毕业设计（论文）生物质气化技术的应用现状及其发展趋势

1、南京化工职业技术学院毕业设计南 京 化 工 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计题 目 生物质气化技术的应用现状及其发展趋势 姓 名 所在系部 机械技术系 专业班级 热能0921 指导教师 2012 年 3 月30摘 要能源和环境的双重压力使可再生能源的开发利用越来越重要，生物质能是地球上重要的可再生能源。故生物质能是满足当今世界能源需求的最具潜力的可再生能源。开发和利用生物质能源对于缓解能源、环境和生态问题具有重要的意义。利用生物质气化技术能实现co2的归零排放，节约常规能源，符合可持续发展的要求。于是怎么合理利用生物质能在当今社会发展具有重要的意义。于是全世界开始了对生物质能的研究。本文介

2、绍了生物质能的种类分类及特点，并介绍了生物质气化技术的原理,生物质气化工艺及气化设备。目前应用较多的气化技术是生物质燃气直接燃烧、生物质气化供暖、生物质气化供气和生物质气化发电技术，并且讲述了生物质气化在我国的应用，并提出了应用过程中存在的问题,提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物质气化技术的发展方向。 关键字：生物质气化；原理与工艺；气化炉；问题解决方法；发展趋势引 言能源和环境问题已成为全球关注的焦点，随着能源消耗的迅速增长，石化燃料的大量使用带来了严重的环境污染和生态破坏，再加上常规能源如煤、石油、天然气等资源量的日益减少，开发洁净的可再生能源成为了可持续发展的迫切需要。与此同时，生物

3、质能在可再生能源中，是地球唯一的能够储存和可运输的清洁能源，资源量大，分布广，开发潜力巨大。生物质能是人类利用最早、最多的能量,蕴含能量巨大，地球上的生物的总产量每年多达1400t1800t，相当于目前世界总能耗的10倍，有极大的开发、 利用潜力。并且由于生物质能有可再生、低污染、分布广的优越性，生物质气化技术已经成为能源生物质能要真正成为矿物燃料的替代能源，其关键是要将能量密度低的低品位的生物质能转化为高品位能源。如何有效地将生物质转化为洁净、高效的高品位能源，是该领域目前的主要研究课题。生物质气化技术包括生物质燃气直接燃烧、生物质气化供暖、生物质气化供气和生物质气化发电技术等,我国主要用于

4、生物质气化供气和生物质气化发电技术。我国生物质气化技术研究始于20世纪80年代初期，在应用过程中也存在一些问题，焦油问题就是其中最显著的问题，有效的解决这些问题为生物质气化技术的发展奠定基础。摘要引言第1章 生物质气化技术1第1.1节 生物质能的概述1第1.2节 生物质气化技术原理及化工工艺3第1.3节 原料对生物质气化的影响6第2章 生物质气化技术常见的系统与设备9第2.1节 生物质气化技术系统设备介绍9第2.2节 固定床气化炉9第2.3节 流化床气化炉12第3章 生物质气化技术应用情况15第4章 生物质气化技术面临的问题及解决方法21第4.1节 制约生物质气化技术发展的主要问题21第4.2

5、节 生物质气化的新技术23第5章 生物质气化技术的发展趋势25结语27参考文献28致谢29第1章 生物质气化技术第1.1节 生物质能的概述能源是经济和社会发展的重要物质基础。随着石油和其他石化能源的日益枯竭和全球对气候变化问题的日益关注，节约能源、提高能源利用率和开发利用可再生能源成为世界能源大战的主要方向。生物质能是地球上丰富的可再生能源，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于是世界能源消耗能源总量第4位的能源1，是就有广泛应用价值的清洁能源，是解决能源和环境危机的重要保障。自20世纪70年代开始，生物质能的开发和利用日益受到各国的高度重视，我国于2008年1月18号出台的可再生能源能源发展“十一

6、五”规划确定了生物质能利用的指导方针和发展目标，为我国发展和使用生物质技术指明了方向和道路。我国生物质种类形式繁多，其转化方式也多种多样，其中生物质气化技术是最具实用性的一种。生物质气化技术原理简单，操作方便，成本低，效率高，可在工农业发展的各个领域广泛使用。1.2.1 生物质简介生物质是地球植被在太阳辐射能的作用下，吸收空气中的二氧化碳(co2)和土壤中的水(h2o)，最终合成碳水化合物(ch2o)，转化为化学能而固定下来的一种自然资源。用化学方程式表示为：图1-1 光合作用植物合成的碳水化合物以秸秆和果实两种形态存在，这两种形态的物质一部分被人、动物直接利用(粮食、饲料、薪柴)，另一部分在

7、自然界中自然氧化，目前只有很少一部分被人工转化成能源，无论何种方式，在这一过程中都消耗氧气，释放二氧化碳。理论上所消耗的氧气和释放的二氧化碳与生成生物质过程释放的氧气量及消耗的二氧化碳量相等。因此可以说，生物质循环过程是二氧化碳“零排放”，这是生物质能的最突出优点之一，即清洁性。图1-2给出了生物质的生成和演化过程示意图。图1-2 生物质的生成和演化1.2.1 生物质的种类作为能源利用的生物质主要有农作物、油料作物、林木、木材生产的废弃物、木材加工的残余物、动物粪便、农副产品加工的废渣、城市的生活垃圾中的部分生物废弃物。1.3.1 生物质能分类根据iea国际能源署的定义，生物质能分为固体生物质

8、、木炭、城市固体废弃物、生物液态燃料和沼气等，其直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固体燃料、液体燃料和气体燃料。根据是否能大规模代替常规化石能源，可将生物质能分为传统生物质能和现代生物质能。传统生物质能主要包括农村生活用途：薪柴、秸秆、稻草、稻壳和其它农业生产的废弃物和畜禽粪便等；传统生物质能主要限于发展中国家，广义来说它包括所有小规模使用的生物质能。现代生物质能是指那些可以大规模用于代替常规能源的各种生物能。人类通常直接利用的生物质能有秸秆、林木和粪便类。不能作为食物利用的农作物根、茎、叶系统称为秸秆。在农村，秸秆作为能源利用较为普遍，林木类木质燃料作燃料也有几千年的历史，

9、是人类利用最早的能源之一，在农村仍是主要的能源，占农村能源总量的40左右。粪便是动物排泄物，作为农作物的有机肥料有较长的历史，作为燃料利用的历史也较长，但较为有利的是作为有机肥料，如作为燃料则应采用与秸秆混合发酵后产生沼气利用，可使之发挥更大的效能。1.4.1 生物质能的特点生物质能是人类用火以来，最早直接应用的能源。在第二次世界大战前后，欧洲的木质能源应用研究达到高峰，然后随着石油化工和煤化工的发展，生物质能源的应用逐渐趋于低谷。到20世纪70年代中期，由于中东战争引发的全球性能源危机，可再生能源的开发利用研究，重新引起了人们的重视。使用大自然馈赠的生物质能正是由于其独有的优点，所以成为必然

10、的选择：(1)清洁性如前所述，生物质能的使用过程不产生任何污染，几乎没有so2产生，产生的co2气体与植物生长过程中需要吸收大量co2在数量上保持平衡，真正实现了“零排放”。(2)充足性根据国际能源机构的统计，地球上每年形成的生物质总能量相当于目前全世界一年消耗能源总量的20倍以上，这是生物质能的又一突出优点。(3)可再循环在目前地球环境条件下，生物质年复一年，循环再生，生物质能不会枯竭，同时起着保护和改善生态环境的重要作用，所以生物质能就成为了理想的可再生能源之一。(4)可储存和运输在可再生能源中，生物质能是唯一可以储存与运输的能源，从而对其加工转换与连续使用提供方便。(5)易燃性在400左

11、右的温度下，生物质能源大部分挥发组分可释出，炭活性高，将其转化为气体燃料比较容易实现。(6)开发转化技术容易从目前国内外生物质能开发利用的基本形式来看，生物质能的开发较之其他新能源的开发利用相对普及，生物质开发技术上的难题相对较少，人们既可利用生物质能的热能效应，又可将简单的热效应充分转化为化学能后再加以利用。(7)与农林业关系紧密生物质能源直接或间接来自于植物，因而生物质能源产业与农林业的关系非常紧密。在美国，生物质能产业的发展已经为美国农村带来了前所未有的机遇。欧洲也普遍认为，生物质能的发展将为农业带来革命性的变化。在我国，农林生物质工程也将会在社会主义新农村建设中发挥至关重要的作用。第1

12、.2节 生物质气化技术原理及化工工艺1.2.1 生物质气化技术的原理生物质气化是利用空气中的氧气或含有氧气物做气化剂，在高温条件下将生物质燃料中的可燃部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化碳和甲烷)的热化学反应。20世纪70年代，ghaly 首次提出了将气化技术应用于生物质这种含能密度低的燃料。生物质的挥发分含量一般在76%到86%。生物质受热后在相对较低的温度下就能使用大量的挥发分物质析出。集中常见生物质燃料的工业分析成分见表1-1 。为了提供反应的热力条件，气化过程需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧，尽可能将能量保留在反应或得到的可燃气中，气化后的产物含有h2、co及低分子cmhm等可燃

13、气体。整个过程分为：干燥、热解、氧化和还原。表1-1 几种生物质的工业分析工业分析成分种类水分挥发份固定碳灰分低热热值（%）（%）（%）（%）（mj/kg)杂草5.4368.7716.49.4616.192豆秸5.1174.6517.123.1316.146稻草4.9765.1116.0613.8613.97麦秸4.3967.3619.358.9115.363玉米秸4.8771.4517.755.9315.45玉米芯15.176.67.011.4215.99棉秸6.7868.5420.713.9715.9911. 干燥过程 生物质进入气化炉后，在热量的作用小，析出表面水分。在200300 时为

14、主要的干燥阶段。2. 热解反应当温度到300 以上是开始热解反应。在300400时，生物质可以释放70%左右的挥发组分，而煤要到800才能释放出大约30%的挥发分。热解发硬析出的挥发分主要包括水蒸气、氢气、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氢化合物。3氧化反应热解剩余木炭与引入的空气发生反应，同时释放大量的热以支持生物的干燥、热解和后续的还原反应，温度可达1000到1200。4. 还原反应还原过程没有氧气的存在，氧化层中的燃烧物及水蒸气与还原层中的木炭发生反应，生成氢气和一氧化碳等。这些气体和挥发分组成了可燃气体，完成了固体生物质向气体燃料的转化过程。生物质气化技术按原理可分为热解气化技术和氧化法气

15、化技术。热解气化技术。热解气化技术是指在没有氧化剂的条件下，快速升温使生物质中的有机高分子(纤维素、半纤维素、木质素)高温裂解成固态炭、可燃气和生物油的热化学转化技术。三种产物的比例跟热解的工艺(升温速率、气相滞留时间、压力等)有关，其生产过程需要外供热源。氧化法气化工艺在生产过程中加入了气化剂，使生物质部分燃烧，从而为气化过程提供了大量的热量属于自然供热工艺。在氧化法气化工艺中，生物质原料基本上要经过氧化、还原、裂解和干燥四各阶段，反方程式如下2：氧化阶段： c+o2=co2+393.51 kj 2c+o2=2co+221.34 kj 2co+o2=2co2+565.94 kj 2h2+o2

16、=2h2o+483.68 kj还原反应： c+o2=2co-162.41 kj h2o+c=co+h2-118.82 kj 2h2o+c= co2+2h2-75.24 kj h2o+co=co2+h2-43.58 kj生物质气化原理图如图1-3图 1-3 生物质气化原理图1.2.2 生物质气化化工工艺生物质气化有多种形式，如果按气化介质可以分为使用气化介质和不使用气化介质两种，前者又可以分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等，后者有热分解气化。不同气化技术所得到的热值不同，因而应用领域有所不同。不同气化工艺技术产生可燃性气体的热值及主要的用途见表 1-2。表1-2 不同气化工艺技术的用

17、途气化技术可燃气体热值（标准状态）（kj/m3)用途空气气化54407322锅炉、干燥、动力氧气气化1088718200区域管网、合成燃料水蒸气气化1092018900区域管网、合成燃料氢气气化2226026040工艺热源、管网热分解气化1087815000燃料与发电、制造汽油与酒精的原料第1.3节 原料对生物质气化的影响1.3.1 原料含水量对气化的影响生物质原料含水量是非常重要的特性参数，对气化过程有重要影响。图1-2给出了含水量对产气热值的影响 由图1-2可知，气体热值随含水量的增加单调下降，且变化显著。原料含水量为10%时气体热值最高为4645kj/nm3；当含水量增加到40%时，气体

18、热值降为4291 kj/nm3。因为产气中可燃性气体组分co下降明显，而 h2和ch4变化较小，气体热值总体上是下降的。 图1-4含水量对产气热值的影响原料含水量除对产气热值产生影响外，同时也影响着产气中氢气的含量。这是因为含水量的增加给气化过程带来了两个方面的影响，即原料水分蒸发吸热，一方面增加了气化区水蒸气(h2o(v) )份额；另一方面则降低了反应层的温度。根据气化反应co+h2o=co2+h2-43.6kj/mol 变化反应，c+h2o=co+h2-118.8 kj/mol水煤气反应式可知，适当增加水蒸气对氢气的生成是有利的，但同时这两个反应又是吸热反应，气化层温度降低不利于h2的生成

19、。1.3.2 物料粒度对气化的影响颗粒粒度分布的均匀性是影响气流分布的主要因素。如果将未筛分过的原料加入固定床内，会造成大颗粒在床层中的分布不均，形成阻力不均的区域，导致局部强烈燃烧，温度过高造成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，使气化器处于不正常的操作状态。因此，气化器用原料必须经过筛分。原料粒度对生物质气化过程影响较大。在气化过程中，物料的粒度与总反应面的大小有很重要意义。从化学动力学角度分析，较小的物料粒度能够增加物料的反应表面积，但通过气化器的压降大。反应表面愈大，则热交换与扩散过程就愈强烈，因而气化反应也愈快，反应更为完全;反之，

20、较大粒度的物料不但降低了总反应面，其本身温度梯度也较大，而且在炉内驻留时间变短，反应不够完全。因此，原料最大与最小粒度比一般不超过8。1.3.3 原料气化处理对气化的影响生物质原料在进行热解气化之前，有些研究者对原料用酸碱或盐进行前处理，研究实验前处理对反应产物的影响。encinay等在600下用co2气化时用不同浓度的硫酸和磷酸对甘蔗渣酸洗 研究表明，酸浓度的增加导致了生物质比表面积的增加。对比同一浓度酸洗前后的产品分布发现，气相组分减少，液相组分增多，焦炭量几乎没有变化，但是焦炭中的固定碳含量增多，灰浓度减少 因为在甘蔗渣中的矿物质溶解于酸溶液中，claudio等用不同浓度的盐酸液(盐酸液

21、为na2cl，c，kcl和nacl，浓度为0.1，0.05，0.01，0.005，0.001g·cm3) 浸渍松树碎片，盐的浸渍加强了脱挥发分和在低温下质量损失率的增加，焦油的产率有提高，初始分解温度降低 用不同的溶液浸渍，会产生不同的作用，这可能与盐的催化作用和水解进攻有关，也可能由于浸渍使固体基质溶胀，改变了固体的结构，对气化产生影响。同时，原料的反应性和结渣性也对生物质气化产生一定的影响。反应性好的原料可以在较低温度下操作，气化过程不易结渣，有利于操作，也有利于甲烷的生成。对于反应性和结焦性比较差的原料，应在较高的温度下操作，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

22、应加强，提高水蒸气的分解率，从而增加气体中氢和一氧化碳的含量。第2章 生物质气化技术常见的系统与设备第2.1节 生物质气化技术系统设备气化炉是生物质气化反应的主要设备。按气化炉的运行方式不同，可以分为固定床、流化床和旋转床三种。国内目前生物质气化过程所采用的气化炉主要为固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉和流化床气化炉又有多种不同的形式，其各种类型见图 2-1 。图2-1 生物质气化炉的分类第2.2节 固定床气化炉固定床气化炉是一种传统的气化反应炉，其运行温度大约在1000。固定床气化炉设备简单、热效率高，处理量小，适合中、小规模的工业化生产。在固定床气化炉中，无聊相对于气流处于静止状态，

23、根据气化剂在炉内的走向，固定床气化炉可分为上吸式、下吸式和横吸式气化炉，目前较为成熟的气化反应设备为上吸式和下吸式气化炉。表2-1是两种炉型的主要特点3。在上吸式气化炉中，生物质原料有炉顶加入，气化剂由炉底部进气口加入，气流流动的方向与燃料运动方向相反，向下流动的生物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解、气化。其主要优点是产生在经过裂变层和干燥层时，将其携带的热量传递给物料，用于物料的裂解和干燥，同时降低自身的温度，使炉子的热效率提高，产生气体含灰量少。如图2-2 所示。图2-2 上吸式固定床气化炉图在下吸式气化炉中，生物质有顶部的加料口投入，气化剂可以在顶部加入，也可以再喉部加入。气化剂与物料

24、混合向下流动。该炉的优点是，有效层的高度几乎不变、气候强度高、工作稳定性好、可以随时加料，而且气化气体中焦油含量较少。但是然其中灰尘较多，出炉温度较高。保证固定床下吸式气化炉的稳定运行，对于木炭和木材等优质原料并不太难，但对于秸秤和草类等物理性质较差的低品质原料就难了许多，因为秸秤等物料在挥发分大量析出后，其体积会迅速缩小，从而使得秸秤半焦依靠自身重力向下移动的能力变得很差，因此，热解层和氧化层极易发生局部穿透。为了及时填充穿透空间并阻止气流短路，合理设计加料机构和炉腔形状，辅以合理的拨火方式都是必须的。一般情况下，下吸式固定床气化炉不设炉栅，但如果原料尺寸较小也可设炉栅。其缺点是抽出气化气时

25、要耗费较大的功率，且气化气的温度较高，需要冷却。图2-2 下吸式固定床气化炉图两种气化炉的特点比较如表2-1 所示。表2-1 两种固定床气化炉型的特点气化炉型气流走向炉内气压连续进料焦油含量热值上吸式与原料移动方向相反不能炉冷却排受到进风的，不易损坏高偏高下吸式与原料移动方向相同能炉处于高温区，容易损坏低偏低在横吸式气化炉中，生物质原料有气化炉顶部加入，气化剂从位于炉身一定高度处进入炉内灰分落入炉栅下部的灰室。燃气呈水平流动，故称作横吸式气化炉。该气化炉的燃烧区温度可达到2000，超过灰熔点，容易结渣。因此该炉只适用于焦油和灰分不大于5%的燃料，如无烟煤、焦炭和木炭等。 图 2-4 横吸式固定

26、气化图 第2.3节 流化床气化炉流化床燃烧技术是一种先进的燃烧技术。流化床气化炉的温度一般在750到800。这种气化炉适用于气化水分含量大、热量低、着火困难的生物质物料，但是原料要求相对小的颗粒，可大规模、高效的利用生物质能。炉化床具有物料混合均匀、反应速度快、反应温度均匀、传热传质系数高、能连续工作、生产能力大、焦油含量高、出口温度高等。按照气固流动特性不同，流化床气化炉分为单流化床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床气化炉和携带床气化炉。单流化床气化炉中气流速度相对较低，几乎没有固体颗粒从中逸出。循环流化床气化炉中流化速度相对较高，从床中带出的颗粒通过旋风分离器收集后，从新送到炉内进行气化反

27、应，如图2-5。图2-5 单流化床气化炉图图2-6为循环流化床气化炉的工作原理图，它与单流化床气化炉的主要区别是生成气中的固体颗粒在经过了旋风分离器或滤袋分离器后，通过料脚再返回到流化床，继续进行气化反应。与单流化床气化相比，循环流化床气化的主要优点如下(1)由于操作气速可以明显提高而不必担心碳的转化率，故气化效率尤其是气化强度可以得到进一步提高；(2)可以适用更小的物料粒径，在大部分情况下叮以不加流化热载体，运行较为简单。其缺点主要是因流系统控制较难，料脚容易发生下料困难，且在炭回流较少的情况下容易变成低速携带床。图2-6 循环流化床气化炉图双流化床与循环流化床相似，见图2-7，不同的是第1

28、级反应器的流化介质在第2级反应器中加热。在第1级反应器中进行裂解反应，第2级反应器中进行气化反应。双流化床气化炉碳转化率较高。图2-7 双流化床气化炉携带床气化炉是流化床气化炉中的一种特例，其运行温度高达1300，产出气体中焦油成分和冷凝物含量很低，碳转化率可以达到100%。2.3.1 固定床气化炉与流化床气化炉适用范围流化床气化与固定床气化相比较，气化温度更均匀，气化强度更高，原料粒度要求小，对于连续运转，以木材加工厂下脚料和碾米厂的稻壳为原料的中小型气化发电系统比较适合。但同时由于流化床床层温度相对较低，焦油裂解受到抑制，产出气中焦油含量较高，用于发电需要复杂的净化系统，流化床内气流速度大

29、，石英砂等惰性热载体与床壁易于磨损，燃料颗粒细小，产出气体中带出物较多，加重系统负担。固定床气化对原料适应性强，原料粒度要求不严格，反应区温度较高有利于焦油的裂解，出炉灰分相对较少，系统投资较循环流化床低，但固定床气化强度不高，一般是问歇式工作，在连续工作方面不如流化床，目前在农村集中供气供热系统和中小型气化发电中广泛应用。固定床气化炉与流化床气化炉都有各自的特点和一定的适用范围，固定床结构简单、操作便利，运行模式灵活，适用于中小规模生产；而流化床适合于工业化、大型化，设备较复杂、投资大。充分考虑目标市场的实际情况，选择技术路线，采用最适宜的技术。2.3.2 固定床气化炉与流化床气化炉性能比较

30、 固定床气化炉与流化床气化炉有着各自的优缺点和一定的适用范围。例如, 逆流式固定床气化反应器结构简单、操作便利, 运行模式灵活, 但是只能适用于中小规模生产; 而流化床气化反应器虽然适合于工业化、大型化, 但设备复杂、投资大, 而且需要一个相对稳定的对产品气的市场需求。下面主要从工业技术及运行情况、使用的原料、能量利用和转换、环境效益和经济性五个方面对流化床和固定床气化炉进行比较。第3章 生物质气化技术的应用1. 生物质燃气直接燃烧生物质燃气直接燃烧应用的一个主要方面是气化供热。生物质气化供热是指生物质经过气化炉气化后，生成的生物质燃气送入下一级燃烧器中燃烧，为终端用户提供热能。图3-1是生物

31、质气化供热工艺原理图，系统包括气化炉、滤清器、燃烧器、混合换热器及终端装置，该系统的特点是经过气化炉产生的可燃气可在下一级燃气锅炉等燃烧器中直接燃烧，因而通常不需要高质量的气体净化和冷却系统，系统相对简单，热利用率高。图3-1 生物质气化供热工艺流程2. 生物质气化供热该技术广泛应用于区域供热和木材、谷物等农副产品的烘干等。图3-2是区域供热的工艺流程。图3-2 区域供热厂工艺流程图3-3 则是气化炉木材及农副产品干燥示意图。与常规木材烘干技术相比，它具有升温快、火力强、干燥质量好的优点，并能缩短烘干周期，降低成本。图3-3 气化炉干燥木材及农副产品示意图3. 生物质气化供气 生物质气化供气技

32、术是指气化炉产出的生物质燃气，通过相应的配套装备，完成居民供应燃气的技术。它是以自然村为单位的小型燃气发生和供应系统，该系统将以各种秸秆为主的生物质原料气化转换成可燃气体，然后通过管网输送农村居民家中用作炊事燃料.整个系统由燃气发生、燃气输配和燃气使用三个部分组成。生物质气化供气系统工艺流程见图3-4 。图3-4 生物质气化供气工艺流程图燃气发生部分的作用是将固体生物质原料转变成可燃气。该系统包括必要的原料预处理设备，如铡草机、气化器、燃气净化器和燃气输送设备等，其中气化器、燃气净化器和燃气输送设备组成了生物质气化机组，是整个系统的核心部分。燃气输配系统包括储气柜、输气管网和必要的管路附属设备

33、如阻火器和集水器等。储气柜是系统中体积最大的设备，其作用是以恒定压力储存一定量的燃气，当外界燃气负荷发生变化时仍能保持稳定供气，从而使得用户燃气灶具能够稳定燃烧。用户燃气系统包括室内燃气管道、阀门、燃气计量表和燃气灶。用户打开阀门，将燃气引入燃气灶并点燃，就可以方便地获得炊事能源。燃气灶的燃烧将燃气的化学能转换成热能，最终完成对生物质能的转换和利用。我国生物质气化技术研究始于20世纪80年代初期，至今已开展了生物智能转化技术以及装置的研究和开发，形成了生物质气化集中供气、燃气锅炉供热、内燃机发电等技术，把农业废弃物、工业废弃物等生物质能转化为高效能的煤气、电能或蒸汽，提高生物质能源的利用率，实

34、现以生物质代替气、油和煤的新型能源。生物质气化炉产生的气体通过净化除焦、除尘后通过用户管网送至用户以实现供暖、供热、供电。生物质气化集中供气系统如图3-5 所示。图 3-5生物质气化集中供气系统工艺1.上料机 2.气化炉 3.净化器 4.分离器5.罗茨风机 6.沉淀器 7.安全阀 8.贮掘柜 9.用户管网我国通过消化吸收国外先进技术与自主创新并举，目前已研制出集中供气和户用气化设备，形成了多个系列气化炉产品，已进入实用化试验及示范阶段，可满足多种物料的气化要求，在生产、生活用能和发电、干燥、供暖等领域得到了一定作用。国内中科院广州研究能源所、山东能源研究所、大连市环境科学设计研究院及中国农业机

35、械化科学研究院作为国内的生物质气化早期研究机构，相继研究了以下产品：中科院广州能源研究所对上吸式生物质气化炉的气化原理、物料反应性能进行了大量试验，研制出gsq型气化炉；山东能源研究所研制的xfl系列秸秆气化炉子农村集中供气中得到了一定的应用；大连市环境科学设计研究院研制lz系列生物质镏热解气化装置建成了可供1000户农民生活用燃气的生物质热解加工厂；中国农业机械化科学研究院研制的nd系列上物质气化炉，其中nd-600 型气化炉已在生产中的到了一定的应用，并取得了一定的效益；云南省研制的ql-50和ql-60型户用生物质气化炉已通过技术鉴定并在农业进行试验示范。4. 生物质气化发电技术生物质气

36、化发电技术是目前研究与应用最多、装备最为完善的技术。目前，生物质气化发电有三种方式。(1) 作为蒸汽锅炉的燃料燃烧生产蒸汽带动蒸汽汽轮机发电。这种方式要求不是很严格，直接在锅炉内燃烧气化气。气化气经过旋风分离器除去杂质和灰分后即可使用。燃烧器在气体成分和热值有变化时，能够保持稳定的燃烧状态，排放污染物较少。(2)在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。这种方式对气体的压力有要求，该种技术处在灰尘、杂质等污染问题。(3)在内燃机燃烧发电机发电。这种方式应用广泛，效率高。但是该种方法对气体要求极为严格，气化气必须经过净化和冷却处理。 大型生物质气化发电系统均采用燃气轮机发电机，这是目前世界上最先进的生物质

37、发电技术。该系统包括两种发电技术：整体气化联合循环(igcc)和整体气化热空气循环(ighat)。由于燃气轮机系统发电后排放的尾气温度大于500，所以增加余热锅炉和过热器产生蒸汽，再利用蒸汽循环，可以有效提高发电效率，这就是生物质整体气化联合循环，其发电工艺流程见图3-6。图3-6 生物质整体气化联合循环工艺流程图 该系统由物料预处理设备、气化设备、净化设备、换热设备等发电设备组成。功率范围在7到30mw，整体效率可达到40%。整体气化热空气循环(ighat)技术正在处于阶段,它和 igcc的主要区别在于用一个燃气轮机代替了后者的燃气轮机和汽轮机。由水蒸气和燃气的混合工质通过燃气轮机输出有用功

38、 ,其整体效率可以达到 60%，有望成为21世纪的新型发电技术。在我国生物质气化技术不仅在集中供气方面有了应用，科研单位又将生物质气化技术进行了衍生，利用生物质气化技术发电，并且取得良好的经济效益和社会效益4。生物质气化发电技术的基本原理，是把生物质转化为可燃气，再利用可燃气推动燃气发电设备。气化发电过程主要包括3个方面：一是生物质气化，在气化炉中把固体生物质转化为气体燃料；二是气体净化，气体出来的燃气都含有一定的杂质，包括灰分、焦油和焦炭等，需要经过净化系统把杂质除去，以保证燃气发电设备的正常运行；三是燃气发电，利用燃气轮机或内燃机进行发电，有的工艺为了提高发电效率，发电过程可以增加余热锅炉

39、和蒸汽汽轮机5，典型系统如图3-7所示。图3-7生物质气化发电工艺流程过程示意图生物质燃烧发电是将生物质与过量的空气在锅炉中燃烧，产生的热烟气和锅炉的交换部件换热，产生的高温高压蒸汽在燃气轮机中膨胀做功发出电能。生物质燃烧发电技术已基本成熟，已进入推广应用阶段，这种技术在大规模下效率较高，单位投资也较合理，但它要求生物质集中，数量巨大6。我国有着良好的生物质气化发电基础，在20世纪60年代就开发了60kw的谷壳气化发电系统。辽宁省能源研究所于2006年6月在意大利建成的流化床生物质气化发电系统，采用木屑或稻壳为原料，发电量160kw；江苏吴江县生产的稻壳气化炉，利用碾米厂下脚驱动发电机组，功率

40、可达160kw，已进入示范应用阶段；mw级的中型bgpg系统也已在近些年研究开发出来，1998年10月中科院广州能源所完成1mw级的生物质循环流化床气化内燃机发电系统(giec)，5台200kw发电机并联工作，由于受气化效率和内燃机效率限制，效率低于18%，单位电量生物质消耗量一般大于112kg/(kw·h)。在此基础上中国科学院广州能源研究所还在海南三亚建成了国内首个生物质木屑气化发电厂并于2000年下半年投入运行，中国林科院林产化学工业研究所以稻草、麦草等软秸秆和稻壳等农业剩余物为原料，并建成生物质气化发电装置，已经投入运行，具有明显的直接经济收益。设备正常运行时，每年可处理3万

41、多吨秸秆、稻壳、木屑等生物质废料，每年大大减少了co2的排放7。下面为我国国内生物质典型气化炉情况一览。表3-1 国内生物质气化典型气化炉情况气化炉类型气化效率%热值mj·m-3规模应用研究单位上吸式 gsq-110075510802630mj/h供热中科院广州能源所下吸式 nd系列65754.86.1500650供热中国农业机械化研究所下吸式hq/hd-280704.55810户外气化中国农业机械化研究所下吸式 xfl72755100500户集中供气山东能源研究所热管式气化炉810热电联产南京工业大学能源学院iz干镏热解气化炉28.8141000户集中供气大连市环科设计研究院gb-

42、210w-22000型干馏气化热解气化炉10040t/d城市生活垃圾处理上海万强科技开发有限公司锥形流化床气化炉67.5463mw供电、供气、供热中国林业科学院林产化学工业研究所下吸式固定床气化炉755.56.50.05mw发电辽宁市能源所流化床气化炉784mw发电中科院广州能源所第4章 生物质气化技术面临的问题及解决方法第4.1节 制约生物质气化技术发展的主要问题生物质气化技术的发展已有一百多年，尽管目前已经进入商业阶段，但是尚有一些核心技术没有解决，最突出的问题是焦油的净化。焦油是气化过程中不可避免的一种副产物，其不仅会降低气化效率，污染环境，而且会堵塞管道，影响设备的正常运行。目前焦油的

43、解决方法主要有水洗、过滤、电捕和裂解等。在气化过程中如何降低焦油的含量，是生物质气化技术中的一个重要研究课题8 。我国有关学者在焦油处理方面进行了大量研究，如吴正舜等人以谷壳气化过程中产生焦油为研究对象，通过gc-ms对焦油成份进行了分析，重点考查了不同温度对焦油组成的影响，从而为焦油催化裂解催化剂的开发指明了方向。鲍振博等人分析了生物质气化气中焦油物理净化方法(旋风分离、湿式净化、干式净化)和化学转化方法(催化裂解和高温热解)，比较不同了焦油处理方法的优、缺点及工程应用。张存兰选用不同的吸附剂，比较了不同吸附剂对生物质气化焦油的去除高等优点。目前焦油热裂解与催化裂解研究获得一定的进展，但距实

44、用仍有一段距离，因此，要彻底解决焦油问题，还应加大力度研究以获得一种经济实用的处理焦油的方法。具体限制生物质气化技术快速发展的主要问题有如下四点： （1)焦油问题焦油问题是影响气化气使用的最大障碍，除了气化供热，气体燃料直接用于燃烧以外，无论是用于发电或供气，都有焦油问题 焦油会堵塞管路，污染气缸，堵塞火花塞或燃气孔，使发电与供气无法正常运行，还会引起二次污染。因此，焦油问题是气化发电技术的关键之一。解决焦油问题最彻底的方法就是把焦油裂解为永久性气体。目前虽有焦油热裂解与催化裂解的试验，但距实用仍存在一段距离，因此目前要解决焦油问题还应加大力度研究焦油裂解的经济实用方法9。 （2)二次污染问题

45、为了处理生物质气化中产生的焦油和对气体进行除尘，气化装置、净化装置需用大量的水作为除尘、除焦介质。除尘、除焦后的水含有焦油和灰分等有害物质，在排放前需进行无害化处理，并尽可能循环使用，使排放的废水中有害物质高于环保要求，从而减少由于除焦 除灰带来了二次污染 对于灰污染问题处理比较简单，只要提高气化效率，并对灰进行煅烧处理，即可满足要求。对于废水问题，就比较难处理，根本方法就是减少焦油的产生，因为其主要来源于水洗除焦油。 （3)气体热值偏低问题由于生物质气化气可燃成分少，热值一般是天燃气热值的1/17到1/7，热值偏低。为了满足负荷的要求，就要消耗大量的气体，这就使得贮气柜体积增大，使贮气柜的投

46、资增加。（4)提高气化技术的经济效益问题目前已经建成运行的气化站，多数将燃气供给农民炊事之用，除极少数冬季运行的气化站产出气应用于采暖外，其它的应用形式很少，这样就影响了气化气的运行效果，气化机组闲置时间较长(一般只运行2到3h/d)售出气量少，影响了气化站的经济效益，同时在一定程度上也影响了气化站建设单位或个人的积极性。生物质能在我国是仅次于煤炭、石油和天然气的第四种能源资源，在能源系统中占有重要地位。当前，生物质气化技术在实际利用过程中，还存在以下几个主要问题:(1)生物质灰熔点低、碱金属元素含量高，直接燃烧易结焦和产生高温碱金属元素腐蚀； (2)生物质气化时，渣与飞灰的含碳量较高，气效率

47、低； (3)燃气中焦油含量高，容易导致产生含焦废水以及影响设备的正常运行； (4)目前气化发电机组的尾气余热回收效果不好，造成整个系统效率较低。生物质气化装置降低焦油含量的可用技术（1)降低焦油含量的热裂解方法通过裂解方法将焦油设法转化为可燃气, 既能提高气化效率, 又可降低燃气中焦油含量, 解决焦油对环境和设备运行的有害影响。热裂解法基于生物质气化过程, 焦油产物的数量主要取决于转换温度和气相停留时间, 一般生物质在500 左右时焦油产物最多；而在同一温度下气相停留时间越长, 焦油热裂解则越充分。因此, 气化过程中应尽可能提高温度和气相停留时间, 使焦油热裂解, 把焦油分解为永久性气体与可燃

48、气一起利用, 从而减少焦油数量和种类。热裂解法在1100以上才能得到较高的转换效率, 小型生物质气化装置(如采用固定床)的气化温度一般为900左右, 即使采用一些技术措施也难提高。因此,热裂解法要在实际中得到应用具有较大困难。（2)降低焦油含量的催化裂解方法 焦油热裂解需要很高温度, 但如果借助某些催化剂的作用对焦油进行催化裂解, 不但可使焦油裂解的温度下降到750到900 , 而且能提高裂解的效率。因此, 催化裂解法是目前降低焦油含量最有发展前途的一项技术。生物质焦油裂解原理与石油的催化裂解相似。经国内外研究发现, 可用于焦油转化的催化剂有白云石、碱金属和其他金属基催化剂、镍基催化剂等。如果

49、满足低成本需要, 还可利用石灰石、木炭以及石英砂等作为催化剂。其中, 白云石因具有催化效率高和成本低的特点而得到广泛重视。（3)去除粗燃气中焦油的湿法与干法两类净化方法粗燃气中除含有焦油外, 还夹带灰分、微小炭颗粒、水分等固体和液体杂质。由于杂质的多样性和复杂性, 所以生物质燃气的净化一般不用单一方法, 而是将几净化方法组合一起使用。目前, 结合焦油的处理并除去灰分的常用方法有水洗法( 湿法) 和过滤法(干法)两种。湿法包括水洗法和水滤法, 即利用水洗燃气，使之快速降温, 从而实现焦油冷凝并与灰分一起从燃气中分离的目的。该方法成本低、结构简单, 早期净化系统应用较多, 但湿法产生的含焦油废水外

50、排, 易造成二次污染, 排出的焦油不能得到很好的利用。干法是利用机械力或过滤的方法, 使灰分和液态焦油滴利用惯性力从气流中分离出来, 或使燃气通过多孔体等滤料来分离杂质。干法的缺点是利用机械力除焦油一般难以获得满意的净化效果, 而过滤方法中焦油与灰尘易粘接一起堵塞过滤通道, 故不宜作为独立的净化装置, 而是多与其他净化装置组合使用。第4.2节 生物质气化技术的新技术4.2.1 生物质气化焦油的催化裂解 在生物质气化过程中, 由于气化温度较低, 致使气化过程中产生的气体的焦油含量大( 焦油能量占可燃气能量的5 % 10%)。低温下焦油液体易与水、炭粒等结合成凝固态物质, 不仅会堵塞输气管道和阀门

51、、燃气孔，同时对金属管道有一定腐蚀作用，较大的影响了设备的正常工作，同时还会引起二次污染问题。目前焦油的去除方法主要包括湿法，干法和催化裂解法。其中湿法和干法净化效果不佳:湿法去除焦油时,焦油没能充分利用, 而且产生的废水外排易造成环境污染。干法去除焦油时焦油沉积严重而且滤料沾附了大量的焦油，难以处理。裂解净化技术是在生物质气化过程中加入催化剂(ni基催化剂、煅烧白云石、橄榄石和铁催化剂等)将焦油裂解为可利用的小分子可燃气体既提高系统能源利用率，又彻底减少二次污染。4.2.2 生物质超临界气化 超临界转换制氢是在压力为22mpa35mpa，温度为450650的超临界条件下, 将生物质原料与水按

52、一定比例混合进行反应,从而产生氢含量较高的气体。由于超临界水基本可以溶解大部分的有机成分和气体,反应后只剩下少量的残炭,气化率几乎可达100%,进行气体的分离后,产物中氢气的含量可达到50%。对于含水量高的湿生物质可直接气化,减少了高能耗的干燥过程, 是一种新型、高效的制氢技术。但由于反应在反应压力和温度都较高的超临界的条件下进行,对反应设备和材料高,相应的经济成本也高。生物质超临界水气化反应过程复杂, 目前仍停留在实验室小规模。第5章 生物质气化技术的发展趋势1839年第一台气化炉就问世了，但生物质热解技术焦大规模应用则始于20世纪30.、40年代。第二次世界大战后，几乎所有发达国家的能源结

53、构都转向石油为主，使生物质气化技术在很长时间内处于停滞状态。从70年代开始，受石油危机影响，西方国家处于能源和环境战略的考虑，纷纷头如大量人力物力，进行可再生能源的研究，使生物质气化技术焕发生机。生物质气化技术伴随着气化装置的改而发展。目前国外生物质气化装置一般规模较大，自动化程度高，工艺复杂，造价较高。美国在利用生物质能发电方面处于世界领跑地位，其建立的battelle生物气化发电示范工程代表生物质能利用的世界先进水平。我国是一个农业大国，并且拥有着丰富的生物质资源，大力发展生物质气化发电技术对于解决当前电力供应不足，增加农民收入以及减少环境污染等方面具有十分重要的意义，生物质气化技术也为能