生物质和褐煤的低温气化

1、生物质和褐煤的低温气化：对于关键热化学反应现象、重排反应和反应装置的考虑摘要：本文讨论固体燃料例如生物质和褐煤在低于1000下的气化，在这个温度下可能实现小于10%的化学能损失，但同时会在反应器系统中的快速和完全固气转化反应过程遇到困难。首先，关键的热化学和催化现象是从与气化相关连的复杂反应中取得的。这些包括中间体（即，挥发分和焦炭）之间的相互作用，内在和外部的金属种类的催化反应，以及非常快速的新生煤焦和水蒸气气化反应。第二，控制关键现象的一些方法与以上内容一起能够把一系列或者相关的同构/异构反应重新排列。第三，所提出概念的实现是在假设各种流化床气化炉单一流化床、双床、三床循环流化床、固定（移

2、动）床的情况下所讨论的。三流化床可以通过对关键反应的增强或减弱以及通过从燃气轮机或燃料电池（即，煤气化联合循环发电）补充热量转化为燃气的化学能量这两种方式来实现化学能消耗小至10%的气化过程。研究人员提出一种特定类型的固定床气化炉，它从热解炉中被区分开来为的是实现关键反应的控制和吸放热反应的时间/空间的重排。这种类型的气化炉可以是化学能量损失小于4%。即使是一个传统的单流化床也能提供简单有效的气化，这时无焦油/活性炭代替母体作为燃料从而有助于一个新的整体煤气化联合循环燃料电池的理论电效率超过80%。介绍：气化是一种热化学方法或过程，目的是转化含碳固体燃料为气体如h2，co，ch4，用于发电或化

3、工生产。在作者的角度，如图一所示，该气化过程的意义是它整合不同能源（化学能源）变为一种简化的如上所示的气体产品，即，合成气，这是常见的能源和化工产品。气化过程也可以整合热能和化学能为合成气的化学能，以火用率的形式来补充前面的能源。该气化许多最尖端的技术，特别是，对于煤来说，是基于超过1000的部分燃烧。在汽化床中的煤气化广泛用于整合煤气化联合循环，被称作igccs。一些已经商业化被运作，而其他的则是师范阶段。预计，生物质气化将在不远的将来用于电力生产。新型固定床，双床（dfb）和加压流化床气化炉已朝着商业化电力生产。看来，许多用于气化炉和上下游工艺的技术已经接近商业化和示范。然而，如果有进一步

4、提高气化技术或者其经济性能的空间的话，在气化和相关技术的研究应该继续下去。本文集中关注气化的能源利用效率，而且觉得300至900摄氏度下的气化是可能的。最近的气化研究很大程度上依赖较高温度下的部分燃烧，而这需要非常快速的热化学反应来转换固体燃料成合成气，但是，它的代价导致化石燃料巨大的化学能损失（lce）。一个给定燃料的燃烧化学能量定义为基于低发热值或者高发热值的燃烧热值。化学能损失（lce）由以下公式给出： loss of chemical energy (lce) chemical energy of syngas chemical energy of original fuel一个igc

5、c系统的基于电效率为48%的供氧煤气化的火用分析显示，在气化发生的火用损失大于igcc系统其他的主要部分：燃气燃烧（19%），燃气/蒸汽涡轮机（7%），氧气产出（4%）。因此，气化能量/火用效率的提高是重要的。在气化的火用损失归因于放热反应，而这又与氧的消耗有关。从而需要减少氧消耗而且相反，增加蒸汽和co2，这些将导致吸热反应的发生。吸热反应过程意味着把化学和热能量整合成另一种形式的化学能量（即，合成气）而且也导致原始热能量的火用率的提高。图2阐释了一个从简单的热力学分析得来的结果，该结果中分析了在绝热炉中褐煤和生物质在氧气和蒸汽，或者只有蒸汽提供热量的情况下的气化。对于蒸汽氧气气化过程，原料

6、的化学能损失作为显示合成气在反应器出口温度的功能，定义为texit。尽管这里没有显示，氧气的消耗随着texit而增长。这不一定是气化的温度。无论是反应器的配置还是转化阶段的数量，texit 决定lce，换句话说，也就是化学能的恢复。图2显示五中不同类型的气化，基于现有的研究，其中的可能性和有效性是本文所要讨论的内容。不同类型的气化（类型i-v）有不同的texit 值和相关联的化学能损失/增加。这些气化的类型在这里只是简短的介绍。类型1的气化代表供给氧气或者空气在超过1000下的气化，是大型煤炭气化最流行的类型。化学能损失达到20%是无法避免的。气化类型ii定义了700至900温度范围内的tex

7、it。流化床气化是这种气化的典型例子，它可能减少化学能损失达到约10%。气化类型iii被认为是在与气化类型ii相近的温度范围内在流化床上运行的。气化炉得到来自外部高温功率装置的供热，如除去氧气的固体氧化物燃料电池（sofcs）。因为是完全的吸热环境，当来自生物质或者褐煤的焦炭而非它们的母体作为燃料使用时，气化类型iii能利用超过20%的化学能量。气化类型iv的texit低至300，这太低而难以驱动气化，但是一种特殊的平行/连续反应和反应器装置的配置能够使texit降低至如此水平而且能是化学能损失最小化。热解和以下的反应，如挥发物的重整和焦炭的气化，在物理上是彼此分开的。 图2。 原有固体燃料气

8、化的化学能损失在绝热反应器中可被用于显示合成气的出口温度的，texit。对于气化类型 i, ii和 iv的假设如下：（1）氧化剂，在气化炉入口处纯氧的蒸汽分别在25和200。（2）燃料的元素组合物，生物质（一种日本的柳杉），c100h145.4o69.8褐煤（一种维多利亚褐煤），c100h80.8o27.5（3）生物质燃料的热值，18.5 mj lhv kg，daf？褐煤，26.0 mj lhv kg1，daf（4）蒸汽/炭摩尔比率(s/c)，0.60；（5）产气，h2，co，co2，和ch4；（6）h2o h2 co 和co2 在出口温度下是化学平衡的（7）ch4 产量在碳标准上固定在4%上

9、。对于气化类型三，作出以下假设：（1）褐焦煤在600进行高温分解（c100h35o12，29.2mj lhv kg-1，daf）从蒸汽完全转化成h2（2.01 mol mol-1 of c），ch4 （0.04 mol mol-1 of c），co2 （0.96 mol mol1 of c）.（2）不利用氧气和空气。对于气化类型 v，假定褐煤（c100h145.4o69.8）与亚临界水完全气化，并按照以下化学计量：c100h145.4o69.8 + 80h2o = 27.9h2 + 46.3ch4 +53.7co2.这种类型的气化详情将在稍后会提到。气化类型v通常被称为亚临界水的气化或者是热液

10、气化，并采用热压缩水而不是蒸汽。这种类型的化学能量损失理论上是在0附近，因为co与h2的吸热与ch4的吸热之间的平衡。本文回顾了在热化学和催化反应以及反应器系统中与气化类型 iiv 有关的最新进展，目的是（1）提取可增强或抑制的关键反应来实现固-气的快速转化。（2）总结有效的概念来实现这些关键反应的控制，和（3）检测现有的适用性以及最近提出的低温气化的反应器系统。对于所有从类型iiv的气化过程，尽管技术成熟度都各不相同，技术发展仍然具有挑战性。在一个新的气化过程，其性能从科学原则到经济/社会影响都应该受到全面检测。本文不包括这样一个巨大的范围，单只从热力学，热化学催化反应/动力学机制,和使化学

11、能消耗最小化(对化学能量的回收最大化)的反应器结构角度来讨论气化类型iiv 的性能。本文在考量类型iiv 的气化过程时还重点对蒸汽气化，蒸汽/氧气,蒸汽/空气气化方面来考虑。co2气化剂在氧气气化中比蒸汽更重要，这在气化类型 i中很常见。co2在气化类型iiiv的原位上产生，而且或多或少参与热化学和催化气化反应，但特意把co2 与蒸汽一起或代替蒸汽补充进气化炉的做法并不是通用的。biomass gasification for electricity generation: review of current technology barriers 气化是热化学部分氧化过程，其中碳质物质（生物

12、质，煤，和塑料制品）以气化剂（空气，蒸汽，氧气，二氧化碳或者这些物质的混合物）的形式被转化为气体。产生的气体，通常被当做合成气（合成的气体），主要由h2，co，co2，n2,焦炭细小颗粒（固体碳质残渣），灰烬，焦油和油。气化的性能是指它能被用于生产合成气，h2，或者其他液态燃料，而且能因此满足发电和生产热化学能量的需要。再者，最终的燃料蕴含高能量密度，能利用分散的气化系统来使电力集中。生物质气化已经成为成熟统一的技术，而且在大多数的市场，它能与其他能量转化方式竞争份额。根据dasappa，一个装有下向流反应器（一种反应器类型，其中生物质和气化剂通过平行流混合）系统网络的100kw的气化装置是不

13、能令人满意的，工作1000小时，但向系统只供应70小时的能量。所以到底什么是制约这项技术特定发展的障碍呢？这些限制是否在短中期内不能解决呢，或者是否还有一种设计选择，能使气化成为发电的有效途径？在不考虑最重要的生物质准备和物流的情况下设计一个气化装置时面临的主要问题是气化炉，它的运行和维护以及所生产的合成气的适应能力。后两个方面不是本文所主要讨论的重点，但是并不意味着它们更不重要。气化也许是一项严格的技术，因为它需要加工燃料彻底的适应而且，一旦这个要求被达到，运行参数就会变好，只能允许极小的运行弹性。这意味着生物质的确定特征的任何改变都将对气化过程产生不想要的影响，例如，运行的不稳定性，运行损

14、失，缩放问题等等。bioenergy potential from crop residue biomass in india 1.1对于印度能源的关注和可再生能源的发展在印度，提高生活水平，经济和产业扩张，人口增长对于能源部门来说是严峻的的挑战。虽然这个国家是世界上公认的增长最快的经济体，成千上万的市民的基本能源需求有待落实。据悉，在2031到2032年之前，发电量必须从最近的大约183gw的容量增加到近800gw，包括所有被俘虏的工厂来满足公民的基本能源需求。通过历史来预测未来，库马和耆那教报道从1970-71到2006-07年间，印度媒炭消费从71.2兆吨增加到462.7兆吨，原油消耗从

15、18.4兆吨上升为146.5兆吨，天然气消耗从0.64千兆立方米到31.36千兆立方米。同样，在同一时刻，电力消耗也从43.7亿千瓦时到443.1亿千瓦时。与需求相反，印度本土能源储量不充足，因此，国家相当依赖外国进口石油。例如，与2008-09年的161兆吨原油消耗相比，本土的产量只有34兆吨。印度进口近80%的原油。同样，煤和液化石油气也需要进口才能满足国内需求。印度所生产的煤主要用于发电（几乎54%的发电量来自燃煤电厂）。其他能源利用项目一样，大型水电和核电项目面对严峻的关于环境污染的批评，并陷入困境。因此，在全国有着严重的能源供给-需求不平衡。随着生活水平的提高，对电力的需求也超过了供

16、给。电力供应的约束迫使所有行业的工业，商业，机构或住宅依靠柴油或燃料油。缺乏充足的农村电力供应，从而导致大规模的煤油使用。在印度，大约有7千八百万人民主要依靠煤油照明。不断增长的能源需求，加上有限的常规燃料选项，石油和地缘政治环境的关注已经强迫印度寻找可再生和可持续能源的选择。生物质能，太阳能，风能和小水电被确定为印度可再生能源发展的重点领域。从生物质能，风能和小水电的预计并网发电潜力超过87gw。同样，太阳能的潜力在20至30兆瓦每平方千米。在印度，生物质资源相比其他可再生能源相对取用均匀。为实现生物能源的潜力，新能源和可再生能源部（mnre）已经发起了几个生物项目，旨在鼓励此项事业的成功。

17、 1.2 印度生物能源的使用现状和未来规划的需求 1.2.1 传统生物质的利用 虽然在印度电力和液化石油气的使用已改进，与过去几十年相比，生物质的消耗与传统燃料一样在增加而且在农村家庭混合燃料中占主导。巴塔查里亚报道，64%的印度农村家庭依靠木柴烹饪，而另26%则使用秸秆或动物粪便。此外，在城市部门几乎30%的家庭依靠传统能源烹饪。对印度和中国的家庭能源使用模式的比较研究中，帕乔里和江报道，在总体水平上，两个国家的固体燃料（传统生物质和煤）占了总家用能源的80%。在印度，大规模的使用木柴来烹饪已被报道。在印度的农业部门，每年有220兆顿的木柴用于烹饪。根据家庭收人水平，木柴占了总能源消耗的大部

18、分，在65%到80%之间波动。除了家庭使用，生物质也被广泛用于不同的传统农村企业，例如，砖的制造，秸秆沸腾，酒店，餐馆，面包店，陶瓷和木炭的制造。1.2.2 现在生物质的利用 生物质现代采用 biomass gasification for carbon dioxide enrichment in greenhouses 在全球范围内政策的改变使大多数行业和政府通过发展更清洁的替代能源和提高能源利用效率来减少二氧化碳的排放和减少对化石燃料的开发。许多国家都在寻求能源独立和安全，发展高效的技术和使用本土可持续能源。处在北方气候，由于能耗高，园林业也没能幸免这些变化。温室经营者也必须通过改善结构或节油技术来平衡能耗，同时保持最佳的发展环境从而与国际商品市场接轨。具体而言，加热系统需要得到改进，因为它们依赖化石能源（石油，气，电或者生物质）占用运行成本的四分之一。（chau et al