第3章气化技术Word文档格式.docx
《第3章气化技术Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章气化技术Word文档格式.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
指生物质脱挥发分或热分解，在500—600℃时，解析出焦油、CO2、CO、CH4、H2等大量的气体，只剩残余的木炭；
3.2.2生物质气化分类
生物质气化过程的分类有多种形式，可以从不同的角度对其进行分类。
根据燃气生产机理可分为：
（1）热解气化
（2）反应性气化
1）空气气化、水蒸气气化、氧气气化、氢气气化、气体混合物气化（根据气化介质不同分类）；
2）固定床气化、流化床气化（根据采用气化设备分类）；
在气化过程中使用不同的气化剂、采用不同的运行方法以及过程运行条件，可以得到三种具有不同热值的气化产品气：
低热值燃气（低于8.4MJ/m3）；
中热值燃气（16.7—33.5MJ/m3）；
高热值燃气（高于33.5MJ/m3）
4种常用气化方法：
气化方法
描述
热值
优点
缺点
空气气化
空气中的氧气与生物质中的可燃组分发生氧化反应，放出的热量为其它过程如分解与还原过程提供所需的热量，因此空气气化过程不需要额外提供热量。
5MJ/m3
属低热值燃气（氮气的大量存在稀释了可燃气中的可燃组分，降低了燃烧热值）
最简单、最经济
是用于近距离燃烧或发电
的最佳选择
不适于采用管道长距离输送
氧气气化
以氧气作为气化介质的气化过程，其过程原理和空气气化相同。
15MJ/m3
属中热值燃气，与城市煤气相当（产生的气体不被氮气稀释）
热值高
与城市煤气相当
生产纯氧需要消耗大量的能量，气化成本提高
水蒸气气化
以水蒸气作为气化介质的气化过程，气化过程中包含了水蒸气和碳的还原反应，CO与水蒸气的变换反应等甲烷化反应以及生物质在气化炉内的分解反应。
17—21MJ/m3
属中热值燃气
燃气质量好，
H2和甲烷的含量高
系统需要蒸汽发生器和过热设备，一般需要外供热源，因此系统独立性差，技术较复杂。
空气（氧气）—水蒸气气化
以空气（氧气）、水蒸气同时作为气化介质的气化过程。
典型的燃气
11.5MJ/m3
1、比起单独使用空气或水蒸气为气化介质的优越之处主要体现在减少了空气的供给量，并生成了更多的氢气和碳氢化合物，提高了燃气的热值。
2、另外，生物质与空气反应可以给其它反应提供能量，因此它是自供热系统，不需外供热源。
3、设备简单、操作维护简便以及水蒸气气化中H2含量高，运行成本低，适用于其它化学品的合成。
氢气气化
以氢气作为气化介质的气化过程，主要反应是在高温高压下氢气与碳及水蒸气生成甲烷的过程。
22.3—26MJ/m3
反应条件苛刻，该方法不常使用。
干馏气化
一种特殊的热解过程，即在无氧或少量供氧的条件下，使生物质部分气化生成可燃气以及木焦油等液体产物和木炭的过程。
可燃气主要成分是：
CO2、CO、CH4、C2H4、H2等
15MJ/m3
3.2.3生物质气化工艺流程
在生物质气化过程中，原料在限量供应的空气或氧气及高温条件下，被转化成燃料气。
生物质气化工艺流程如下：
发电
蒸汽锅炉
民用煤气
粗煤气
净煤气
合成燃料
原料
干燥
气化炉
洗涤
二次转化
合成氨
木炭
合成甲醇
泥炭
各种有机肥料
空气、蒸汽和氧气
3.2.4生物质气化设备
目前，生物质气化设备主要有固定床、流化床两种。
固定床气化床炉简单、热效率较高，但处理量小，适合中、小规模的工业化生产。
1、固定床气化炉
固定床气化炉的特点是气化介质在通过物料层时，物料相对于气流处于静止状态。
名称
结构/运行
上吸式气化炉
（逆流式气化炉）
生物质物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉体底部进气口进入炉内参与气化反应，反应产生的气体自下而上流动，由炉体上方的可燃气出口排出。
1、炉型结构简单，适用于不同形状尺寸的原料；
2、可燃气在经过分解层和干燥层时，将其携带的热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低其自身的温度，使炉子热效率大大提高；
3、热分解层和干燥层对可燃气有一定的过滤作用，所以，出炉的可燃气的温度和灰分都较低。
1、构造使得进料不方便，小炉型需间歇进料，大炉型需安装专用加料装置；
2、生成气中焦油含量高，容易造成输气系统堵塞，使输气管道、阀门等工作不正常，加速其老化，因此需要复杂的燃气净化处理，给燃气的利用（如供气、发电）设施带来问题。
下吸式气化炉
基本结构与上吸式气化炉相近。
生物质原料由炉顶的加料口投入炉内，作为气化剂的空气一般在氧化区加入。
原料由上部加入后，依靠重力下落，经过干燥区后水分蒸发，进入温度较高的的热分解区生成炭、裂解气、焦油等，继续下落经过氧化、还原区将焦炭和焦油等转化为CO、CO2、CH4、H2等气体，炉内运行温度在400—1200℃左右，燃气从反应层下部吸出，灰渣从底部排出。
1、结构简单、加料方便。
2、工作稳定，产生可燃气中焦油含量较少。
1、气体流动阻力大，消耗功率多。
2、产出的气体灰分和温度较高。
横吸式固定床气化炉
原料从上方加入，气化剂由炉子一侧供给，产生的可燃气从炉子的另一侧抽出。
适于木炭等低灰分物料，反应温度很高。
该气化炉在南美洲得到了广泛应用。
开心式固定床气化炉
类似于下吸式固定床气化炉，所不同的是，它的炉栅中间向上隆起。
这种炉子多以稻壳作为气化原料，反应产生灰分较多。
在工作过程中，炉栅绕它的中心垂直轴作水平的回转运动，目的在于防止灰分堵塞炉栅，保证气化反应连续运行。
由我国研制，已投入商业应用多年。
反应产生灰分较多
2、流化床气化炉
流态化技术用于生物质气化始于1975年，与固定床气化炉相比，具有混合均匀，反应速度快、气固接触面积大，传热、传质系数高，反应温度均匀，单位面积的反应强度大，操作易于控制，物料在反应器重停留的时间短，生产能力大及操作温度低等优点。
鼓泡床气化炉
气化剂由布风板下部吹入炉内，与生物质原料混合并发生气化反应，生成的高温可燃气由上部排出。
最简单的流化床气化炉
1、气流速度较慢，适用于颗粒较大的生物质燃料，一般需增加热载体；
2、由于飞灰和炭颗粒夹带严重，运行费用较高，因此较适于大中型气化系统。
循环流化床气化炉
相对于鼓泡床气化炉而言，流化速度相对较高，从流化床中携带的颗粒在通过旋风分离器收集后重新送入炉内进行气化反应。
1、有良好的混合特性和较高的气固反应速率；
2、适用于较小的生物质颗粒，通常情况下不需加热载体；
3、运行简单，一般流化床气化炉反应温度控制在700—900℃。
双流化床气化炉
由两个并列的流化床组成，主要有气化炉和燃烧炉两部分。
气化炉中产生的可燃气经分离后，砂子和炭粒流入燃烧炉中，在燃烧炉中炭粒燃烧将砂子加热，灼热的砂子再返回到气化炉中，以补充气化炉所需热量。
把气化和燃烧的过程分开，碳转化率高。
结构复杂，两床温度以及两床间热载体的循环速度的控制是双流化床气化最关键也是最难得技术。
携带床气化炉
是流化床气化炉的一种特例，它不使用惰性材料砂子，气化剂直接吹动炉中生物质原料，原料入炉前需粉碎成细小颗粒，气化温度高达1100℃以上，碳的转化率可达100%。
可燃气中焦油的含量很低
由于反应温度高而易烧结，因此炫彩较难。
3、固定气化炉与流化床气化炉的比较
气化炉类型
上吸式固定床
下吸式固定床
流化床
原料种类
颗粒/mm
气化温度/℃
气化效率/%
气化强度/【kg/（㎡.h）
应用领域
秸秆，废木
5—100
约1100
75—79
200—300
锅炉供热
20—100
约1000
75
200—600
集中供气，锅炉供热
稻壳，木屑，秸秆
＜10
650—850
65—75
1000—2000
碾米厂，木材加工厂发电
优势
1、原材料适应性强，原料粒度要求不严格；
2、反应区温度较高有利于焦油的裂解，出炉灰分相对较少；
3、系统投资较循环流化床低；
4、结构简单、操作便利，运行模式灵活，适用于中小规模供气或供暖。
1、气化温度更均匀，气化强度更高；
2、原料颗粒要求小，可以连续运转；
3、适合于大规模的发电、供热，设备较复杂，投资大。
劣势
1、气化强度不高，一般是间歇式工作，在连续工作方面不如流化床；
2、目前仅在农村集中供气供热系统和中小型气化发电中应用广泛。
1、由于流化床温度相对较低，焦油裂解受到抑制，产出其中焦油含量较高，由于发电需要复杂的净化系统；
2、流化床内气流速度大，石英砂等惰性热载体与床壁易于磨损；
3、燃料颗粒细小，产出气体中带出物较多，加重系统负担。
3.2.5生物质气化影响因素
气化反应是复杂的热化学过程，受很多因素的影响，除前面介绍的气化设备、气化介质外，物料特性、反应温度、升温速率、反应压力和催化剂等也是影响气体成分及热值的重要因素。
1、原料
在气化过程中，生物质物料的水分、灰分、颗粒大小、料层结构等都对气化过程有着显著影响，原料反应性的好坏，是决定气化过程可燃气体产率与品质的重要因素。
2、温度
温度是影响气化性能的最主要的参数，温度对气体成分、热值及产率有着重要的影响。
温度对气体中焦油的含量也有显著的影响。
3、压力
从结构上看，在同样的生产能力时，压力提高，气化炉容积可以减少，后续工段的设备也可以减少尺寸，而且净化效果好。
4、升温速率
升温速率显著影响气化过程中的热解反应。
而且温度与升温速率是直接相关的。
不同的升温速率对应着不同的热解产物和产量。
按升温速率快慢可分为慢速热解、快速热解及闪速热解。
5、催化剂
催化剂也是气化过程中重要的影响因素，其性能直接影响着燃气组成与焦油含量。
催化剂既强化气化反应的进行，又促进产品气中焦油的裂解，生成更多小分子气体组成，提升产气率和热值。
3.2.6生物质燃气的特性
生物质燃气是由若干可燃气体（CO、H2、CH4、CmHn及H2S等）、不可燃成分（CO2、N2和O2等）以及水蒸气组成的混合气体，与固体生物质相比，易于运输和储存，提高了燃料的品质。
燃气特性取决于原料性质、气化剂种类、气化炉形式及运行方式等因素，其热值在5—15MJ/m3之间。
3.2.7生物质燃气的净化
从生物质气化炉中出来的可燃气，称为粗燃气。
粗燃气含有各种各样的杂质，可分为固体和液体两种，固体杂质包括灰分和细小的炭颗粒，液体杂质包括焦油和水分。
下面是燃气中各种杂质的特性：
杂质种类
典型成分
可能引起的问题
净化办法
颗粒
碱金属
氮化物
焦油
硫、氯
灰、焦炭、热质、颗粒
钠、钾等化合物
主要是氨和HCN
各种芳香经等
HCl、H2S
磨损、堵塞
高温腐蚀
形成NO2
堵塞、难以燃烧
腐蚀污染
气固分离、过滤、水洗
冷凝、吸附、过滤
水洗、SCR等
裂解、除焦、水洗
水洗、化学反应法
生物质气化应用技术中一个很大的难题就是对可燃气中焦油的处理。
1、焦油的特点
其成分非常复杂，可以分析出的成分有200多种，主要成分不少于20种，其中含量大于5%的有7种。
可燃气中焦油的含量随温度升高而减少。
2、焦油的危害
（1）焦油占可燃气能量的5%—10%，在低温下难以与可燃气体同时被燃烧利用，民用时大部分焦油被浪费掉。
焦油在低温下凝结成液体，容易和水、炭粒等结合在一起，堵塞输气管道，卡住阀门、抽风机转子，腐蚀金属。
（2）焦油难以完全燃烧，并产生炭黑等颗粒，对燃气利用设备如内燃机、燃气轮机等损害相当严重。
（3）焦油及其燃烧后产生的气味对人体是有害的。
3、除焦的方法
焦油处理方法
物理处理方法
化学处理方法
旋风分离法
湿式净化法
干式净化法
高温热解法
催化裂解法
优点
设备简单,操作方便,成本低廉
结构简单,操作方便,成本低廉
无二次污染;
分离净化效果高且稳定,对0.1～1.0μm微粒有效捕集
充分利用焦油,提高气化效率;
无二次污染
充分利用焦油，降低裂解温度（750～900℃）,提高气化效率,,无二次污染
缺点
气化气流速要求严格,只有对粒径较大的焦油颗粒（100μm）有效
循环回收设备庞大;
焦油废水造成二次污染;
大量焦油浪费
气化气流速不能过高、焦油沉积严重、黏附焦油的滤料难以处理;
存在一定的能源损失
热解温度高,对气化设备制造要求较高
催化剂的使用增加气化气成本;
催化剂的添加温度控制严格、气化工艺要求高
3.3生物质气化制备化学品技术
3.3.1生物质气化合成甲醇和二甲醚
3.3.2生物质气化制氢
氢是一种理想的新能源，氢气燃烧热值高、而且燃烧的产物是水，由于不排放温室气体，因此，它也是一种清洁的新能源。
制氢的方法有很多，技术比较成熟且应用于工业大规模制氢的方法主要有化石能源制氢和电解水制氢。
3.4生物质气化集中供气技术
生物质气化集中供气技术指以各种秸秆固体生物质为原料，通过气化的方式转化成生物质燃气，并通过管网输送到农村用不用于炊事燃料。
在农村推广生物质集中供气技术，除减少化石能源的使用、提高生物质利用效率外，其重要意义在于提高农民生活质量和生活品味、加速农村城镇化建设，并减少由于采用秸秆直接燃烧做饭而造成的农村大气环境的污染。
集中供气系统的基本模式为：
以自然村为单元建设供气系统，系统规模为数十户至数百户。
3.4.1集中供气工程及工艺流程
生物质气化集中供气工程四部分组成：
1、燃气发生炉机组
（1）原料粉碎送料部分
（2）原料气化部分
（3）燃气净化系统
（4）气水分离部分
（5）水封器部分
2、储气柜
3、管网
4、用户燃气设备
生物质气化机组
3.4.2集中供气技术应用前景
在我国农村推广应用秸秆类生物质气化集中供气技术，其社会、经济、生态效益显著，对改变能源结构、资源的高效利用、不可再生能源资源的持续利用、农村经济的可持续发展和农村城镇化建设等，均具有重要的促进作用和现实意义。
但目前生物质集中供气技术还存在一些问题，如燃气中焦油和灰尘含量偏高，焦油和灰尘含量大部分在20mg/m3左右，不符合国家民用燃气低于或等于10mg/m3的标准，燃气中的焦油含量是目前该气化系统面临的突出问题；
另外，燃气热值普遍较低，空气氧化气化法生产的燃气地位热值虽能达到5522kJ/m3，但还远低于国家标准，而且由于工艺特点和生物质原料氧含量高，使燃气中CO和O2含量偏高，存在安全隐患。
3.5生物质气化发电技术
生物质气化发电技术是将生物质转化成可燃气，再将净化后的气体燃料直接送入锅炉、内燃发电机、燃气机的燃烧室中发电。
生物质气化发电相对燃烧发电时更洁净的利用方式，它几乎不排放任何有害气体，小规模的生物质气化发电已进入商业示范阶段，它比较合适生物质的分散利用，投资较少，发电成本也低，比较合适于发展中国家的应用。
3.5.1生物质气化发电技术分类
分类
应用方面
发电功率
小型气化发电系统
多采用固定气化床设备，主要用于农村照明或作为中小企业自备发电机组。
一般小于20kW
中型气化发电系统
以流化床气化为主，主要作为大中型企业的自备电站或小型上网电站
500—3000kW
大型气化发电系统
主要作为上网电站
5000kW以上
根据燃气发电过程的不同，生物质气化发电可分为：
内燃机化发电系统、燃气轮机发电系统及燃气-蒸汽联合循环发电系统。
3.5.2
生物质整体气化联合循环（B-IGCC）
生物质整体气化联合循环发电系统主要包括生物质原料的处理系统、加料系统、流化床气化炉、燃气净化系统、燃气轮机、余热锅炉等部分。
瑞典是首家建立以生物质为原料的整体气化联合循环发电厂的国家，另外美国、英国、芬兰等国家都投资建了B-IGCC示范项目。
但B-IGCC技术尚未完全成熟，投资和运行成本都很高，目前其主要应用还只停留在示范和研究的阶段。
由于资金和技术问题，在中国现有条件下研究开发与国外相同技术路线的大型B-IGCC系统是非常困难的。
针对目前我国的具体情况，采用内燃机代替燃气轮机，其它部分基本相同的生物质气化系统，不失为解决我国生物质气化发电规模化发展的有效手段。
一方面，采用气体内燃机可降低对气化气杂质的要求（焦油与杂质含量＜100mg/m3既可），因此可以大大减少技术难度；
另一方面，避免了改造相当复杂的燃气轮机系统，从而大大降低了系统的成本。
从技术性能上看，这种气化及联合循环发电系统在常压气化时，整体发电效率可达28%—30%，只比传统的低压B-IGCC降低了3%—5%。
但由于该系统简单，技术难度小，单位投资和造价大大降低（约500元/kW）。
这种技术方案比较适合我国目前的工业水平，设备可以全部国产化，适合分散的、独立的生物质能源利用系统。
·
升级会员 