生物质气化技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第五章第五章 生物质气化技术生物质气化技术第一节 生物质气化基本原理第二节 生物质气化工艺技术第三节 生物质燃气利用第1页主要教学内容及要求了解：生物质气化技术类型，生物质气化设备类型及各自特点，生物质气化技术研究进展了解：生物质气化原理，生物质气化过程中影响原因掌握：生物质气化概念，生物质气化过程基本参数及其作用，生物质燃气中主要杂质成份及净化方法熟练掌握：上吸式和下吸式固定气化炉工作原理，流化床气化炉工作原理第2页第一节第一节 生物质气化基本原理生物质气化基本原理第3页1 生物质气化概念与特点1.1生物质气化概念生物质气化：是在一定热力学条件下，只提供有限氧情况下使生物质发生不完全燃烧，生成CO、H2、低分子烃等可燃气体。生物质气化原料：废木材、柴薪、秸秆、果壳、稻壳、木屑等。普通都是挥发分高、灰分少、易裂解生物质废弃物。可燃气体成份组成经过生物质气化过程产生气化气主要可燃成份为一氧化碳、氢气、乙烯、甲烷等，是一个洁净、清洁绿色能源。第4页1 生物质气化概念与特点原料原料气化气成份（气化气成份（%）低热值低热值CO2O2COH2CH4CmHnN2kJ/m3玉米芯玉米芯221.422.512.32.320.248.785.120玉米秸玉米秸131.621.412.21.870.249.684.809棉柴棉柴11.61.522.711.51.920.250.584.916稻草稻草13.51.71512.02.100.155.604.002麦秸麦秸141.717.68.51.360.156.743.664*下吸式空气气化炉气化气成份下吸式空气气化炉气化气成份可燃成份以可燃成份以CO和和H2为主，约占为主，约占2535%。N2约约50%生物质气化气主要用途生物质气化气主要用途1）民用炊事与取暖）民用炊事与取暖2）烘干谷物、木材、果品、炒茶等）烘干谷物、木材、果品、炒茶等3）发电）发电4）区域供热等）区域供热等1.1生物质气化概念第5页1 生物质气化概念与特点1.1生物质气化概念生物质气化特点：气化是将化学能载体由固态转换为气态气化反应中放出热量则小得多气化后可燃气体再燃烧则可深入释放出其含有化学能生物质转化为可燃气后，利用效率显著提升，用途更为广泛系统复杂，生成燃气相对其它主要气体燃料而言热值较低，不便于储存运输，须有专门用户或配套利用设施。第6页1 生物质气化概念与特点1.2 气化与燃烧差异在原理上，气化与燃烧都是有机物与氧发生反应；生物质燃烧:燃烧过程中提供充分氧气，燃烧后产物是CO2和水等不可再燃烧烟气，放出大量反应热。即燃烧主要是将原料化学能转变为热能；生物质气化：生物质气化时发生不完全反应，总体上是吸热反应，气化产物可深入燃烧。第7页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程干燥层干燥层100250热解层热解层300500800还原层还原层900氧化层氧化层1200湿料湿料气体气体灰灰空气空气以上吸式固定床气化炉为例。以上吸式固定床气化炉为例。生生物物质质从从上上部部加加入入，依依次次进进入入干干燥燥层层、热热解解层层、还还原原层层、氧氧化化层层，最最终终以以灰灰分分形形式式排排出出。而而气气化化剂剂从从底底部部吹吹入入，与生物质物料走向相反。与生物质物料走向相反。反反应应炉炉工工艺艺结结构构设设计计主主要要标标准准：合合理理温度分布温度分布第8页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程基本反应包含：固化燃料干燥热分解反应还原反应氧化反应 四个过程，对应炉内分为：干燥区、热分解区、还原区、氧化区 四个区（层）燃料燃料准备区准备区气化区气化区生物质气化机理示意第9页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程2.1 固体燃料干燥2.1.1干燥过程特点：生物质原料被加热，析出吸附在生物质表面水分。在100150主要为干燥阶段，大部分水分在低于105条件下释出，此阶段过程进行比较迟缓。需要供给大量热。原料表面水分完全脱除之前，被加热生物是温度是不上升。第10页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程气化炉最上层为干燥区。气化炉最上层为干燥区。生物质干燥生物质干燥气气体体高温气流高温气流干燥层干燥层100250湿料湿料干干物物水水分分氧化层燃烧氧化层燃烧干燥区温度约为干燥区温度约为100250。湿料同来自下面三个反应区热湿料同来自下面三个反应区热气体换热，蒸发水蒸气伴随热气体换热，蒸发水蒸气伴随热气流上升排出气化炉，干物料气流上升排出气化炉，干物料落入裂解区。落入裂解区。第11页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程秸秸秆秆受受热热后后发发生生裂裂解解反反应应，大大部部分分挥挥发发分分从从固固体体中中分分离离出出去去。裂解需要大量热量，温度降到裂解需要大量热量，温度降到400600。裂解反应方程式为：。裂解反应方程式为：CH1.4O0.6=0.64C+0.44H2+0.15H2O+0.17CO+0.13CO2+0.005CH4裂解区主要产物：裂解区主要产物：C、H2、H2O、CO、CO2、CH4、焦油和烃、焦油和烃类等类等。今后热气体上升到干燥区，而炭则下降到还原区。今后热气体上升到干燥区，而炭则下降到还原区。2.2热分解反应热分解反应第12页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程当温度到达160以上，高分子有机物开始发生吸热不可逆热分解反应，伴随温度深入升高，分解进行愈加激烈。生物质中含有较多氧。当温度升高到一定程度后，氧将参加反应而使温度快速提升，从而加速完成热分解。生物质中化学改变：大分子碳水化合物链被打破析出生物质中挥发分留下木炭组成深入反应床层。热分解反应产物：复杂混合气体和固态炭。混合气体中最少包含数百种碳氢化合物，有些可在常温下冷凝成焦油，不可凝气体可作为气体燃料使用，热值可达15MJ/m3。2.2.1热分解反应特点第13页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程2.2.1热分解反应主要影响原因原料种类和加热条件是生物质热分解过程中主要影响原因。原料种类影响：生物质中挥发组分高，在较低温度下（300400）就可释放出70%左右挥发组分，而煤到800才释放出约30%挥发组分。温度影响：热分解速率伴随温度升高而加紧，完成热分解反应所需时间伴随温度升高呈线性下降。试验显示，当温度为600时，完成时间约27s；而温度达900时只需9s左右。足够气相滞留期和较高温度则会使二次反应在很大程度上发生，从而使最终不可凝气体产量伴随温度升高而增加。第14页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程2.3还原反应在还原区已没有O2存在，氧化反应中生成CO2在该区同碳及水蒸汽发生还原反应，生成CO和H2。因为还原反应是吸热反应，还原区温度也对应降低，约为700900。CO2还原反应C+CO22CO；H-162.142KJ/moll是强烈吸热反应，故温度愈高，CO2还原愈彻底。l正向反应体积增加，故压力增大使CO平衡含量降低。lCO2在氧化器内与燃料接触时间也影响其还原反应彻底程度，高温下所需时间短。第15页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程水蒸汽还原反应CH2O(g)COH2；H-118.628KJ/molC2H2O（g）CO22H2；H-75.114KJ/moll吸热反应，温度增加有利于反应进行。温度较低不利于CO生成，而有利于CO2生成。l温度高于800时，水蒸汽与碳反应速率才有显著增加；温度低于700时，水蒸汽与碳反应速率极为迟缓，400以下几乎不反应。第16页甲烷生成反应l生物质气化可燃气中甲烷，一部分起源于生物质热分解和挥发分二次裂解，另一部分起源于气化器中碳与可燃气中氢反应、与气体产物反应。C2H2CH4；H752.400KJ/molCO3H2CH4+H2O(g)；H203.566KJ/molCO4H2CH4+2H2O(g)；H827.514KJ/moll上述都是体积缩小放热反应。l常压下甲烷生成反应速率很低，高压有利于反应进行。2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程第17页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程甲烷生成反应C2H2O（g）CH4+CO2；H677.286KJ/moll是强烈放热反应。甲烷是稳定化合物，但当温度高于600时甲烷将向分解方向进行，碳以碳黑形式析出。甲烷平衡含量伴随温度升高而降低。l生物质气化反应总体是体积增大反应。为增加产气中甲烷含量，宜采取较高气化压力和较低温度；反之，若想制取反应原料气，应降低甲烷含量，则可采取较低气化压力和较高反应温度。第18页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程CO变换反应COH2O（g）H2+CO2；H-43.514KJ/moll该式是制取以H2为主要成份气体燃料主要反应。也提供甲烷化反应所需H2。l当温度高于850时，此反应正反应速度高于逆反应，有利于生成H2，通常要求反应温度高于900。l该反应通常在气化器燃气出口温度下反应到达平衡，故决定了出口燃气组成。第19页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程2.4氧化反应l因为碳与二氧化碳、水蒸汽之间还原反应及物料热分解都是吸热反应，为保持气化器内高温，通常采取经气化残留碳与气化剂中氧进行部分燃烧，并放出热量。l因为限氧燃烧，氧化反应包含完全燃烧和不完全燃烧，同时放出热量。氧化区温度可达10001200。l2CO22CO；H246.034KJ/molCO2CO2；H408.177KJ/mol第20页 2 2 生物质气化反应生物质气化反应过程过程气体产物中总是掺杂有燃料干馏裂解产物，如气体产物中总是掺杂有燃料干馏裂解产物，如焦油、醋酸、低温干馏气体、炭黑。焦油、醋酸、低温干馏气体、炭黑。气化反应主要场所气化反应主要场所氧化区氧化区还原区还原区气化区气化区干燥区干燥区裂解区裂解区干馏反应主要场所干馏反应主要场所燃料准备区燃料准备区热载体热载体气化过程关键点气化过程关键点第21页 3 3 气化过程几个基本参数气化过程几个基本参数（1）比消耗量；（2）气体产率；（3）气化效率；（4）热效率；（5）燃气质量（6）碳转换率；（7）气化强度（8）气化炉输出功率在评价生物质气化过程时，经惯用到以下指标：第22页比消耗量指气化系统中，单位生物质在气化过程所消耗气化剂（空气、氧气、水蒸汽、CO2等)量。为对比各种气化方法，也以制造1m3（标准状态）可燃气或纯CO+H2为基准。是生物质气化站设计一项主要技术经济指标。3 3 气化过程几个基本参数气化过程几个基本参数（1）比消耗量第23页 3 3 气化过程几个基本参数气化过程几个基本参数比消耗量相关原因：与生物质种类相关。伴随生物质原料中固定碳含量增加而增大；与气化方法和操作条件相关。若空气气化时比消耗大，说明气化过程消耗氧量多，反应温度升高，有利于气化反应进行；但燃烧生物质份额增加，产生CO2量增加，使气体质量下降。水蒸汽气化时，通入蒸汽量要能满足气化反应需要，还须够用来冷却氧化层，以控制气化反应温度低于灰分熔点。蒸汽量由鼓风温度控制，它是鼓风温度下饱和水蒸汽含量。第24页 3 3 气化过程几个基本参数气化过程几个基本参数当量比：采取空气(氧气)气化时比消耗量与完全燃烧所需要理论空气(氧气)量之比。是气化过程主要控制参数。理论最正确当量比为0.28，因为原料与气化方式不一样，实际运行中，控制最正确当量比在0.250.30之间。为宜。此时燃气成份很好。原料水分大或挥发分低时应取上限，反之取下限。必要时应试验确定适宜当量比。生物质完全燃烧理论空气量可依据元素分析计算：V=（1.866C+5.55H+0.7S+0.7O）0.211V为理论空气量(m3/kg)；C为C元素含量%实际空气需要量：VL=V第25页（2）气体产率 气体产率是指单位质量原料气化后所产生气体燃料在标准状态下体积。相关原因：3 3 气化过程几个基本参数气化过程几个基本参数与生物质种类相关决定于原料中水分、灰分及挥发分惰性组分（灰分、水分）越少、可燃组分越高，则气体产率越高。第26页气化效率指生物质气化后所得燃气热值与气化原料热值之比。是衡量气化过程主要指标。式中式中:气化效率气化效率，%；Gv为为每千克原料产出燃气量（标准状态），每千克原料产出燃气量（标准状态），(m3/kg)，普通为，普通为2.02.2；Qg为为燃气（标准状态）低位热值，燃气（标准状态）低位热值，kJ/m3；Qb为为原料低位热值，原料低位热值，kJ/kg。国家行业标准要求国家行业标准要求70%。国内固定床气化炉通常为。国内固定床气化炉通常为70%75%；流化床气化炉可达；流化床气化炉可达78%。3 3 气化过程几个基本参数气化过程几个基本参数（3）气化效率第27页 3 3 气化过程几个基本参数气化过程几个基本参数（4）热效率热效率为生成物总热量与总耗热量之比。（5）燃气质量（燃气组成和热值）气体燃料组成通惯用容积百分率或分压百分率表示。其中CO、H2、CH4、C2H4等为有效组分，N2为惰性组分，CO2、H2S等为杂质。气体热值是指单位体积气体燃料所包含化学能。气体燃料低位热值简化计算公式为:Qg=126CO+108H2+359CH4+665CnHm式中：Qg为气体低位热值，KJ/m3（标准状态）；CO、H2、CH4、CnHm分别为对应气体在气化气中所占体积分数，%。第28页 3 3 气化过程几个基本参数气化过程几个基本参数碳转换率是指生物质燃料中转换为气体燃料中碳份额，即气体中含碳量与原料中含碳量之比。是衡量气化效果指标之一。式中：式中：c碳碳转换率，转换率，%；Gv为为气体产率（标准状态），气体产率（标准状态），m3/kg；CO2、CO、CH4、CnHm分别分别为对应气体在气化气中所占为对应气体在气化气中所占体积体积分数，分数，%；WCHxOy生物质生物质原料特征分子量。原料特征分子量。（6）碳转化率第29页 3 3 气化过程几个基本参数气化过程几个基本参数（7）气化强度指单位时间内单位反应炉截面积处理原料能力。单位时间处理原料量（kg/h）反应炉总截面积（m2）气化强度kg/(m2h)=（8）气化炉输出功率输出功率定义为单位时间产出（燃气）热能。等于燃气产率与其热值之积。燃气产率m3/h 热值kJ/m3功率=普通而言下流式固定床气化炉功率较小，其次为上流式固定床，流化床气化炉功率较大。第30页 4 4 气化效果影响原因气化效果影响原因1）原料性质原料水分、挥发性、灰分、C/H比、密度、物料形态等。2)反应温度：最主要影响原因温度对燃气成份影响很大，普通而言温度升高时，“CO2降低”，其它成份升高，反应时间缩短，燃气产量增大。但温度太高会增加原料氧化量，增加CO2，增加热损失，增加材料与设备成本。3）进风强度进风量与传质效果主要影响：燃烧温度、还原、干燥、热解、焦油高温裂解、燃气热值。4）炉内物料高度干燥层高度影响原因：原料形态与水分。水多、块大，层高增加。热解层高度影响原因：原料形态、挥发性。氧化层高度影响原因：供热强度、燃烧性能、气化剂、进风方式第31页第二节第二节 气化技术与设备气化技术与设备第32页1 1 气化技术气化技术采取不一样生物质原料，使用不一样气化介质进行气化时，所产生可燃气成份各不相同。以空气和水蒸汽同时作为气化剂生产生物质燃气技术应用最广。现行固定床生物质气化系统基本上都采取这种气化方式。第33页（1）技术类型生物质气化不使用气化介质干馏气化固体炭固体炭木焦油木焦油木醋液木醋液气化气气化气使用介质气化空气气化氧气气化水蒸气气化水蒸气-氧气混合气化氢气气化第34页空气气化：空气气化：以以空空气气为为气气化化介介质质自自供供热热气气化化工工艺艺系系统统。取取得得以以CO为为主主低低热热值燃气。值燃气。惰性惰性N2全部保留，燃气热值较低（全部保留，燃气热值较低（5MJ/m3左右）左右）用用于于近近距距离离燃燃烧烧或或发发电电时时，空空气气气气化化是是最最正正确确选选择择。我我国国当当前前使使用最多气化方式。用最多气化方式。优点：优点：设备简单，能源自给设备简单，能源自给，缺点：缺点：热值低，存放、输送成本高，应用受限制热值低，存放、输送成本高，应用受限制（1）技术类型第35页（1）技术类型氧气气化：氧气气化：氧气气化以氧气为气化介质气化过程。其过程原理与空气气化相氧气气化以氧气为气化介质气化过程。其过程原理与空气气化相同。同。优点：优点：没有惰性氮气，在与空气气化相同当量比下，反应温度提升，反没有惰性氮气，在与空气气化相同当量比下，反应温度提升，反应速率加紧，设备容积减小，热效率提升，气体热值应速率加紧，设备容积减小，热效率提升，气体热值(约约10MJ/m3)提升一倍以上，热值与城市煤气相当。所以，可建立以生物质废提升一倍以上，热值与城市煤气相当。所以，可建立以生物质废弃物为原料中小型生活供气系统，也可用作化工合成燃料原料。弃物为原料中小型生活供气系统，也可用作化工合成燃料原料。第36页（1）技术类型水蒸气气化：水蒸气气化：水水蒸蒸气气气气化化是是以以水水蒸蒸气气为为气气化化介介质质气气化化工工艺艺。它它不不但但包包含含水水蒸蒸气气和和碳碳还还原原反反应应，还还有有CO与与水水蒸蒸气气变变换换反应。反应。C+H2O(g)CO+H2H=+118.628kJ/mol需要外供热源。需要外供热源。H2CO2COCH4CnHm低热值20-2616-2328-4210-206-7%17-21(MJ/m3)经典经典*水蒸气气化燃气组成（水蒸气气化燃气组成（V%）螺旋进料器螺旋进料器料箱料箱燃气燃气示意图示意图气化炉气化炉H2O第37页（1）技术类型空气（氧气）空气（氧气）-水蒸气气化：水蒸气气化：以空气（氧气）和水蒸气同时作为气化介质气化过程。以空气（氧气）和水蒸气同时作为气化介质气化过程。H2CO2COCH4CnHm低热值32%30%28%7.5%2.5%11.5MJ/m3*水蒸气与生物质比为水蒸气与生物质比为0.95经典经典*情况下，氧气情况下，氧气-水蒸气气化工艺燃气成份（体积分数）水蒸气气化工艺燃气成份（体积分数）自供热系统自供热系统特点：特点：部分氧起源于水蒸汽，降低了空气消耗量部分氧起源于水蒸汽，降低了空气消耗量H2与与CH4含量较高含量较高第38页（1）技术类型氢气气化：氢气气化：是是使使氢氢气气同同碳碳及及水水发发生生反反应应生生成成大大量量甲甲烷烷，形形成成高高热热值值燃燃气气（22.326MJ/m3标准状态气）工艺。标准状态气）工艺。优点：优点：高质量气体燃料，用途广泛，效率高。高质量气体燃料，用途广泛，效率高。缺缺点点：反反应应需需在在高高温温高高压压且且含含有有氢氢源源条条件件下下进进行行，条条件件苛苛刻刻，实际应用极少。实际应用极少。热分解气化：热分解气化：热热解解气气化化是是将将农农作作物物秸秸秆秆在在热热解解炉炉中中进进行行隔隔绝绝空空气气干干馏馏,取取得得以以CH4、H2为为主主中中热热值值可可燃燃气气,同同时时取取得得木木炭炭和和木木焦焦油油等等产产品品。这这种种方方法法既既不不用用氧氧气气也也不不用用外外加加热热源源，气气体体热热值值可可到到达达10.7MJ/m3以上。以上。第39页(2)不一样气化技术产物及用途气化类型气化类型主要生成物主要生成物加解温度加解温度气化气热值气化气热值（kJ/m3）产物用途产物用途干干馏馏气气化化慢速热解慢速热解炭（炭（28%30%），），木焦油（木焦油（5%10%）,木醋液（木醋液（30%35%）,气化气（气化气（25%30%）低温（低温（600）,中温（中温（600900）,高温（高温（900）中热值中热值1087812552燃气，发电燃气，发电快速热解快速热解中热值中热值15000左右左右生产汽油与酒生产汽油与酒精精空气气化空气气化H2,CH4,CO2，N2（50%左右）左右）自供热自供热,9001100低热值，低热值，41007500锅炉，干燥，锅炉，干燥，动力动力氧气气化氧气气化CO，H2,CH4中热值，中热值，1087818200燃气，燃气，化工合成原料化工合成原料水蒸汽气化水蒸汽气化H2（20%26%），），CO（28%42%），），CO2（16%23%），），CH4（10%20%），），C2H2（2%4%），），C2H6（2%4%）吸热反应，需外吸热反应，需外供热源供热源中热值中热值1012018900燃气，燃气，合成燃料合成燃料水蒸汽水蒸汽-氧气氧气H2（32%），），CO（28%），），CO2（30%），），CH4（7.5%），），CnHm（2.5%）自供热自供热800中热值中热值11500左右，左右，燃气，燃气，制氢制氢氢气气化氢气气化CH4高压、高温高压、高温高热值，高热值，2226026040工艺热源，工艺热源，管网管网第40页（3）气化工艺流程）气化工艺流程主要工艺流程：经粗切碎后直接进入气化炉点燃分解，不需外热源。燃气经提纯、净化后送至贮气柜，再经管道送至用户。上料机粉碎机气化反应炉除尘净化器储气柜气化气 净化气化气油尘灰分粉碎后秸秆主支气管道入户管道秸秆第41页2 气化设备固体生物质燃料气化时所应用设备称为气化炉或气化器，它是生物质气化系统中关键设备。生物质在气化炉内进行气化反应，生成可燃气。气化炉分类：气化炉分类：按照气化炉内可燃气相对按照气化炉内可燃气相对于生物质物料流动速度和于生物质物料流动速度和方向不一样，气化炉可分方向不一样，气化炉可分为为固定床固定床气化炉和气化炉和流化床流化床气化炉，二者又都有各种气化炉，二者又都有各种不一样形式。不一样形式。第42页气化炉分类气化炉分类 生物质气化炉固定床气化炉流化床气化炉鼓泡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 上流式气化炉 开心式气化炉 横流式气化炉 下流式气化炉 依依据据气气流流方方向向按按气气化化炉炉结结构构和和气气化化过过程程第43页（一）固定床气化炉固定床气化炉中，气化反应是在一个相对静止物料床层中进行，即物料相对于气流来说是处于静止状态。固定床气化炉是一个传统气化反应炉。按照气化介质流动方向不一样又分为：上流式（上流式）、下流式（下吸式）、横流式（横吸式）气化炉。第44页(1)下流式固定床气化炉生成可燃气体是经过炉栅向下流动被吸出，故称为下流式（下吸式）气化器。灰室原料原料空气空气干燥区干燥区热解区热解区氧化区氧化区还原区还原区产出气产出气气化器下部炉栅以下是灰室，气化器下部炉栅以下是灰室，炉栅与内胆组成一个承托容纳炉栅与内胆组成一个承托容纳原料炉膛。原料炉膛。炉栅上部内胆直径减小区域为炉栅上部内胆直径减小区域为喉管区，是气化反应区。喉管区，是气化反应区。喉管区中部偏上位置布置有进喉管区中部偏上位置布置有进风喷嘴，由气化系统后端容积风喷嘴，由气化系统后端容积式风机抽力来实现气化剂供给，式风机抽力来实现气化剂供给，使气化器在微负压条件下运行。使气化器在微负压条件下运行。第45页主要由内胆外壁和灰室组成干燥层：热解层：氧化层：还原层：工作原理结构原料自重下降，气体下吸脱水挥发、裂解、碳化、气化、液化。碳粒等燃烧供热，碳粒、CO2、水等还原形成燃气。原料空气干燥层热解层氧化层还原层喉管区灰室(1)下流式固定床气化炉产出气体第46页最大特点是下吸流动方式。水蒸气、热解气、焦油等产物都经过氧化层与还原层，利于焦油分解为可燃气体，利于水参加反应形成CO、CH4、H2等有可燃成份，国内气化站大多用此炉型。特点特点温度分布温度分布干燥层250热解层500-700氧化层1000-1200还原层700-900原料空气燃气燃气干燥层热解层氧化层还原层喉管区区灰室灰室1200800400 第47页下流式固定床气化几个生物质燃气成份原料原料燃气成份燃气成份%CO2O2COH2CH4CnHmN2木材木材8-12 0.1-0.223.112-172.5-3.550.5-55.3新收麦秸新收麦秸13.30.215.414.83.20.153干燥粪便干燥粪便12.80.416.113.21.80.2155.49(1)下流式固定床气化炉第48页 结构简单，有效层高度几乎不变，运行稳定性好。负压操作可随时打开填料盖，操作方便。燃气焦油含量低（气体中焦油在经过下部高温区时部分被裂解，）（气体中焦油在经过下部高温区时部分被裂解，）气流下行方向与热气流升力相反，使风机功耗增加；可燃气须经过灰层和储灰室吸出，灰分较高；气体经高温层流出，出炉温度较高。若用于发电或集中供气时须进行除灰或降温。需由缩小喉口加强其燃烧速度，阻力较大，不便于设备放大；所以不适于水分大、灰分高且易熔结物料。缺点优点(1)下流式固定床气化炉第49页(2)上流式固定床气化炉气化剂（空气或水蒸汽）由气化炉底部经过炉栅进入气化器氧化层（燃烧）并逐步上升，而气化产出可燃气体经过气化器内各个反应区后从气化器上部出气口排出，故称为上流式（上吸式）气化器。气流流动方向与原料移动方向相反，故也称逆流式气化器。第50页(2)上流式固定床气化炉上流式固定床气化炉工作原理生物质原料从气化炉上部加料装置送入炉内，整个料层由炉膛下部炉栅支撑。炉底。气化剂从炉底下部送风口进入炉内，由炉栅缝隙均匀分布、并渗透料层底部区域灰渣层，气化剂和灰渣进行热交换，气化剂被预热，灰渣被冷却。氧化层。气化剂随即上升至燃烧层，在燃烧层中和原料中炽热炭发生氧化反应，放出大量热量，可使炉内温度快速上升到1000以上，这一部分热量可维持气化炉内气化反应所需热量。第51页还原层。气流接着上升到还原层，此时气流中已没有氧气存在，燃烧层生成CO2碰到炽热炭被还原成CO；气化剂中水蒸气被分解，生成H2和CO。此时进行是吸热反应，使该区温度开始下降到700900。热分解层。还原区生成气体与气化剂中未反应部分一起继续上升，加热上部原料层，使原料层发生热解，脱除挥发分，生成木炭落入还原层。干燥层。混合气体还有很高温度，它们继续上升，将刚入炉原料预热和干燥脱水，并使可燃气体温度降低到100300,然后进入气化炉上部，经气化炉气体出口排出。(2)上流式固定床气化炉第52页(2)上流式固定床气化炉上流式气化炉特点气化炉热效率提升。燃气在经过热分解层和干燥层时将其携带热量传递给物料，用于物料热分解和干燥，同时降低本身温度；热分解层和干燥层对燃气有一定过滤作用，出炉燃气中灰分含量少；燃气中混有热分解析出挥发物，发烧量较高；氧化层位于气化器最底部，氧气供给充分，使底部木炭充分燃烧；气化燃气和热流同向，故工作时无须消耗很大动力，开启轻易；炉栅因为受到进风冷却，工作比较可靠。优点：第53页(2)上流式固定床气化炉上流式气化炉特点燃气出口和进料品位置靠近，为预防燃气泄漏，必须采取密封办法；添料不方便；户用炉（微型炉）普通采取间断式加料方式；连续生产则需要专门加料装置，而气闸叶片磨损后易造成密封不严漏气；燃气中挥发性物质如焦油等含量较多宜不易净化。缺点：第54页(2)上流式固定床气化炉上流式固定床气化炉适用情况：标准上适合用于各类生物质物料，尤其适合用于木材等堆积密度较大原料；能够使用较湿物料，物料含水量可达50%，并对原料尺寸要求不高，但不适合用于焦油含量高物料；气化剂是经过炉栅空隙进入炉内，气流流速较低，燃烧速度也低，不适于燃用不易燃烧燃料。普通用于粗燃气无需冷却和净化就可直接使用场所，可直接作为锅炉或加热炉燃料，或向系统提供工艺热源。第55页(3)横流式固定床气化炉空气由侧方向供给，产出气体由侧向流出。气流横向经过燃烧气化区。主要用于木炭气化，反应温度很高。在南美洲应用广泛并投入商业运行。第56页(3)横流式固定床气化炉原料原料燃气燃气空气空气干燥层干燥层热解层热解层氧化层氧化层还原层还原层灰室灰室横流式固定床气化炉横流式固定床气化炉性能特点：性能特点：结构紧凑，开启快，负结构紧凑，开启快，负荷适应能力强。荷适应能力强。燃料在炉内停留时间短，燃料在炉内停留时间短，且炉中还原层容积很小，且炉中还原层容积很小，影响燃气质量；影响燃气质量；炉中心温度可达炉中心温度可达，超，超出了灰分熔点，易造成出了灰分熔点，易造成结渣。结渣。第57页(4)开心式固定床气化炉也称层式下吸式固定床气化炉。结构特点：同下流式气化炉相同，气流同物料一起向下流动，不过没有缩口，由中心向上搭起转动炉栅代替了喉管区。由我国于50年代初研制，主要用于稻壳气化，已投入商业运行多年。性能特点：性能特点：空气能均匀地进入反应层，使反应温空气能均匀地进入反应层，使反应温度沿反应截面径向分布一致，生产强度沿反应截面径向分布一致，生产强度高；度高；气、固同向流动，有利于焦油裂解；气、固同向流动，有利于焦油裂解；结构简单，加料操作方便，而且运行结构简单，加料操作方便，而且运行可靠。可靠。第58页（二）流化床气化炉在管形炉体下部装置一块多孔水平分布板（布风板），颗粒状流化介质和燃料堆放在板上，在吹入气化剂作用下，带动固体像流体一样运动，使生物质物料在炉内呈沸腾状态，在高温下生成气体。基本概念流化床气化鼓风机鼓风机螺旋进料器螺旋进料器料箱料箱燃气燃气流化床气化炉流化床气化炉示意图示意图第59页（二）流化床气化炉鼓风机鼓风机螺旋进料器螺旋进料器料箱料箱燃气燃气流化床气化炉流化床气化炉床层：流化介质颗粒和燃料颗粒堆放在布风板上形成固体层称为床层，简称为床。流态化：当流体流过固体颗粒层时，带动固体像流体一样运动，此现象称为流态化。第60页（二）流化床气化炉流化床气化炉中，普通采取惰性热介质（沙子等），作为流化介质来增加传热效率；也可采取非惰性材料（石灰或催化剂），促进气化反应，也可不用气化介质。是惟一在恒温床上反应气化器。经过控制运行参数可使流化床床温保持在结渣温度以下，床层只要保持均匀流化就可使床层保持等温，这么可防止局部燃烧高温。流化床气化炉特点：第61页（二）流化床气化炉原料适应性广。可用于水分含量大、热值低、着火困难生物质原料。反应速度快，产气率高。物料颗粒、流化介质和气化介质接触充分，受热均匀，氧化反应和焦油裂解都在床内进行；可大规模、高效利用。流化床气化炉良好混合特征和较高气固反应速率使其非常适合于大型工业供气系统。第62页（二）流化床气化炉（3）流化床气化过程：固定床阶段。首先经过外加热到达运行温度，床料吸收并贮存热量。流化床阶段。鼓入气化炉适量空气经布风板均匀分布后将床料流化，床料湍流流动和混合使整个床保持一个恒定温度。流体输送阶段。当适当粒度生物质燃料经供料装置加入到流化床中时，与高温床料快速混合，在布风板以上一定空间内激烈翻滚，在常压条件下快速完成干燥、热解、燃烧及气化反应过程，使之在等温条件下实现了能量转化，从而生产出需要燃气。第63页（二）流化床气化炉（4）类型按气化器结构和气化过程，可分为四种类型：鼓泡流化床循环流化床双流化床携带床流化床第64页（二）流化床气化炉鼓泡流化床（沸腾床）：是最简单流化床气化器。气化方式：生物质原料在分布板上部被直接输送到炽热沙床中热分解生成炭和挥发分。特点：大分子挥发分在炽热床层中会深入裂解成小分子气体，生成气化燃气中焦油含量少。气化燃气直接由气化器出口送入净化系统中。气化炉中气流速度相对较低，几乎没有固体颗粒从流化床中逸出。经过调整气化剂比消耗量，流化床温度控制在800900左右。第65页（二）流化床气化炉循环流化床：与鼓泡流化床主要区分循环流化床气化炉中流动速度相对较高，使产出燃气中含有大量固体颗粒。结构特点：在气化燃气出口处设有旋风分离器，从流化床中携带出颗粒在经过旋风分离器搜集后重新送入炉内进行气化反应。第66页（二）流化床气化炉鼓风机鼓风机螺旋进料器螺旋进料器料箱料箱燃气燃气循循环环流流化化床床气气化化炉炉示示意意图图旋风分旋风分离器等离器等反反应应物物中中常常掺掺有有精精选选惰惰性性砂砂粒粒等等填填料料。吹吹入入气气化化剂剂使使填填料料与与原原料料充充分分接接触触、流化、燃烧、传热传质。流化、燃烧、传热传质。优优点点：动动力力学学条条件件好好，气气化化速速度度快快、燃气得率高、焦油含量少。燃气得率高、焦油含量少。缺点：灰分高、设备复杂、投资大。缺点：灰分高、设备复杂、投资大。第67页（二）流化床气化炉循环流化床技术特点：气化过程中流化速度由所供给空气量保持。一般生物质气化所需空气量是完全燃烧20%30%。为保持较高流化速度，一方面气化器相对截面不能太大，其次要求生物质颗粒直径较小。循环流化床是目前商业化应用最多流化床气化器。第68页（二）流化床气化炉双流化气化床：分为两个组成部分：一部分是气化炉，另一部分是燃烧炉。气化炉中产出燃气经分离后，沙子和炭粒流入燃烧炉中，在这里炭粒燃烧，将沙子加热，灼热沙子再返回到气化炉中，以补充气化炉所需热量。第69页（二）流化床气化炉双流化气化床特点：双流化系统中燃烧和气化过程分开进行，燃烧炉采取鼓泡床或循环床，用空气鼓风，燃烧温度为900950；气化炉用蒸汽鼓风，运行温度为800850。系统关键：双流化系统中，两床间有足够稳定物料循环量以确保有足够连续热量供气化吸热所需是该系统关键，也是其技术难点。第70页（二）流化床气化炉携带床气化炉：是流化床气化炉一个特例。该床不使用惰性材料，提供气化剂直接吹动生物质原料。携带床气化炉要求原料破碎成细小颗粒，其运行温度高达1100以上，产出气体中焦油成份及冷凝物含量很低，碳转化率可达100%。因为运行温度高易烧结，故携带床气化炉选材较难。第71页固定床气化炉与流化床气化炉性能比较上流式上流式下流式下流式鼓泡流化床鼓泡流化床循环流化床循环流化床原料适应性原料适应性适应不一样形适应不一样形状尺寸原料、状尺寸原料、含水量在含水量在15-45%间可稳定间可稳定运行。运行。大块原料不大块原料不经预处理可经预处理可直接使用。直接使用。原料尺寸控制较严，原料尺寸控制较严，需预处理过程。需预处理过程。能适应不一样种能适应不一样种类原料，但要求类原料，但要求为细颗粒，原料为细颗粒，原料需预处理过程。需预处理过程。燃气特点燃气特点后处理过后处理过程简单性程简单性H2和和CnHm含含量少，量少，CO2含含量高，焦油含量高，焦油含量高，需要复量高，需要复杂净化处理。杂净化处理。H2含量增含量增加。焦油经加。焦油经高温区裂解，高温区裂解，含量降低。含量降低。与直径相同固定与直径相同固定床比，产气量大床比，产气量大4倍，焦油较少，倍，焦油较少，燃气成份稳定，燃气成份稳定，后处理过程简单。后处理过程简单。焦油含量少焦油含量少,产气量产气量大大,气体热值比固定气体热值比固定床气化炉高床气化炉高40%左左右。后处理简单。右。后处理简单。设备实用性设备实用性单炉生产能单炉生产能力力生产强度小。生产强度小。生产强度小。生产强度小。生产强度是固定生产强度是固定床床4倍，但受气倍，但受气流速度限制。流速度限制。生产强度是固定生产强度是固定床床8-10倍，流化倍，流化床床2倍，单位容积倍，单位容积生产能力最大。生产能力最大。结构复杂程结构复杂程度及制造维度及制造维修费用修费用结构简单、加结构简单、加工制造轻易工制造轻易结构简单，结构简单，轻易实现连轻易实现连续加料。续加料。故障处理轻易，故障处理轻易，维修费用低维修费用低故障处理轻易，故障处理轻易，维修费用低。维修费用低。第72页3 生物质气化过程中影响原因生物质物料特征影响气化条件与工艺相同而物料特征不一样，其气化产物也各有差异。不一样生物质原料热值、水分、挥发分、灰分以及元素组成各不相同，这些差异造成了气化产气结果改变。经过对物料含水率、粒度、料层厚度及物料种类等原因调整，可得到不一样气化效果。另外，原料黏结性、结渣性、灰熔温度等对气化炉及过程影响较大，气化温度受其限制最为显著。第73页3 生物质气化过程中影响原因气化温度影响温度是热解和气化关键控制变量之一。主要气化反应温度为7001000。伴随气化温度增大，气化产气量也逐步增大，燃气组分中可燃组分浓度增大，气体热值增大。气化温度过低，易造成气化产气热值小，焦油产量大等问题；气化温度过高，也不利于高热值气化气生成，而且能量损耗大。第74页3 生物质气化过程中影响原因高温有利于H2浓度增加，CO浓度稍有降低。H2/CO随反应温度增大而增大。在750850气化条件下，气化气热值有先升高后降低趋势。故要取得高热值气