f i c a t i o na p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y w i t h t h eu t i l i z a t i o no fb i o m a s sg a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , w ep r e l i m i n a r yr e s e a r c ha n d d e v e l o pak i n do fs y s t e ma n de q u i p m e n tw h i c hi ss u i t a b l ef o ri g n i t i o na n dc o m b u s t i o n s u p p o r t i n go fp o w e rs t a t i o nb o i l e r b a s e do fr e a d i n gl o t so fr e f e r e n c e s ，b i o m a s s g a s i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i sd i s c u s s e di n d e t a i l i n t h i st h e s i s ，i n c l u d i n gt h eb a s i c p r i n c i p l e ，p r o c e s s ，c h a r a c t e ro fb i o m a s sg a s i f i c a t i o n ，a n dc a t e g o r i e s ，w o r k i n gp r i n c i p l e ， c h a r a c t e ro fb i o m a s sg a s i f i c a t i o ne q u i p m e n t t h eb i o g a si g n i t i o na n dc o m b u s t i o n s u p p o r t i n gs y s t e mi sg e n e r a lp l a n e d ，a n di t sg a s i f i c a t i o ne q u i p m e n t i sd e s i g n e d t h e w a yo fc o m b u s t i o no fb o i l e ri g n i t e ri ns y s t e mi sc o m p u l s o r yp r e m i x e db l o w i n g ，a n d t h eb o i l e r i g n i t e r i s d e s i g n e dw i t hc o r r e l a t i o n t h e o r i e s ，a n di t st e c h n o - e c o n o m i c f e a s i b i l i t yi sa n a l y z e df i n a l l y w e ns h u a n g q u a n ( m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h a n gl i a n s h e n g k e yw o r d s ：b i o m a s s ，g a s i f i c a t i o n ，p o w e rs t a t i o nb o i l e r ，b i o g a si g n i t i o na n d c o m b u s t i o n s u p p o r t i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电厂锅炉生物质燃气点火助燃的初步 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：囊丛垒日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：乏醴， 日 期：拙址4 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着世界经济的持续快速发展和人口数量的迅速增长，人类对能源的需求必然 不断增加，而目前化石能源正在迅速减少，能源问题将成为长期困扰人类社会发展 的主要问题之一。据预测，地球上蕴藏的可开发利用的煤和石油等化石能源将分别 在2 0 0 年和3 0 4 0 年以内耗竭，而天然气按储采比也只能用6 0 年；同时化石能源 的过度开发利用，使得环境污染和全球气候变暖的问题也日益突出，因此寻找开发 新能源迫在眉睫1 1 j 。生物质能源是一种资源丰富的可再生能源，已成为仅次于煤炭、 石油、天然气的第四大能源，但其目前的利用还不到其产生总量的1 i 引，由此可 见，生物质能的开发利用前景十分广阔。 1 2 本课题的背景和研究意义 1 2 1 生物质能源的特点 生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动植物且能再生的物质，是生 物质能的载体。生物质能则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，将太阳能 转化为化学能固定和储藏在生物体内的能量【3 】。 生物质作为一种利用前景广阔的能源，具有许多优点：( 1 ) 产量丰富。根据生 物学家估算，地球陆地每年生产1 0 0 0 - 1 2 5 0 亿吨干生物质，海洋年生产5 0 0 亿吨 干生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量，相当于目前世界 总能耗的1 0 倍1 4 一l 。我国可开发为能源的生物质资源到2 0 1 0 年可达3 亿吨标准煤， 随着农林业的发展，特别是炭薪林的推广，生物质资源还将越来越多。( 2 ) 清洁环 保。生物质含硫量极低，燃烧后硫氧化物的排放量远低于煤和重油；其燃料热值低 且理论燃烧温度低，氮氧化物的生成率相应较低；且其灰分般很少，充分燃烧后 烟尘含量低。( 3 ) 可再生。生物质为年复一年的可再生物质，只要太阳辐射存在， 绿色植物光合作用就不会停止【6 引。生物质的开发利用有助于改善环境，满足我们 对能源的需求。生物质燃料同时具有分布分散、能量密度小、热值低、成分复杂等 缺点，有些还带有异味和有毒成分。正是这些特点使得开发利用生物质能的经济性 降低，高效利用的技术手段较复杂。 1 2 2 生物质能利用技术分类 作为生物质能载体的生物质是以实物的形式存在的，是可存储和运输的可再生 1 华北电力大学硕士学位论文 能源。生物质的组织结构与常规的化石燃料相似，其利用方式也与化石燃料类似。 常规能源的利用技术无需作大的改动，就可以应用于生物质能。但生物质的种类繁 多，分别具有不同特点和属性，其利用技术远比化石燃料复杂与多样【9 j 。 纵观国内外已有的生物质能利用技术，主要包括直接燃烧技术、热化学转换技 术、生物转换技术、液化技术和有机垃圾处理技术等，这些利用技术的分类大体上 如图1 - 11 1 0 l 所示。直接燃烧是将生物质原料直接送入燃烧设备而获得热能；热化学 转换技术是指在加热条件下，用化学手段将生物质转换成燃料物质的技术，主要包 括气化、干馏和快速热解液化。生物转换技术是利用微生物( 如厌氧菌、光合细菌、 酵母菌等) 在一定的温度和无氧条件下，将生物质降解产生小分子化合物( 如甲烷、 乙醇、氢气等) 的过程。 一 图1 - 1生物质能利用技术 各项生物质能利用技术都在逐渐完善和向前发展之中，随着研究的深入，技术 的进步，其应用层次在逐步提高。如生物质气化燃气可用作提供热能和发电的燃料， 还可为燃料电池、氨的合成提供原料；生物质经干馏得到的木炭可用于有色金属的 冶炼及环保行业的吸附剂；生物质在厌氧条件下可得到沼气等，说明生物质能利用 2 华北电力大学硕士学位论文 技术正在向纵深发展，生物质能的应用范围将会越来越广阔。 1 2 3 生物质能利用现状 生物质能的开发研究已普遍受到重视，许多国家都制定了相应的开发研究计 划，纷纷投入大量人力和资金从事生物质能的研究开发，如日本的阳光计划、印度 的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等【1 1 13 1 。 欧盟规划2 0 1 0 年可再生能源比例达1 2 ，每年可替代2 0 0 0 万吨石油，其中成 本较低的生物质能约占8 0 。美国在2 0 世纪7 0 年代研究开发了颗粒成型燃料和其 专用炉灶，用于家庭或暖房取暖；美国、德国等先后开展了从生物质制取液化油的 研究工作，其发热量达3 5x1 0 4 k j k g 左右。秸秆发电在欧洲的一些国家已得到广 泛应用，世界上第一座秸秆生物燃烧发电厂于1 9 8 8 年在丹麦投产；瑞典和丹麦实 行利用生物质进行热电联产的计划，使生物质在提供高品位电能的同时满足供热需 求【1 4 l 。生物质气化技术被广泛研究和应用于发电和集中供热，欧盟、美国和巴西等 国家的生物质气化技术比较先进，科学家估计美国的生物质发电到2 0 1 0 年将达到 1 3 0 0 0 m w 装机容量；发展中国家由于森林覆盖率下降，也开始重视生物质气化技 术的研究，印度以稻壳和可可壳为原料研制出3 7 1 0 0 k w 多种规格的上吸式气化 炉生物质气化发电装置1 1 5 1 8 j 。 我国农业部提出，到2 0 1 0 年我国生物质能发电将达到5 5 0 万千瓦，生物液体 燃料达到2 0 0 万吨，沼气年利用量达到1 9 0 亿立方米，生物固体成型燃料达到1 0 0 万吨，生物质能年利用量占到一次能源消费量的1 。目前我国农村生物质能的开 发利用已进入加快发展的重要时期，截至2 0 0 5 年底，我国农村使用沼气的农户达 到1 8 0 7 万多户，建成养殖场沼气工程3 5 5 6 处，产沼气约7 0 亿立方米，折合5 2 4 万吨标准煤，5 0 0 0 多万能源短缺的农村居民通过使用清洁的气体燃料，生活条件得 到了根本改善；秸秆燃烧技术也已取得相当的成果，我国第一个2 0 兆瓦生物质发 电工程2 0 0 5 年落户江苏如东；生物质气化技术发展较快，已建成农村气化站2 0 0 多个，谷壳气化发电设备1 0 0 多套，应用上除传统的供热外，最主要的突破是农村 家庭供气和气化发电，广州能源所等单位开发了m w 级生物质气化发电技术和设备 1 1 9 。 1 2 4 锅炉点火助燃现状 燃煤火力发电是目前各国的主要发电方式，我国燃煤电厂的发电机组装机容量 占全国总装机容量的7 0 左右。点火是锅炉燃烧过程的一个主要方面，随着锅炉容 量的增大，如何快速经济地完成锅炉的启动过程是一个亟待解决的重大问题。 传统的电厂煤粉锅炉基本上采用油点火或助燃，一般是用油将炉膛烧热以保证 3u 华北电力大学硕士学位论文 煤粉在喷入炉膛时稳定燃烧，由于负荷的变化，在运行中低负荷下燃烧可能不稳定 因而需要用油助燃。这种点火方式耗油很大，全国电站锅炉点火用油在4 0 万吨年 以上，助燃用油消耗量更大。据有关资料报道，一台1 2 5 m w 机组锅炉从点火到带 满负荷，时间不短于9 小时，其中烧油时问近8 小时，启动次耗油量约3 0 吨； 一台2 0 0 m w 机组锅炉点火一次需耗油7 0 吨，煤质变差或其他原因引起启动时问 延长，耗油每次常达2 0 0 - - - 3 0 0 吨；一台3 0 0 m w 机组锅炉全年点火耗油4 0 0 吨；一 台6 0 0 m w 机组锅炉点火一次需耗油3 0 0 吨1 2 0 j 。 在能源日益紧张的今天，无油点火技术比油点火、少( 节) 油点火技术有发展 前途，将先进的无油点火、预燃室、稳燃技术有机结合的煤粉燃烧器必将形成未来 锅炉点火及低负荷稳燃煤粉燃烧器的主流。目前无油点火技术包括等离子体点火、 液化气点火、电热管点火、激光点火。等离子体点火技术虽然只需少量电能、适用 煤种较广且点火时间短，但其设备投资费用大且运行维护技术较复杂；电热管点火 方式虽然投资少、运行成本低、系统简单，但电热管的材料使用寿命较短；激光点 火技术目前处于实验室研究阶段；液化气点火的优点是燃气热值高、调节方便、污 染小且煤种适应性强，但目前该技术还未形成成熟技术【2 1 j 。国内目前燃气点火的研 究还很少，电厂锅炉生物质燃气点火助燃技术的关键在于燃气点火器的研究开发。 凯明洋能源工程公司进行高温火烧试验的引射式燃气点火器( 见图1 2 ) 采用热值 较高的天然气作为燃料；河南农业大学能源实验室对生物质燃气流量与点火参数的 关系进行了试验，其火焰温度高达1 5 6 1 ，火焰长达1 0 6 m ，其试验表明生物质燃 气点火器具有点火可靠、火焰温度高、适应性强、操作方便、经济效益高及污染小 等优点，在我国电站锅炉上具有广阔的应用前景。 图1 2 引射式燃气点火器( 天然气) 我国生物质秸秆剩余量越来越大，且生物质气化技术日趋成熟，但其应用领域 主要在农村炊事用能和燃气发电，采用生物质燃气代替油点火助燃的利用虽有文字 4 华北电力大学硕士学位论文 报道具备可行性，但对用于电站锅炉的生物质燃气点火助燃系统及生物质燃气点火 器具体技术设备的研究还很少。 1 2 5 选题的意义 ( 1 ) 生物质是一种能与环境协调发展的可再生能源，具有巨大的发展潜力。 将农村丰富的生物质能源转化成高品位的燃气和电力等能源，能解决这些地区用电 用能问题。生物质氮、硫含量少，灰分低，发展生物质利用技术可减少有害气体和 粉尘的排放，还可改善以化石燃料为主的单一能源供给结构。 ( 2 ) 生物质气化将低品位的固态生物质转换成高品位的可燃气体，燃气燃烧 时没有颗粒物排放且仅有较小的气体污染，和炉灶式的直接燃烧相比，是一种高效 低污染的利用技术。 ( 3 ) 生物质分布广泛但不集中，能量密度较小，储运较困难且费用较大，我 国农作物秸秆的经济收集半径应控制在3 0k m 【2 2 1 。用生物质作原料直接燃烧或混合 燃烧来发电的电站受原料供应的影响较大；而生物质气化燃气用于锅炉点火助燃对 生物质的需要量很小，储运方便且费用小。 ( 4 ) 我国目前的电厂煤粉锅炉基本采用油进行点火或助燃，全国电站锅炉点 火用油在4 0 万吨年以上，助燃用油消耗量更大【2 3 】；同时我国生物质目前作为能源 利用的比例并不高，大部分农业废弃物就地焚烧导致资源浪费和环境污染。将生物 质气化燃气用于电站锅炉点火、稳燃、助燃，对节约电站锅炉用油和推进生物质气 化应用技术有积极作用，同时对促进社会经济发展和改善生态环境具有重大意义， 对此进行深入的基础与理论研究是很有必要的。 1 3 本论文的研究内容 本文在阅读和总结大量的国内外文献基础上，对生物质气化技术进行比较全面 和系统的阐述。针对目前电站锅炉点火助燃耗油量较大的情况，结合目前广泛研究 的生物质气化器，本文提出了一套制取生物质燃气用于电站锅炉点火助燃的系统。 该系统采用热功率为3 0 0 k w 下吸式固定床气化器，送入气化器的生物质与少量空气 发生反应，产生的燃气经净化后送入1 3 0 t h 煤粉锅炉( 其引燃煤种为无烟煤) 的生 物质燃气点火器进行点火助燃。本论文的主要内容包括以下几个方面t ( 1 ) 为便于研究和了解生物质燃料的组成特性，为生物质热化学转化提供基 本数据，首先阐述生物质燃料的工业分析和元素分析、燃料热值等； ( 2 ) 介绍生物质气化原理、工作过程和特点以及气化评价指标和影响因素； 介绍生物质气化设备种类，并对固定床和流化床气化器的结构、工作原理和特点进 行阐述； 5 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 对生物质燃气点火助燃系统总体方案的规划，包括生物质气化系统和锅 炉点火助燃系统的规划； ( 4 ) 选取下吸式固定床气化器，用玉米秸秆作为气化原料，对气化器主要参 数、各部分结构和气化指标进行设计计算，对所设计的气化器进行评价； ( 5 ) 分析生物质燃气的基本特性，确定燃烧方式，对生物质燃气点火器的各 部分结构和尺寸进行设计计算，并对其进行技术经济可行性分析。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章生物质气化技术 生物质气化是指利用空气中的氧或含氧物质做气化剂，将固体燃料中的碳氧化 生成可燃气体的过程。生物质气化技术将低品位的固态生物质转换成高品位的可燃 气体，广泛应用于工农业生产的各个领域，如集中供气、供热和发电等。 本章首先介绍生物质燃料的组成分析方法和燃料热值等概念，之后进一步研究 生物质的气化原理、气化过程和气化设备等。 2 1 生物质燃料组成分析、基准和热值 ( 1 ) 工业分析和元素分析组成 工业分析组成可给出固体燃料中可燃成分和不可燃成分的含量( 以质量分数表 示，总和为1 0 0 ) ，可燃成分为挥发分和固定碳，不可燃成分为水分和灰分。 元素分析组成可给出组成燃料的各种元素的含量( 以质量分数表示，总和为 1 0 0 ) ，主要是可燃成分的有机元素如碳、氢、氧、氮、硫等，不反映由元素结合 成的化学组成与结构。固、液体燃料的各元素组成：碳( c ) 、氢( h ) 、氧( o ) 、 氮( n ) 、硫( s ) 、水分( m ) 、灰分( a ) ，通常用其相对质量来表示【2 4 1 ，即 c + 日+ d + + s + 彳+ m = 1 0 0 ( 2 1 ) ( 2 ) 燃料的基准 根据燃料所处状态或按需要而规定的成分组合称为基准。根据各种实际需要， 燃料的工业分析和元素分析通常使用的基准包括收到基、空气干燥基、干燥基、干 燥无灰基，各成分以质量分数表示。收到基( 或应用基) 以收到状态的燃料为基准， 以下角标a l 表示；空气干燥基( 或分析基) 以实验室条件下自然风干的燃料试样为 基准，以下角标a d 表示：干燥基以在烘箱中烘干后失去全部游离水分的燃料试样 为计算基准，以下角标d 表示；干燥无灰基( 或可燃基) 以去掉水分和灰分的燃料 作为计算基准，以下角标d a f 表示。 不同基准的成分换算只需将被换算的基组成乘上一个相应的换算系数即可。按 不同基准计算的成分的含量可按式( 2 2 ) 进行换算： 工一k x o( 2 - 2 ) 式中，x o 为按原基准计算的某一成分的百分含量；x 为按新基准计算的某一成分的 百分含量；k 为基间换算比例系数。 ( 3 ) 燃料的热值 生物质燃料主要有农作物秸秆、薪柴、野草、畜粪和木炭等，通常它们都含有 7 华北电力大学硕士学位论文 不同数量的水分。1k g 生物质完全燃烧所放出的热量( 单位为k j k g ) 称为它的高 位热值；水分在燃烧过程中变为蒸汽( 燃料中氢燃烧时也生成水蒸气) 吸收一部分 热量称为气化潜热。高位热值减去气化潜热值得到的热量，即为1k g 生物质的低位 热值。国内在燃用生物质过程中，如果不特别注明，计算其发热量时一般取低位热 值这个数据。水分在转变成蒸汽时吸收热量，因此每种生物质都因其含水量不同而 导致低位热值不同，含水量越大则低位热值越小。 2 2 生物质气化的基本原理 生物质气化技术的基本原理为，在高温完全无氧或只提供有限氧的情况下，使 生物质中的有机物质等发生热分解而析出挥发性物质( 常温下为液态或气态) ，并形 成固态的半焦或焦炭。此过程中还伴随有碳与水蒸气、碳与氢的反应。气化过程和 常见的燃烧过程的区别是：燃烧过程中供给充足的氧气使原料充分燃烧，其目的是 商接获取热量，燃烧产物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧的烟气；气化过程只供 给热化学反应所需的那部分氧气，而尽可能将能量保留在气化产物中，其气化产物 是含氢、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体。 2 2 1 生物质气化的反应过程 生物质气化的具体过程是：生物质原料进入气化炉后被干燥，随着温度的升高 析出挥发分并在高温下热解；热解后的气体、炭在氧化区与供入的气化剂发生氧化 反应并燃烧，燃烧放出的热量用于维持干燥、热解和还原反应，最终生成含有一氧 化碳、氢气、甲烷及部分碳氢化合物的混合气体【2 5 2 6 1 。 整个气化系统是自供热的，从它自身内部的化学反应过程就可以产生完全气化 所需的热量。气化反应过程随着气化装置的类型、工艺流程、反应条件、气化剂种 类、原料性质等条件的不同，其反应过程也不相同。但不同条件下的生物质气化过 程基本包括下列反应1 2 7 1 ： c + 0 2 = c 0 2( 2 3 ) 2 c + 0 2 = 2 c 0 ( 2 - 4 ) h 2 0 + c = c o + h 2 ( 2 5 ) 2 h e o + c = c 0 2 + 2 h 2 ( 2 6 ) 2 c o + 0 2 = 2 c 0 2 ( 2 - 7 ) h 2 0 + c o = c 0 2 + h 2( 2 8 ) c 0 2 + c = 2 c o( 2 - 9 ) c 0 2 + c h 4 = 2 c o + 2 h 2( 2 1 0 ) c + 2 h 2 - - c h 4( 2 - 1 1 ) r 华北电力大学硕士学位论文 c o + 3 h 2 = c h 4 + h 2 0 ( 2 1 2 ) c 0 2 + h 2 = c o + h 2 0 ( 2 - 1 3 ) 2 h 2 + 0 2 = 2 h 2 0 ( 2 - 1 4 ) 上述反应中，碳和氧的氧化反应是基础，即碳和氧生成二氧化碳( 反应2 3 ) 和一氧化碳( 反应2 4 ) 的放热反应。碳和水蒸气的反应( 反应2 5 ，2 - 6 ) 则是典 型气化目的的反应，生成氢、一氧化碳和二氧化碳。这些反应生成物与碳，以及反 应生成物之间，在相近的温度和压力下将继续反应( 反应2 - 7 一- 2 1 4 ) 。这些反应既 有吸热反应，也有放热反应【2 引。 为了方便描述生物质气化过程，将结合生物质下吸式气化反应器的气化过程 ( 图2 1 【9 】) 说明生物质气化的基本原理。生物质从气化装置的顶部加入，依靠自 身的重力逐渐由上部下落 到底部，气化后形成的灰 渣从底部清除。空气从气 化装置的中部( 氧化区) 加入，可燃气从下部被吸 出。依据在气化器中发生 的不同热化学反应，可以 从上至下依次分为干燥 层、热解层、氧化层和还 原层四个区域。 ( 1 ) 干燥层 i 干燥层( 2 0 0 - 3 0 0 t ；) 热解层( 3 0 0 - - 8 0 0 3 ) 氧化层( 8 0 0 - 1 2 0 0 e ) 还原层o o o - 9 0 0 c ) 水蒸气 气体( c o ，h 2 ，c e 4 ，c 0 2 ) 等，j 夜体和木炭 气化剂 - 一 c + c r 吒包 j 燃气 图2 - 1 生物质气化原理 c + c 0 2 2 c 0 c + 】互2 0 h ：- c o 生物质进入气化器顶部，大约被加热至2 0 0 3 0 0 ，原料中的水分首先蒸发， 产物为干原料和水蒸气。 ( 2 ) 热解气( 干馏层) 生物质干原料向下移动进入热解层，挥发分将会从生物质中大量地析出，在 5 0 0 6 0 0 时基本上完成，只剩下残余的木炭。热解反应析出的挥发分主要包括水 蒸气、氢气、一氧化碳、甲烷、焦油和其他碳氢化合物。 ( 3 ) 氧化层 热解的剩余物木炭与被引入的空气发生剧烈反应，同时释放出大量的热，以支 持其他区域反应进行。氧化层的反应速率较快，高度较低。在氧化层，温度可以达 到1 0 0 0 1 2 0 0 ，挥发分参与燃烧后进一步降解。主要化学反应为 c + 0 2 - c 0 2( 2 3 ) 2 c + 0 2 = 2 c o( 2 4 ) 2 c 0 + 0 2 = 2 c 0 2 ( 2 - 7 ) 9 华北电力大学硕士学位论文 2 h 2 + 0 2 - 2 h 2 0( 2 - 1 4 ) ( 4 ) 还原层 还原层中没有氧气存在，氧化层中的燃烧产物及水蒸气与还原层中木炭发生还 原反应，生成了氢气和一氧化碳等。这些气体和挥发分等形成了可燃气体，完成了 固体生物质向气体燃料转化的过程。因为还原反应为吸热反应，温度相应降低到 7 0 0 9 0 0 。c ，所需的热量由氧化层所提供，反应速率较慢，因此还原层的高度超过 氧化层。主要化学反应为： h 2 0 + c = c o + h 2 ( 2 - 5 ) c 0 2 + c - 2 c o( 2 - 9 ) c + 2 h 2 = c h 4 ( 2 1 1 ) 在上述反应过程中，只有氧化反应是放热反应，释放出的热量为生物质干燥、 热解和还原阶段提供热量。生物质气化的主要反应发生在氧化层和还原层，所以称 氧化层和还原层为气化区。在实际操作过程中，上述四个区域没有明确边界，是相 互渗透和交错的。 2 2 2 生物质气化工艺 采用不同原料和吹入气体( 空气、氧气和水蒸汽) 所产生的可燃气成分各不相 同。生物质气化有多种形式，按气化介质分类，可分为使用气化介质和不使用气化 介质两种。使用气化介质有空气气化、氧气气化、水蒸气气化、空气( 氧气) 一水 蒸气混合气化和氢气气化等，不使用气化介质有热分解气化( 如图2 - 2 1 2 4 1 ) 。 图2 2 生物质气化工艺分类 ( 1 ) 空气气化：以空气为气化介质的气化过程。空气中的氧气与生物质中的 可燃组分进行氧化反应，产生可燃气。反应过程中放出的热量为气化反应的其它过 程即还原反应、热分解过程及原料的干燥提供所需热量，整个气化过程是一个自供 热系统。空气中的氮气不参加化学反应，却稀释了燃气中可燃组分的含量。其可燃 1 0 华北电力大学硕士学位论文 气中氮气含量高达5 0 左右，降低了燃气的热值，其热值通常为5 4 4 0 - 7 3 2 2k j m 3 ( 标准状态) ，为低热值气体。由于所需空气可以任意取得且不需外供热源，因此 空气气化是所有气化过程中最简单也最易实现的形式，其应用较普遍。 ( 2 ) 氧气气化：也不需要提供外部热源，是指向生物质燃料提供一定氧气， 使之进行氧化还原反应，产生可燃气，但没有惰性气体n 2 。氧气气化生成的可燃气 体的主要成分为一氧化碳、氢气及甲烷等，其热值为1 0 8 7 8 - - - 1 8 2 0 0 k j m 3 ( 标准状 态) ，为中热值气体。 ( 3 ) 水蒸气气化：是指水蒸气同高温下的生物质发生反应，其主要气化反应 是吸热反应，因此水蒸气气化的热源来自外供热源及水蒸气本身热源，但反应温度 不能过高，技术较复杂，不易控制和操作。生成的可燃气中氢气和甲烷的含量较高， 其热值可以达到1 0 9 2 0 - - 1 8 9 0 0 l 【j m 3 ( 标准状态) ，为中热值气体。 ( 4 ) 空气( 氧气) 一水蒸气混合气化：是指空气( 或氧气) 和水蒸气同时作 为气化介质的气化过程。从理论上分析，空气( 或氧气) 和水蒸气气化是比单用空 气或单用水蒸气都优越的气化方法：一方面它是自供热系统，不需复杂的外供热源； 另一方面气化所需的部分氧气可由水蒸气提供，减少了空气( 或氧气) 消耗量，并 生成更多的氢气及碳氢化合物，特别是有催化剂存在时，可促进一氧化碳变为二氧 化碳，降低了气体中一氧化碳的含量，使生物质燃气更适合用作城市燃气。 ( 5 ) 氢气气化：是指氢气同碳及水发生反应生成大量甲烷的过程，其反应条 件苛刻，需在高温高压且有氢源的条件下进行，其燃气热值可达2 2 2 6 0 - 2 6 0 4 0 k j m 3 ，属于高热值燃气。此类气化不常用。 。 ( 6 ) 热分解气化：是热解气化的一种特例。它是指在隔绝空气或只提供极有 限的氧使气化不至于大量发生的情况下，所进行的生物质热分解，也可描述成生物 质的部分气化。热分解气化是吸热反应，需提供外部热源。表2 2 为几种气化技术 的产物及用途。 表2 - 2 不同气化技术的可燃气热值及用途 气化技术类型可燃气热值( 1 d m 3 ) ( 标准状态)用途 空气气化 5 4 4 0 7 3 2 2 锅炉、干燥、动力 氧气气化1 0 8 7 8 1 8 2 0 0区域管网、合成燃料 水蒸气气化1 0 9 2 0 ，一l8 9 0 0区域管网、合成燃料 氢气气化2 2 2 6 0 2 6 0 4 0工艺热源、管网 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 气化过程的指标 气化器中气化过程评价的指标主要是当量比、气体产率、气体的组成和热值、 气化效率、热效率、碳转换率、气化强度等。 ( 1 ) 当量比( e q u i v a l e n c er a t i o ，e r ) 职= 鞣獬糕黼篙鬻踹 弘柳 每堙牛物质完全燃烧所需空气( 氧气) 的质量 r 7 指自供热气化系统中，单位质量生物质在气化过程中，实际消耗的空气( 氧气) 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。当 量比大，说明气化过程消耗的氧量多，其反应温度升高，有利于气化反应的进行， 但燃烧的生物质份额增加，其产生的二氧化碳量增加，使气体质量下降【2 9 1 。理论最 佳当量比为0 2 5 。实际运行中，由于原料与气化方式的不同，控制的最佳当量比在 0 2 0 3 之间。 ( 2 ) 气体产率 指单位质量的生物质原料气化后所生成的燃气在标准状态下的体积( n m 3 k g ) 。 气体产率可分为湿气体产率( 包括水分在内的气体量) 与干气体产率。气体产率与 生物质种类有关，决定于原料中的水分、灰分及挥发分，对于同类型的原料，惰性 组分( 灰分和水分) 越少，可燃组分含量越高，则气体产率越高。 ( 3 ) 气体的组成和燃气热值 气体燃料的组成和热值体现出燃气的质量。气体燃料组成通常用容积分率或分 压分率表示，其中c o 、h 2 、c i - 1 4 、c 2 h 2 等为有效组分，n 2 为惰性组分，c 0 2 、h 2 s 等为杂质。气体燃料的热值是指标准状态下其各可燃成分热值的总和。生物质气化 所得的气体燃料的低热值简化计算公式为： 工职一1 2 6 3 6 c 0 + 1 0 7 9 8 h 2 + 3 5 8 1 8 c h 4 + 6 2 9 0 9 q h ， ( 2 - 2 0 ) 式中l h v g 气体低位热值，k j m 3 ( 标准状态) ；c o ，h 2 ，c 1 4 4 ，c n h m 分别为 c o ，h 2 ，c h 4 以及不饱和碳氢化合物总和的体积含量，。 ( 4 ) 气化效率 指生物质气化后所生成燃气的总热量与气化原料总热量之比，称为气化效率 ( 又称冷气体热效率【3 0 1 ) ，它是衡量气化过程的主要指标。 气化效率( ) 一皇壁塑垄望笙塑生生璺案薯蓑蓑凳蔷篆舅鬈手塑堕1 丝燃( 2 2 1 ) 1 2 华= j 匕电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 热效率 气化效率表示所有直接加入到气化过程中的热量的被利用程度。实际上，还应 考虑气化过程中气化剂所带入的热量，当气化过程中焦油被利用时，焦油也应作为 可被利用的热量。热效率为生成物的总热量与气化过程总耗热量之比。 ( 6 ) 碳转化率 碳转化率是指生物质燃料中的碳转化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，它是衡量气化效果的指标之一。 r：一一g0c 1 2 ( c 0 2 + c o + c h 4 + 2 s c , , h , ) = 一一u 1 7 2 2 4 ( 2 9 8 2 7 3 ) c 7 式中：碳转换率，； 句气体( 标准状态) 产率，i n 船； c 生物质原料中碳的含量，； c o z 、c o 、c h 。、c n h 。分别为燃气中c q 、c o 、c h 。以及 不饱和碳氢化合物总和的体积含量，。 ( 2 2 2 ) ( 7 ) 气化强度 在单位时间内，单位气化反应器横截面积上所能气化的原料量称为气化器的气 化强度，单位通常为k ( m 2 h ) 。根据气化强度可以确定气化反应器的生产能力， 即每小时的原料处理量。 气化悯船舻矧= 篙蒜蔫黼辫( 2 - 2 3 ， 2 2 4 气化过程中的影响因素 生物质的气化过程非常复杂，受很多因素的影响。影响气化指标的因素取决于 原料的气化特性、气化过程的操作条件和气化反应器的构造。 ( 1 ) 原料的气化特性 原料的气化特性不但影响气化指标，而且决定气化方法和器型选择。生物质作 为气化原料比煤作为气化原料有突出的优点：生物质挥发分高、固定碳低：生物质 炭反应性高；生物炭灰份少；含硫量低。 ( 2 ) 原料的挥发分 一般来说，原料中挥发分越高，燃气的热值就越高。但燃气热值并不是按挥发 分量成比例地增加。挥发分中除气体产物外，还包括煤焦油和合成水分，当这些成 分高时，燃气热值就低。气体成分组成不同也会影响热值，如可燃气体和惰性气体 1 3 华北电力大学硕士学位论文 的含量对热值的影响很明显。 ( 3 ) 原料的反应性和结渣性 反应性好的原料可在较低温度下操作，其气化过程不易结渣，有利于操作及生 成甲烷。燃料中的矿物成分通常在燃烧层的反应中起催化作用，因为生物质和煤的 灰的组成主要有s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、t i 0 2 、c a o 、m g o 、k 2 0 等。对于反应性和 结渣性差的原料应在较高温度下操作( 但不得超过生物质灰分的熔化温度) ，以促 使二氧化碳还原反应加强，提高水蒸气的分解率，从而增加煤气中的一氧化碳和氢 的含量。 ( 4 ) 原料粒度及粒度分布 原料粒度及粒度分布对气化过程影响较大，粒度较小能提供较多的反应表面， 但其通过气化器的压降较大。颗粒粒度分布的均匀性是影响气流分布的主要因素。 如果将未筛分的原料加入固定床，会造成大颗粒在床层中的分布不均，形成阻力较 大和阻力较小的区域，造成局部强烈燃烧、温度过高，使气化局部上移或烧结形成 “架空现象，严重时气化层可能越出原料层表面出现“烧穿现象 。此时，从“烧 穿”区出来的气化剂就会把气化器炉膛产生的气体燃料烧掉，严重降低气体燃料质 量，使气化器处于不正常操作状态。因此气化原料必须经过筛分，原料最大与最小 粒度比一般不超过8 。一些实验证实：避免燃料架空的条件是燃料最大尺寸与反应 器内最小截面尺寸之比宜在6 8 以上。 ( 5 ) 气化条件 反应温度、反应压力、物料特性、气化设备结构等也是影响气化过程中的主要 因素，不同气化条件下的气化产物成分的变化很大。反应温度是影响气化过程的主 要因素，在4 0 0 - - - , 9 0 0 范围内升高温度有利于气化过程。 2 3 生物质的气化设备 2 3 1 气化设备的种类 固体生物质燃料被气化时所使用的设备称为气化器，它是生物质气化系统中的 核心设备。生物质原料种类很多，且其性质差另i j 很大，设计一种能处理不同原料的 通用气化器是不可能的，这在客观上要求气化技术的多样性。各种气化器的不同之 处在于：使用气化剂的种类、工作压力、工作温度、气体和固体相