生物质气化知识讲解.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四讲 气体生物燃料技术,(,二）生物质气化气,1,基本概念,气化：在气化剂的作用下固态或液态碳基材料通过热化学反应转化成可燃气体的过程。,美国能源环保署对生物质气化做了如下定义：一种通过生物质的化学转化生产合成气或燃料气的技术，该化学转化过程通常包括在空气或水蒸气存在情况下以及还原气氛条件下生物质原料发生的局部氧化反应。,气化产物,不论通过哪种转化途径，生物质经过气化后主要生成以下三类物质：,1.,气体：,包括,CO,、,H,2,、,CH,4,等可燃成分，,CO,2,、,H,2,O,等不可燃成分，以及气化剂携带的没有参与反应的气体，如,N,2,等。,2.,液体：,主要指焦油。,3.,固体：,主要为炭以及原料所携带的一些惰性组分。,2,气化原理,气化反应过程：,干燥,热裂解反应,氧化反应,还原反应,1.,干燥,进入气化炉的生物质原料首先被加热，在热量的作用下，原料所携带的水分被蒸发析出。此时原料所处的温度环境大约为,100,150,，在该温度范围内并没有化学反应的发生，只有原料的干物质与水分分离过程，因此这是一个物理过程。,2.,热裂解,热裂解产生的挥发分是一种非常复杂的混合气体，至少包括数百种碳氢化合物，有些可以在常温下被冷凝成液体，即焦油，不可冷凝气体则可直接作为气体燃料使用。,生物质,H,2,CO,CO,2,H,2,O,CH,4,C,n,H,m,焦油炭,+,作为一种复杂混合物，一部分焦油成分还会继续发生二次裂解反应，如下式：,焦油,H,2,CO,CO,2,3.,还原反应,生物质燃气中的可燃气体成分主要通过还原反应产生。还原反应所需的温度通常在,900,以上。气化过程中发生的还原反应主要包括以下,2,类反应：,（,1,）二氧化碳还原反应,C+CO,2,2CO,，,H,=+162.142kJ/mol,CO+H,2,O(g)CO,2,H,2,，,H,=,+,43.514kJ/mol,（,2,）水蒸汽还原反应,C+H,2,O(g)CO,H,2,，,H,=+118.628kJ/mol,C+2H,2,O(g)CO,2,2H,2,，,H,=+75.114kJ/mol,4.,氧化反应,氧化反应是指在气化剂中氧气的作用下原料中的碳发生的完全和不完全燃烧反应。在气化炉的氧化反应区，温度可高达,1000,1200,。反应方程式如下：,C+O,2,CO,2,，,H,=,408.177kJ/mol,2C+O,2,2CO,，,H,=,246.034kJ/mol,3,气化工艺,工艺类型,热解气化,空气气化,氧气气化,水蒸气气化,水蒸汽氧气混合气化,氢气气化,超临界水气化,气化剂气化,1.,空气气化,气化过程中，空气为生物质的氧化反应，即燃烧过程提供氧气，氧化反应为还原反应提供热量和反应物，通过还原反应产生生物质燃气。,空气气化特点：,运行成本低,燃气热值低，通常在,5MJ/Nm,3,左右,燃气中焦油含量高,存在原料结渣问题,2.,氧气气化,与空气气化相比，氧气气化的特点表现在以下,2,个方面：,燃气热值高，可达,15MJ/Nm,3,使气化反应设备容积减小,实际应用过程中生物质氧气气化工艺多采用富氧气化。富氧气化就是通过提高空气中氧的体积分数来降低气化介质中,N,2,的体积分数。,2.,氧气气化,Biomass,氧气浓度,(%),炉内温度,(),热值,(MJ/m,3,),99.8,810,11.98,99.8,724,11.97,89.0,550,11.53,89.0,600,11.80,90.2,670,12.25,78.0,450,10.58,67.0,550,10.56,67.0,560,10.69,3.,水蒸汽气化,水蒸气气化是指以水蒸气作为气化剂在高温下同生物质发生反应产生生物质燃气的工艺。,反应类型,反应式,Boudouard,反应,C+CO,2,2CO,非均相水气转换反应,C+H,2,O CO,H,2,C+2H,2,O CO,2,2H,2,水气转换反应,CO+H,2,O CO,2,H,2,甲烷化反应,C+2H,2,CH,4,蒸气重整反应,CH,4,H,2,O CO+3H,2,水蒸气气化所产燃气中,H,2,含量高，燃气热值高，可达,16,19MJ/Nm,3,；燃气的,H,2,/CO,较高，这些是水蒸气气化工艺优于空气气化工艺之处,。,4.,超临界水气化,超临界水气化是利用超临界水可溶解多数有机物和气体，而且密度高、粘性低、运输能力强的特性，将生物质高效气化，产生高含,H,2,燃气的气化技术。因此超临界水气化被认为是一种生物质气化产氢的新方法。,Modell M.(1985),发现了超临界水对有机废弃物能高效转化的现象，随后一些研究者开展的有关纤维素在超临界水中分解的动力学研究进一步印证了这一现象。近年来生物质超临界水气化已成为了一个热点研究领域。,4.,超临界水气化,超临界水指温度和压力处于临界点以上的水，水的临界温度和压力分别为,374,和,22MPa,。,超临界水是具有强扩散和传输能力的均质非极性溶剂，能溶解各种有机化合物和气体。生物质超临界水气化正是利用了其良好的传输能力和溶解能力。,由于水和有机成分的混合不存在界面传输限制，所以化学反应的效率很高，,在气化模型物的过程中原料的气化效率超过,99%,，所产燃气中,H,2,的体积含量高达,50%,。,4.,超临界水气化,原料,温度,(),压力,(MPa),催化剂,H,2,(%),气化效率,(%),锯末,/CMC,650,25,无,21.0,93.8,锯末,/,玉米秆,600,34.5,C,57.0,98,木材,450,25,无,30.0,90,陈化粮,400,13.8-34.5,Ni,4.7,74.9,日本橡木,350,18,Ni/Na,2,CO,3,47.2,55.4,5.,热解气化,热解气化，又称干馏气化，是指生物质在隔绝空气或提供极有限的空气的条件下加热后进行裂解反应的气化过程。也可描述成生物质的部分气化。,热解气化的突出优点是产生的燃气热值较高，约,15MJ/Nm,3,左右，其缺点是气体产出率较低，产生的燃气中焦油含量很高,。,5.,热解气化,按温度可将热解分为低温热解,(600,以下,),，中温热解,(600,900),和高温热解,(900,以上,),。根据热解过程的原料停留时间和升温速率，热解可分为：常规热解,(Conventional pyrolysis),、快速热解,(Fast pyrolysis),和闪解,(Flash pyrolysis),。,生物质气化炉,固定床气化炉,流化床气化炉,鼓泡流化床气化炉,循环流化床气化炉,双流化床气化炉,携带床气化炉,下,吸式气化炉,开心式气化炉,平吸式气化炉,上,吸式气化炉,根据气流方向,按气化炉结构,和气化过程,4,生物质气化炉,1.,上吸式气化炉,上吸式气化炉结构与工作原理示意图,1.,上吸式气化炉,氧化区：,温度,1000,以上，,提供气化反应所需热量。,还原区：,发生还原反应产生,CO,和,H,2,，,温度降低到,700,900,。,裂解区：,使原料发生热裂解反应，温度,400-600,。,干燥区：,将原料加热干燥，温度下降到,200,300,1.,上吸式气化炉,优点：,操作简便。,运行能耗低。,燃气灰分含量少,燃气出口温度低,缺点：,焦油含量高,2.,下吸式气化炉,下吸式气化炉结构与工作原理示意图,2.,下吸式气化炉,优点：,焦油含量低。,结构简单，,且由于其有效层高度几乎不变，,工作稳定性好,操作方便。,这与气化炉可以在微副压条件运行，从而便于连续进料有关,缺点：,燃气含尘高,燃气出口温度高,3.,鼓泡床气化炉,鼓泡床气化系统结构与工作原理示意图,3.,鼓泡床气化炉,鼓泡床气化炉是最基本、也是最简单的气化炉。有一个流化床反应器，气化剂从底部布风板吹人，生物质原料被送入布风板上由细颗粒形成的流动床中与气化剂发生气化反应，最终生成生物质燃气。,气化炉内气化剂的上升流速为,1,3m/s,。燃气中焦油含量较低，一般小于,1,3g/Nm,3,。生成的生物质燃气直接由气化炉出口送人净化系统中。鼓泡床的炉温可通过调节气化剂的比消耗量而控制在,700,900,的温度范围内。,4.,循环流化床气化炉,循环流化床气化系统结构与工作原理示意图,4.,循环流化床气化炉,循环流化床气化炉与鼓泡床气化炉相比，循环流化床气化炉的流化速度高，气化剂的上升流速为,5,10m/s,，从而使得从气化炉出来的燃气中携带有大量的固体颗粒，这些颗粒包含大量未完全反应的炭粒，通过设置在气化炉出气口处的旋风分离器将这些颗粒从燃气中分离出来，并重新送入气化炉内，继续参与气化反应。循环流化床气化炉的反应温度一般也控制在,700,900,。,5.,各种生物质气化炉比较,气化炉类型,优点,缺点,上吸式固定,/,移动床气化炉,工艺简单且成本低,燃气出口温度低，大约,250,碳转化率高,燃气灰分含量低,热效率高,焦油产率高,会产生沟流现象,会产生架桥现象,要求原料粒度小,会产生结渣问题,下吸式固定,/,移动床气化炉,工艺简单,燃气焦油含量低,要求原料粉碎很细,对原料的灰分含量有限制,存在功率限制,能产生架桥和结渣现象,鼓泡床气化炉,进料速率和成分较灵活,可气化高灰分含量原料,可以加压气化,燃气,CH,4,含量高,容积负荷高,温度易于控制,操作温度受灰熔点的限制,燃气出口温度高,燃气焦油尘含量高,飞灰中炭含量可能偏高,循环流化床气化炉,操作灵活,操作温度可高达,850,存在腐蚀和磨损问题,气化生物质时可操控性差,双床流化床气化炉,不需要氧气,床层温度低使得,CH,4,含量高,低床层温度导致焦油产量高,加压气化条件下控制困难,5.,各种生物质气化炉比较,总之，大规模利用条件下应该首选最为可靠循环流化床气化炉系统，而小规模利用应选用下吸式气化炉，鼓泡流化床气化炉在中等规模利用条件下更有竞争力,生物质气化炉技术经济性能对比,4,燃气净化,颗粒去除技术：,旋风分离器、过滤器、静电除尘器、湿式除尘器,燃气净化,碱金属去除技术：,低温凝结、过滤器，高温过滤,除焦油技术,物理方法除焦：,湿式除尘器、静电除尘器，旋风除尘器,催化裂解除焦：,木炭、白云石、镍基催化剂,除焦油技术,除焦油技术可以分为两类：一类是物理方法；另一类是催化裂解的方法。,物理方法除焦油,主要采用冷凝的方法使燃气中的焦油凝结成液滴，然后利用湿式除尘器、静电除尘器，或旋风除尘器等将冷凝下来的焦油去除。,物理除焦只是将焦油从燃气中分离出来，而且多把分离出来的焦油作为废物排放，这使得焦油所含能量被浪费，如果处理不当还会产生污染,除焦油技术,湿式净化系统,除焦油技术,喷淋法除焦油 鼓泡法除焦油,除焦油技术,干式净化系统,1.,气化炉,2.,一次除尘,3.,二次除尘,4.,冷却管,5.,过滤器,6.,风机,7.,水封,除焦油技术,催化裂解除焦油：,通过高温热裂解可以将焦油转化为燃气。,对焦油裂解具有催化作用的材料很多，其中效果较好的材料主要有三种，即木炭、白云石、镍基催化剂,催化剂,反应温度,/,接触时间,/s,转化效率,/%,特点,镍基催化剂,750,约,1.0,97,反应温度低、转化效果好；材料较贵，成本较高,木炭,800,900,约,0.5,约,0.5,91,99.5,木炭为气化自身产物，成本低；随着反应进行，木炭减少,白云石,800,900,约,0.5,约,0.5,95,99.8,转化效率高，材料分布广，成本低,