生物质能生物质气化-课件

1、生物质气化技术周劲松浙江大学能源主要内容生物质气化原理生物质气化技术与工艺生物质燃气净化生物质气化应用及研究Ø 生物质气化(Biomassgasification)是以生物质为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过热 化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气的过程。Ø 生物质气化时产生的气体，主要有效成分为C0、H2和CH4等，称为生物质燃气。Why gasification? Gasification provides a competitive way to convert diverse, highly distr

2、ibuted and low-value lignocellulosic biomass to syngas for combined heat and power generation, synthesis of liquid fuels and production of hydrogen (H2). A number of gasifier configurations have been developed. Biomass integrated gasification combined cycles (BIGCC) using black-liquor are already in

3、 use. Gasification can also co-produce liquid fuels and such advanced technologies are currently being investigated in research and pilot plants.生物质气化原理气化基本反应氧化Oxidation:C+O2CO2+392.5kJ 2C+O22CO+221.34kJ2CO+O2 2CO2+565.94kJ2H2+O2 2H2O+483.68kJ CH4+2O2 CO2+2H2O+890.36kJ碳气化Boudouard:C+CO22CO-172.43kJ水

4、煤气Water gas reaction: C+H2O(g)CO+H2-131.72kJ C+2H2O(g) CO2+2H2-90.17kJ气化基本反应水煤气变换Water-gas shift reaction:CO+H2O(g) CO2+H2+41.13kJ水蒸气重整Steam reforming:CH4+H2O(g) CO+3H2-205.9kJ CH4+2H2O(g) CO2+4H2 -164.7kJCO2重整CO2 reforming:CH4+CO2 2CO+2H2 -247.0kJ加氢重整H2 reforming:CO+3H2 CH4+H2O+205.9kJ甲烷化Methanatio

5、n:C+2H2 CH4+74.6kJ气化过程Process of gasification反应动力学Ø 热解过程气体产量与气相滞留时间的关系温度对热解产物分布的影响反应动力学Ø 氧化（燃烧）过程Ø 受燃烧温度和燃烧时间、颗粒大小控制反应动力学Ø 还原过程Ø 气固反应Ø 增加温度与减少有利于反应向右进行Ø 以C+H2O(g)CO+H2-131.72kJ；C+2H2O(g) CO2+2H2-90.17kJ为例Ø 400几乎不反应，反应速率低于700缓慢，800以上明显增加Ø 温度低于700有利于CO2的生成&

6、#216; 温度越高有利于CO和H2的生成反应动力学Ø 三个过程对比平衡分析化学反应平衡常数 与反应温度和反应有关反应平衡状态随温度变化趋势ØC+CO22CO-172.43kJØ 当反应温度小于850°C时，其逆反应速度很快，因此很难还原为一氧化碳；当反应温度高于850°C时，则还 原反应生成的一氧化碳迅速增加；当温度升高到1200°C以上时，相比之下逆反应速度极为缓慢，则可基本上全部还原为一氧化碳。Ø 提高反应温度是增加一氧化碳含量的主要措施之一C+H2O(g)CO+H2-131.72kJØ 当温度高于850&#

7、176;C时，此反应的正反应速度高于逆反应速度，故有利于生成氢气。为有利于此反应的进行，通常要求反应温度高于900°CØC+2H2 CH4+74.6kJØ 随着温度的上升，逆反应速度加快，不利于甲烷的生成。常压气化时， 此反应的适宜温度一般认为800左右。Ø气化当量比Ø 当量比ER是指气化实际供给空气量与生物质完全燃烧理论所需空气量之比ER=Ø AR为气化时实际供给的空气量与生物质量之比(kg/kg)，简称实际空燃比， 其值取决于运行参数Ø SR为所供生物质完全燃烧最低所需要的空气量与生物质量之比(kg/kg)，简称化学当量

8、比，其值取决于生物质的Ø SR=(1.866C+5.55H+0.7S+0.7O)/0.21Ø 最佳ER控制在0.20.4特性控制ER调节气体组分Ø 木屑气化为例控制ER调节气体产率等Ø 木屑气化为例气化主要评价常数Ø 气体产率Ø 气体产率GP是指下的体积质量生物质气化后所获得的气体在标准状态Ø 气体热值（HHV,LHV）气化主要评价常数Ø 气化效率质量的生物质气化后，气化气体所包含的化学能与气化含的化学能之比原料所包ØØ 碳转化率质量的生物质气化后，气化气体所含的碳与原料中所含的碳之比Ø

9、;=气化主要评价常数Ø 气化强度横截面积的气化反应器在时间内气化生物质原料的能力，其Ø值等于生物质进料速率除以气化炉横截面积Ø 气体组分Ø 可燃（CO、H2、CH4和CnHm）和不可燃（CO2、N2和O2）、杂质(H2S，NH3)Ø CO毒性、O2安全Ø 焦油含量生物质气化技术与工艺气化炉分类Ø 按气化剂分中热值煤气,15MJ/Nm3低热值煤气,5MJ/Nm3中热值煤气,15MJ/Nm3中热值煤气,1721MJ/Nm3 H2高11.5MJ/Nm3高热值煤气, 2226MJ/Nm3 CH4高气化炉分类Ø 按形式上吸式

10、固定床气化Ø 生物质原料移动方向与气体方向相反Ø 热量利用较充分，气化效率较高，燃气热值较高Ø 原料中的水分由燃气带出气化炉，不参于反应，减少了H2的产出Ø 焦油含量较高下吸式固定床气化Ø 焦油含量较低，因为挥发分中的焦油在氧化层和还原层得到了一定程度的氧化和裂解Ø 微负压运行Ø 出炉煤气温度高，热利用效率较低Ø 热解层和氧化层易发生局部穿透（秸秆和草类等物料）横吸式固定床气化Ø 适合于木炭和含灰量较低物料开心式固定床气化Ø 没有缩口，炉栅中间隆起Ø 以转动炉栅代替高温喉管区固定床气化

11、Ø 制造简便，成本低、操作简便Ø 气化过程难于控制、物料易搭桥形成空腔Ø 气化强度和最大气化能力较低，200500kg/(m2h),400kg/h流化床气化Ø 流化床气化炉具有传热传质效率高的优点Ø 气化强度约为固定床气化炉的23倍，反应温度一般在750-900°C，其气化反应和焦油裂解均在床内进行，原料适应性广，可大规模应用鼓泡床气化Ø 与固定床气化相比，优点：Ø 由于生物质物料粒度较细和剧烈的气固混合 效果较好，因而气化效率和气化强度都比较高；，床层内传热传质Ø 由于流态化的操作范围较宽，故流化床气化

12、能力可在较大范围内进行调节，而气化效果和气化效率明显降低；Ø 由于床层温度不是很高且比较均匀，因而灰分熔融结渣的可能性大大减弱。飞灰和炭颗粒夹带严重800900鼓泡床气化Ø 与固定床气化相比，缺点主要有：Ø 由于气体出口温度较高，故产出气体的显热损失较大；Ø 由于流化速度较高、物料颗粒又细，故产出气体中的固体带出物较多；Ø 流化床要求床内物料、压降和温度等分布均匀，故而启动和控制较为复杂；Ø 对于鼓泡床气化，最好在床层内添加一些热容量比较大的惰性热载体，否则气化效率和气化强度都难以令人满意。800900循环流化床气化Ø 与单

13、流化床气化相比，优点主要有：Ø 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；Ø 可以适用更小的物料粒径，在大部分情况下可以不加流化热载体， 运行较为简单。Ø 其缺点主要是回流系统控制较难，料脚容易发生下料且在炭回流较少的情况下容易变成低速携带床。，携带床（气流床）气化Ø 生物质原料破碎成粉体状颗粒且不使用惰性床料Ø 由气化剂直接将粉体生物质原料载入后进行燃烧和气化Ø 运行温度高达11001300°C，气化速度非常快，气体在炉内的滞留时间只需l2sØ 出口煤气中的焦油及可

14、冷凝物含量很低，碳转化率接近100%两步法固定床气化Ø 将热解和气化过程双流化床气化Ø 将燃烧和气化过程不同形式气化炉特性对比热解气化方式密度（ kg/m3相对密度热 值（MJ/m3）低 位 热 值（MJ/m3）热解6001.02-1.100.79-0.8517-1815-168000.83-0.920.64-0.7117-1915-17上吸式气化装置1.07-1.250.83-0.976.1-7.35.8-6.9下吸式气化装置1.07-1.310.83-1.024.1-5.83.8-5.5两步法气化1.01-1.230.78-0.955.0-6.24.5-5.6鼓泡流化床

15、1.04-1.230.80-0.954.8-6.44.5-6.0循环流化床1.04-1.370.81-1.065.0-6.54.8-6.0双流化床0.95-1.030.73-0.7914-1713-16不同形式气化炉特性对比总结规律热解与空气气化比？ 上吸和下吸比？两步有何变化？固定床与流化床比？热解气化方式燃气成分/%H2COCH4CO2CmHnN2O2热解60024-2526-2815-1723-266.3-6.90.5-1.10.05-0.880034-3719-2517-1917-194.4-6.30.7-0.90.2-0.3上吸式气化6.2-1025-314.0-5.23.6-4.6

16、0.3-0.646-601.0-2.2下吸式气化11-1414-231.0-3.011-160.1-0.445-580.8-2.0两步法气化13-3013-201.2-4.516-190.4-1.035-480.1鼓泡流化床4.0-8.013-163.0-7.010-141.5-2.945-550.8-2.0循环流化床4.0-8.014-234.0-107.0-151.0-2.545-600.8-2.0双流化床18-2244-4515-1611-121.0-5.00.7-4.0-生物质燃气净化生物质燃气中的杂质Ø 固体杂质是指燃气过程中携带的含炭灰粒Ø 木材等木质原料中含灰

17、量很少，燃气中灰粒含量一般为5-10g/m3。Ø 秸秆类原料灰含量较高，易被气流携带，燃气中灰含量可能在每立方米数十克的数量级Ø 液体杂质主要是指常温下能凝结的焦油和水分Ø 下吸式气化炉中燃气的焦油含量较低，仅为0.5-1g/m3，但是由于气流穿过灰层，带灰较多；Ø 上吸式气化炉中燃气经上部原料层过滤，灰含量较少，但是干燥、热解过程产生的焦油和水分不经过高温分解层直接排出，因此焦油含量较高，通常可达50g/m³。Ø 流化床气化炉炉内温度低、气流速度高，燃气中焦油含量在10g/m³的数量级。鼓泡水浴法除焦油和灰尘喷淋法除焦油和

18、灰尘干式过滤法去除焦油和灰尘Ø 在容器内填放粉碎的玉米芯、木屑、谷壳或炭粒，让燃气从中穿过，用过的过滤材料一定要烧掉(可作气 化原料)，防止污染环境；Ø 或让燃气通过陶瓷过滤芯；Ø 小型高效的过滤器，内装有吸附性很强的活性炭，进一步清除灶前的燃气中的焦油，收到了一定的效果， 但是成本较高催化裂解去除焦油Ø 催化裂解是在高温或者存在催化剂的条件下，将大的焦油裂解成为各种小气体(如H2、CO、C02、CH4等)Ø 在不使用催化剂的条件下要实现焦油的完全裂解，需要很高的反应温度(如10001200°C)，如果在裂解过程中引入催化剂，裂解温度就可以大大降低（如750-900°C)Ø 白云石、木炭和镍基催化剂催化裂解去除焦油生物质气化技术的应用生物质气化供热Ø 生物质气化供热是指生物质经化炉气化后，生成的燃气送入下一级燃烧器中燃烧，产生的高温烟气在燃气炉内与被加热介质(水或风等)进行间接热交换，烟气通过引风机由烟囱排向室外，而被加热介质则通过循环装置送往用热系统释放热量后回到燃气炉内再次加热，从而可连续为终端用户提供取暖或烘干用的热能。生物质气化集中供气Ø 生物质气化集中供气是我国于20世纪90年代发展起来的一项生物质