能源概论-生物质的热能利用.doc

《能源概论-生物质的热能利用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《能源概论-生物质的热能利用.doc（21页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第四章 生物质的热能利用 4-1 生物质能利用概述 在当今能源结构中，生物质起到举足轻重的作用。由于地球上生物数量巨大，由这些生命物质排泄和代谢出许多有机质，这些物质所蕴藏的能量是相当惊人的。根据生物学家估算，地球上每年生长的生物能总量约14001800亿吨（干重），相当于目前世界总能耗的10倍。我国的生物质能也极为丰富，现在每年农村中的秸杆量约6.5亿吨，到2010年将达7.26亿吨，相当于5亿吨标煤。柴薪和林业废弃物数量也很大，林业废弃物（不包括炭薪林），每年约达3700m3，相当于2000万吨标煤。如果考虑日益增多的城市垃圾和生活污水，禽蓄粪便等其他生物质资源，我国每年的生物质资源达6亿

2、吨标煤以上，扣除了一部分做饲料和其他原料，可开发为能源的生物质资源达3亿吨多标煤，而随着农业和林业的发展，特别是随着速生炭薪林的开发推广，我国的生物质资源将越来越多，有非常大的开发和利用潜力。 生物质能源包括直接来自光合作用的树木、草类、农作物及水生植物等绿色植物，还包括各类有机废物、城市垃圾、有机废水、下水污泥等二次能源。从广义上讲，生物质是植物通过光合作用生成的有机物，它的能量来源于太阳能，所以生物质能是太阳能的一种，它的生成过程如下： CO2+H2O+太阳能 CH2O+O2一、生物质资源的特点 1、生物质能与常规能源的相似性及可获得性 生物质能载体是有机物，这种能源是以实物的形式存在的，

3、是唯一一种可储存和可运输的可再生能源，它分布广, 不受天气和自然条件的限制，只要有生命的地方即有生物质存在。从利用方式上看，生物质能与煤、石油内部结构和特性相似，可以采用相同或相近的技术进行处理和利用，利用技术的开发与推广难度比较低。另外，生物质可以通过一定的先进技术进行转换，除了转化为电力外，还可生成油料、燃气或固体燃料，直接应用于汽车等运输机械或用于柴油机，燃气轮机、锅炉等常规热力设备。生物质能与现代的工业化技术和目前的现代化生活有最大的兼容性，它在不必对已有工业技术做很大改进前提下即可以替代常规能源。 但是，由于生物质的多样性和复杂性，其利用技术远比化石燃料复杂和多样。首先由于生物质有的

4、含水极高或以污水为载体（如污泥和养殖污水等），生物质利用技术除了与采用化石燃料相似的燃烧技术和物化转换技术之外，还增加了独特的生化转换技术，如厌氧消化技术和堆肥等；其次，生物质形状多样，能量密度低，在利用时需要更多的预处理和能量品位提升的过程，所以它的特殊转换技术比直接燃烧更重要，另外，生物质分布分散，难以使用集中处理技术，而分散处理技术效率较低，这也是目前生物质大规模推广使用的主要难题。 2、生物质能源的可再生性及洁净性 矿物燃料是把原为固定的碳通过燃烧使其流动化，并以CO2的形式累积于大气环境，造成温室效应。而生物质中的碳来自空气中流动的CO2，如果这两个速度有合适的匹配，CO2甚至可以达

5、到平衡，整个生物质能循环就能实现CO2零排放，从根本上解决矿物能源消耗带来的温室效应问题。目前，运输和燃煤电厂是造成CO2排放的主要因素，随着电力需求和交通运输的不断增长，其排放量也将不断增加。在没有切实可行的办法控制化石燃料使用过程中产生CO2的情况下，减少化石燃料的使用是唯一的办法。在这种背景下，发达国家主要关心的是生物质能对减少CO2排放上的作用，加上发展速生能源作物有利于改善生态环境，不会遗留有害物质或改变自然界的生态平衡，对今后人类社会的可持续发展有重要意义，所以国际上先进国家大都把生物质能利用技术作为一种重要的能源技术来发展，有的国家象瑞典等欧洲国家把生物质能作为替代核能的首要选择

6、，对生物质能利用技术的研究和开发越来越重视。 生物质利用在减少CO2排放方面的作用，可以通过生命周期法进行定量分析。生物质的生命周期主要包括：植物种植，生长，收获，废弃物的收集、运输、预处理，回收利用（包括各种生物质转换技术），最终处理。由于生物质能量密度低，因此，收集、运输过程的能耗比石化燃料大，在整个利用过程中占有较大比重，不能忽视。预处理过程（包括粉碎、干燥）是实现工业化能源利用的前提，此过程的能耗也不可忽视。这样，生物质整个生命周期过程对环境的影响来自收集、运输和预处理中化石燃料利用造成的环境污染及CO2排放，以及各种生物质转换技术本身所致的二次污染，包括废水和废气等。 比较结果表明，

7、只要采用高效合理的利用方式，生物质总体利用过程中CO2排放比化石燃料小90%左右。另外，系统效率越高，相应的CO2减排量也大。所以开发大型、高效率的生物质能利用系统是今后的发展方向。 以生物质资源代替化石燃料，一方面减少了化石燃料的供应量，另一方面可以减少CO2、SO2、NOx等污染物排放，改善环境质量。例如：每利用一万吨秸杆替代煤炭，将减少二氧化碳排放1.4万吨，二氧化硫排放40吨，烟尘排放100吨。消化利用秸杆，已经成为改善环境的迫切需求。秸杆气化技术将与秸杆还田、饲料应用和其他技术一起，为保护农村生态环境贡献力量。 二、生物质能利用技术的复杂性 生物质能源原料种类繁多，成分复杂，产地分散

8、，热值和有用成分含量相差较大，生物质的开发和利用存在着多种途径： 1、通过燃烧，把柴薪、秸秆等固体生物质燃料的化学能转化为热能或电力是应用最广泛生物质能利用方式。近年来，一些国家十分重视在城市中建立垃圾处理厂，通过焚烧垃圾向居民提供廉价热能和电能。 2、为提高生物质能利用效率，生物质气化技术得到应用。热能气化是将固体生物质在缺乏空气的条件下加热至高温，分解出主要由CH4, CO, CO2和H2组成的中热值可燃气，同时产生少量焦油和固体残留物。加氢热解可得到高热值可燃气。 73、热解炭化是通过干馏木材制取木炭，在隔绝空气的条件下加热，使固体生物质分解，生成木炭和少量木焦油及低热值可燃气。现代的热

9、解碳化工艺，产碳率较传统炭窑增加一倍，而且回收焦油和低热值燃气，产生甲醇、醋酸等副产品，大大提高了能量利用水平。 4、通过厌氧微生物的作用，将有机物质转化为甲烷。沼气技术是目前普遍采用的一种生物质转化技术，这种方法简单有效，既生产沼气，又处理有机废物。 5、一些细菌在厌氧条件下可将单糖和二糖物质直接转化为乙醇，称为乙醇发酵技术。目前主要采用粮食作物和糖类作物为发酵原料。而淀粉、纤维素等多糖类物质不能直接转化为乙醇，必须先经过水解变为单糖和二糖才能转换为乙醇。 当前生物质转换技术的发展，可以看出具有如下几个特点： 1、转换途径多样化。这些方法涉及化学工程、生物工程、生物化学、生物物理学、光化学等

10、领域。 2、重视生物质能资源的梯度利用。主要注意生物质原料的多层次处理，力求使原材料得到综合利用，从中或得各种有用产品。 3、低品位能源向高品位能源转换。 4、能源工程与环境工程紧密结合。生物质转换技术属于能源与环境相结合的技术，生物质转换所用的原料是各类有机废液、废物或废水，转换过程中一般不产生二次污染，产品是干净的气体或液体燃料和电能，这种能量转换技术使废物处理技术，既有能源效益，又有环境效益。 三、国内外发展现状 1 国内现状 我国的生物质利用技术主要分为两方面，一是沼气技术，二是生物质热转换与利用技术。这两方面的发展现状也差别较大。生物质沼气利用技术：我国是世界上沼气利用开展得最好的国

11、家，生物质沼气技术已发展相当成熟，目前已进入商业化应用阶段。污水处理的大型沼气工程技术也已基本成熟，目前已进入商业示范和初步推广阶段。但由于沼气技术主要目标是环境效益，一次投资大，而能源产出小，所以经济效益比较差。生物质热转换和热利用：该技术我国是近年来才发展起来的，目前热转换技术中生物质制油等液化技术研究刚刚开始，仍处于实验室和小试阶段；而生物质气化已开始进入应用阶段，特别是生物质气化集中供气技术和中小型生物质气化发电技术，由于投资较小，比较适合于农村地区分散利用，具有较好的经济性和社会效益。例如生物质农村集中供气站全国已建成几百家，最长的已运行45年，而生物质气化发电已推广200多台套，最

12、大的有1000kW，技术实用性和经济性都处于较好水平。 从实际应用上看，我国和国外差距较大的是生物质直接燃烧技术。目前我国只有燃用甘蔗渣锅炉，其他生物质还没有定型锅炉产品，由于直接燃用技术限制，生物质直接燃烧用于发电或供热比例很小，造成农业和林业废弃物的大量浪费。 2 国外现状 目前，国外的生物质能利用技术主要分两大类，一是把生物质转化为电力，二是把生物质转化为优质燃料，如油、氢等。两大类技术处于不同的发展阶段，技术水平相差很远。 生物质能转化为电力。要有直接燃烧后用蒸汽进行发电和生物质气化发电两种。生物质直接燃烧发电的技术已基本成熟，它已进入推广应用阶段，如美国大部分生物质采用这种方法利用，

13、10年来已建成生物质燃烧发电站约6000MW，处理生物质大部分是农业废弃物或木材厂、纸厂森林废弃物。这种技术单位投资较高，大规模下效率也较高，但它要求生物质集中，数量巨大，只适于现代化大农场或大型加工厂废物处理。如果考虑生物质大规模收集或运输，成本较高，对于生物质较分散的发展中国家不是很合适。生物质气化发电是更洁净的利用方式，小规模的生物质气化发电已进入商业示范阶段，比较合适于生物质分散利用，投资较少，发电成本低，比较合适于发展中国家应用。大规模生物质气化发电一般采用IGCC技术，适合于大规模开发利用生物质资源，发电效率较高，是今后生物质工业化应用主要方式。已进入工业示范阶段，美国、英国和芬兰

14、等国家都在建设660MW的示范工程。但由于投资高，技术尚未成熟，在发达国家也未进入实质性的应用阶段。 生物质制取优质燃料。主要是集中在制取液体燃料和氢燃料两方面。生物质制甲醇和乙醇的技术已基本成熟，进入商业示范的阶段，但由于生产成本很高，不具备竞争力，很难推广。从生物质直接裂解制取油料的技术目前仍处于研究和中试的阶段，其产品仍未能具有实际意义，但其前景却非常看好，特别是欧洲国家对这方面非常重视，投入了大量的人力、财力开展这方面的工作，期望在近期内能进入工业示范阶段。生物质制取氢燃料的研究在国外也刚开始，主要是随着氢能的利用技术一起发展起来的。该技术目前仍处于研究试验阶段。由于生物质比煤含有更多

15、的H，所以从生物质制取氢气更合理和经济，但其发展速度主要取决于氢能技术的发展情况。 4-2 生物质气化技术 一、生物质气化技术的简史 生物质能源是一种古老的传统能源，从人类懂得钻木取火到工业革命前，以柴草为主的能源结构，曾经延续了上万年。那时的能源需求主要是提供人们御寒和烹饪食物的热量，直接燃烧生物质燃料是唯一的用能方式。由于天然的生物质燃料品质不好，直接燃用时效率很低而且伴随着大量烟尘，使周围环境变得肮脏。因此很久以前人们就试图提高生物质燃料的品质，使其使用起来更为方便和干净。早期的方法是烧制木炭，即将木头点燃后隔绝空气，使木材在热作用下析出挥发分，留下的木炭不但发热值较高，而且燃用时不再冒

16、烟。这实际上是生物质热化学转换技术的开端。生物质热化学转换是用加热的方法使生物质发生化学反应，改进生物质品质的过程。根据过程中的工艺参数，分成炭化（生产木炭）、气化（生产燃气）和液化（生产热解油）三种工艺。实际上热化学转换的每种工艺都会同时得到这三种产物，只不过各种工艺希望得到尽可能多的某种产品而已。 生物质气化技术已有一百多年的历史。最初的气化反应器产生于1883年，它以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机，推动早期的汽车或农业排灌机械。在20世纪20年代大规模开发使用石油以前，气化器与内燃机的结合一直是人们获取动力的有效方法。生物质气化技术的鼎盛时期出现在二次世界大战期间，当时几乎所有的燃油

17、都被用于战争，民用燃料匮乏，因此德国大力发展了用于民用汽车的车载气化器，并形成了与汽车发动机配套的完整技术。以Imbert型及其改进型为代表的车载气化器装备了超过一百万部汽车，主要燃料是木炭，当木炭缺乏时也可使用优质的硬木。我国在能源困难的20世纪50年代，也曾使用这种方法驱动汽车和农村排灌设备。当时固定床气化反应器的技术水平达到相当完善的程度。 二次大战后，中东地区油田的大规模开发使世界经济的发展获得了廉价优质的能源。几乎所有发达国家的能源结构都转向以石油为主，生物质气化技术在较长时期内陷于停顿状态。1973年秋季发生的石油危机深刻地影响了世界经济乃至政治格局，使发达国家正在高速增长经济急转

18、直下。西方各主要工业国家认识到常规能源的不可再生性和分布不均匀性，出于能源和环境战略的考虑，纷纷投入大量人力物力，进行可再生能源的研究。作为一种重要的新能源技术，生物质气化研究重新活跃起来，各学科技术的渗透使这一技术发展到新的高度。主要的技术为固定床气化器和流化床气化器，一般情况已不再使用木炭，而是使用各种木材、林业残余物和稻壳，产生可燃气体主要用于发电。小型系统采用固定床气化器和内燃机，大型系统采用流化床气化器和燃气轮机组成联合循环气化发电系统，已经出现了18MW的实验电站。 国内生物质气化技术也在20世纪80年代以后得到了较快发展。80年代初期，我国研制了由固定床气化器和内燃机组成的稻壳发

19、电机组，形成了200kW稻壳气化发电机组的产品并得到推广。同期中国农机院、中国林科院进行了用固定床木材气化器烘干茶叶、为采暖锅炉供应燃气的尝试，中国农机院研制了用固定床气化器进行木材烘干技术并得到一定程度的推广。90年代中期，中科院广州能源所进行了流化床气化器的研制，并与内燃机结合组成了流化床气化发电系统，使用木屑的1MW流化床发电系统已经投入商业运行并取得了较好效益。 二、生物质气化原理与工艺 由于土地资源较少和森林覆盖率较低，我国一般不允许直接使用树木作为能源。生物质气化技术利用的主要是固体生物质原料即各种植物的茎、秆、叶、根和果壳等。 1、生物质原料的化学特性 从生物学角度，生物质的主要

20、成分是纤维素、半纤维素和木质素。对生物质气化等热化学转换方法来说，更关注的是原料元素分析成分、工业分析成分和发热值。高发热值和低发热值之间的换算关系为： QDW = QGW 25 (9H + W) QDW燃料的低发热值，kJ/kg；H、W氢、水的元素成分（%）。 生物质原料的发热值可以用氧弹测热仪精确地测量，在已知元素分析成分时，也可以用门得列耶夫公式估算低发热值： QDW = 339C + 1030H 109(W S) 25W 与同是固体燃料的煤炭相比，生物质原料的特点是：（1）挥发分高而固定碳低：生物质原料特别是秸秆类原料的固定碳在20%以下，挥发分却高达70%左右；（2）原料中氧含量高，

21、因此在干馏和气化过程中都会产生一氧化碳，不像煤炭干馏时可以发生一氧化碳含量很低的干馏煤气；（3）木材类原料的灰分极低，只有13%，秸秆类原料高一些，但总的说来是灰分较低的原料；（4）发热值明显低于煤炭，一般只相当于煤炭的1/22/3；（5）硫含量低。这是生物质原料的优点之一，它的使用不会像煤炭那样产生大量的二氧化硫，从而造成酸雨一类的环境问题。 早年的生物质气化技术主要使用木炭，即先将木材烧成木炭，储存起来作为气化器的原料。优点是木炭的发热值很高，得到的燃气杂质含量较低，适合于木炭汽车所用。后来生物质气化技术也直接使用一些优质木材，那时的气化器不能使用农作物秸秆和草类原料，而认为秸秆是不适宜于

22、气化工艺的。秸秆和草类原料的元素组成和木材相比，除灰分较高、热值偏低外，并无显著区别。生物质中可以转换为能量的元素成分主要是碳、氢和氧，各种生物质原料的碳、氢和氧相对含量只有很小的差别。根据生物质原料的碳、氢、氧元素的比例，以CH1.4O0.6的作为生物质原料的假想分子式，已经具有相当的精度。因此，和木材等一样，秸秆类原料也具有作为气化原料的物质基础，同时提示了气化工艺应该具有更广泛原料适应性。2、生物质原料的物理特性 对气化工艺和气化工程的设计，原料的物理特性也是十分重要的。生物质原料的密度、原料的流动性、析出挥发分后的残碳特性和灰熔点等物理性质都会影响原料的气化过程。 堆积密度 固体颗粒状

23、物料有两种衡量其密度的方法，一是物料的真实密度，即去除颗粒间空隙的密度，需要用专门的方法进行测量；二是堆积密度，即包括颗粒间空隙在内的密度，一般在自然堆积的状态下测量。对固定床气化工艺用得更多的是堆积密度，它反映了在每立方米容积中的物料质量。一类是包括木材、木炭、棉秸在内的所谓“硬柴”，它们的堆积密度在200350 kg/m3之间。一般说来，堆积密度高对气化工艺是有利的。另一类包括各种农作物秸秆，所谓“软柴”，它们的堆积密度远小于木材，玉米秸的堆积密度仅相当于木材1/4，麦秸的堆积密度只有木材1/10以下。农村生物质气化集中供气系统多数使用都是秸秆，因为堆积密度小，在原料收集、储存和稳定运行方

24、面比木材来得困难，需要有专门设计和措施。 图4-1 部分生物质原料的堆积密度 kg/m3 自然堆积角 反映了物料的流动特性。当物料自然堆积时会形成一个锥体，锥体母线与底面的夹角叫做自然堆积角。流动性好的物料颗粒在很小的坡度时就会滚落，只能形成很矮的锥体，自然堆积角很小。而流动性不好物料会形成很高锥体，自然堆积角较大。碎木材一类原料自然堆积角一般不超过45，在气化器中依靠重力向下移动顺畅。当下部原料消耗以后，上部原料自然下落补充，形成充实而均匀反应层。而铡碎的玉米秸和麦秸堆垛以后，即使底部被掏空，上面的麦秸依然不下落，这时的自然堆积角已经超过了90而成为钝角。在气化器里容易产生架桥、穿孔的现象。

25、 机械强度 生物质原料加热后很快析出挥发分，剩余的木炭组成气化器中的反应层。作为支撑生物质物料颗粒形状的骨架，木炭的机械强度对反应层的构成有重要影响。由木材等硬柴形成的木炭机械强度较高，析出挥发分后几乎可以保持原来的形状，形成孔隙率高而且均匀的优良反应层。而秸秆木炭的机械强度很低，在大量挥发分析出后，不能保持原有形状，容易在反应层中产生空洞，形成不均匀的气流，细而散的炭粒也降低了反应层的活性和透气性。 灰熔点 在高温下，灰分将变成熔融状态从而形成渣，结在气化器的内壁上或粘结成难以清除的大渣块。灰分开始熔化的温度叫灰熔点，灰熔点的高低与灰的成分有关，不同的原料和不同的产地其灰熔点都会有所不同。木

26、材的灰含量很低，对气化器工作的影响较小，但用秸秆类原料时应控制反应温度在灰熔点以下。一般生物质原料的灰熔点在9001050范围内，也有一些产地的原料会在850以下。 综上所述，各种生物质原料的化学成分变化不大，但是它们的物理性质有很大的差别。早先的生物质气化技术主要使用木炭、硬质木材，这些原料具有较高的密度和机械强度，挥发分析出后保持了原有的形状和体积，留下带有大量孔隙的木炭，具有很高的反应活性，易于组织良好的气化反应。而秸秆等所谓“软柴”的物理性质则显著地劣于木材，这就是早先的气化技术不能使用秸秆的主要原因。 3、生物质气化原理 生物质气化是在一定的热力学条件下，将组成生物质的碳氢化合物转化

27、为含一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。为了提供反应的热力学条件，气化过程需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧。气化过程和常见的燃烧过程的区别是燃烧过程中供给充足的氧气，使原料充分燃烧，目的是直接获取热量，燃烧后的产物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧的烟气；气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，而尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物是含氢、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体。 a. 生物质气化的反应过程 生物质气化包括热解、燃烧和还原反应。在以空气为介质的气化器中，以空气为气化介质意味着同时加入氧气和氮气。因为氮气不参加反应，反应后留在燃气中冲淡了可燃成分，所以以空气为介质的气化

28、只能得到低发热值燃气，发热值一般在56 MJ/m3。 热解反应 原料进入气化器后，在热量的作用下，首先被干燥，当温度升高到250时开始发生热解反应，热解是高分子有机物在高温下吸热所发生的不可逆裂解反应。其总的结果是大分子碳氢化合物链被打碎，析出生物质中的挥发物，留下木炭构成进一步反应的床层。高温时，生物质的热解产物是非常复杂的混合气体，其中至少包括数百种碳氢化合物。有些可以在常温下冷凝形成焦油，有些不冷凝气体可以直接作为气体燃料使用，是相当不错的中热值干馏气，发热值可达15 MJ/m3。热解是一个十分复杂的过程，其真实的反应包括若干沿着不同路线的一次、二次乃至高次反应，不同的反应路线得到不同的

29、产物。总的来说，热解反应是一个吸热过程，但由于生物质原料中含较多的氧，当温度升高到一定程度后，氧将参加反应而使温度迅速提高，从而加速完成热解。工艺条件如温度和加热速率等的不同，反应产物将有变化，如缓慢裂解可以得到4050%的木炭，这是典型的木炭生产工艺；而快速裂解（500K/s）可以将生物质的70%转换成气体，冷却后得到裂解油一种目前国际上很关注的新能源产品。生物质气化工艺的目的是得到可燃气体，不必过多考虑这些中间反应过程，但在热解反应中产生的焦油影响燃气使用，需要抑制其产生并从燃气中去除。 氧化（燃烧）反应 热解反应和后面叙述的还原反应都是吸热反应，为维持反应必须供应足够的热量，最简单的方法

30、是向反应层供入空气，通过燃烧获得热量。参与燃烧的主要是碳和空气。 还原反应 还原层位于氧化层的后方，燃烧后的水蒸气和二氧化碳与碳反应生成氢和一氧化碳等，从而完成了固体生物质原料向气体燃料的转变。还原反应是吸热反应，温度越高反应越强烈。温度低于600时，反应已相当缓慢。因此还原层与氧化层的界面是氧含量等于零的界面，还原层结束界面大致为温度等于600的界面。还原层反应受扩散和动力反应共同控制，其高度是反应机制和供热机制平衡结果。反应机制包括二氧化碳向碳粒表面扩散，一氧化碳自表面解析，炭表面反应活性，温度等因素。供热机制包括气固两相的热容量，气相的流速，以及两相间的传热和传质等。在燃烧学中，已经对焦

31、炭的还原反应进行过较为透彻的研究，但由于生物质物理性质的多变性，还未能有令人信服的计算方法。目前气化器还原层的高度主要依靠经验选取，有的研究者指出，还原层高度大致相当于氧化层的68倍。 b. 氧化和还原反应的自平衡机制 为了简单地解释气化过程，许多学者认为气化实际上是缺氧燃烧，即控制空气供应量，原料燃烧不充分而得到的可燃气体。但在固定床气化器的运行时，事实上并没有也不需要采取任何措施人为地控制空气和原料的比例，这是因为氧化（燃烧）反应和还原反应之间，存在着自平衡机制。当燃烧反应强烈时，释放出较多的热量，提高了反应区温度，加快了吸热气化反应速率。同时强烈燃烧产生较多二氧化碳和水蒸气，还原时则需要

32、吸取较多热量，从而维持了离开还原区的气体成分、温度基本稳定。因此进入气化器的空气量的多少，只是改变了燃气产量，并没有显著地影响燃气成分和燃气的发热值。这也提示我们，尽管固定床生物质气化反应的中间过程是相当复杂的，但最终产物是较为简单的气体混合物，工艺设计时并不需要过多地考虑其中各个中间反应的过程，重要的是建立稳定的反应条件和反应床层，而且通过控制进入气化器的空气量，就可以简单地调整气化器的负荷。 4、生物质气化的工艺过程 固定床气化器和流化床气化器是目前实用两种生物质气化器，重点介绍在农村生物质气化集中供气系统中常用的固定床气化器工作过程。 固定床气化器中气化反应在一个相对静止床层中进行，依次

33、完成干燥、热解、氧化和还原过程，将生物质原料转变成可燃气体。它的特征是有一个容纳原料的炉膛和一个承托反应料层的炉排。根据气流方向的不同，固定床气化器又分为上吸式气化器和下吸式气化器两种。 上吸式气化器 图4-2是上吸式气化器的工作原理。原料从上部加入，然后依靠重力向下移动；空气从下部进入，向上经过各反应层，燃气从上部排出。在上吸式气化器中，原料移动方向与气流方向相反，所以也叫逆流式气化器。刚进入气化器原料遇到下方上升的热气流，首先脱除水分，当温度提高到250以上时，发生热解反应，析出挥发分，留下的木炭再与空气发生氧化和还原反应。空气进入气化器后首先与木炭发生氧化反应，温度迅速升高到1000以上

34、，然后通过还原层转变成含一氧化碳和氢等可燃气体后，进入热解层，与热解层析出挥发分混合成为粗燃气，也就是气化器的产品。 图4-2 上吸式气化器的工作原理上吸式气化器工作在微正压下，由风机向气化器内送入空气，气化器负荷量由进风量控制。气化器的进料点正好是燃气出口的位置，为了防止燃气的泄漏，必须采取专门的加料措施。通常采用间歇加料的方式，将炉膛上部做得较大，能储存一段时间用料（比如1小时的料量），运行时将上部密闭，炉内原料用完后停炉加料。如连续运行则必须采用较复杂的进料装置。因此上吸式气化器一般适用于木材等堆积密度较大的生物质原料，对原料的尺寸和水分的要求并不苛刻。 上吸式气化器优点是：（1）气化效

35、率较高，因为热解层和干燥层利用了还原反应后气体的余热，出口燃气的温度降低到在300以下；气化器最下层是氧化层，这里有充足的空气供燃烧所用，底部木炭得到充分燃烧。（2）燃气发热值较高，因为较高发热值的热解产物直接混入了可燃气体。（3）炉排受到进风冷却，工作比较可靠。 上吸式气化器一个突出的缺点，就是热解产生的焦油直接混入了可燃气体，因此燃气中焦油含量很高。用木材时上吸式气化器发生的燃气中焦油含量达20g/m3以上。这对于燃气的使用是一个很大的问题，因为冷凝后的焦油会沉积在管道、阀门、仪表、燃气灶上，破坏系统的正常运行。自有生物质气化技术以来，清除焦油的问题始终是一个技术难点。上吸式气化器一般用在

36、粗燃气不需冷却和净化就可以直接使用的场合，例如直接作为锅炉或加热炉的燃料气，在必须使用清洁燃气的场合，只能用木炭作为原料。 下吸式气化器 下吸式气化器的工作原理如图4-3所示。在下吸式气化器中，生物质原料由上部加入，依靠重力逐渐由顶部移动到底部，灰渣由底部排除；空气在气化器中部的氧化区加入，燃气由反应层下部吸出。下吸式气化器中原料移动与气流的方向相同，所以也叫顺流式气化器。在气化器的最上层，原料首先被干燥。当温度达到250以后开始热解反应，大量挥发物质析出。600时大致完成了热解反应，此时空气的加入引起了剧烈的燃烧，燃烧反应以炭层为基体，挥发分在参与燃烧的过程中进一步降解。燃烧产物与下方的炭层

37、进行还原，转变为可燃气体。在上述反应过程中，氧化（燃烧）反应是放热反应，其它则是吸热反应。正是氧化反应产生的热量，维持了热解和还原反应的进行。图4-3 下吸式气化器的工作原理固定床生物质气化器设计目的是将固体生物质原料转换成气体燃料，尽量提高转换效率，降低焦油等杂质含量。下吸式气化器热解产物通过炽热氧化层而得到充分裂解，焦油含量比上吸式低得多，这是下吸式气化器的最大优点，在需要使用洁净燃气的场合得到了更多的应用。另一优点是它加料端与空气接触，当设计为炉膛里是负压工况时，加料端不需要严格的密封，使得运行中的连续进料成为可能。对于秸秆类原料这一点是非常重要的，因为为密度很小的秸秆类原料设计一个能容

38、纳一定时间料量的炉膛是十分困难的。即使可以作到，因自然堆积角过大，也无法保证运行中反应层的稳定。 下吸式气化器设计的关键在于保证燃烧的条件和燃烧层、气化层的稳定。对于木炭、木材等优质原料，其设计并不困难。但对秸秆和草类等物理性质较差的低品质原料，如不能保持床层稳定，就不能组织正常的气化。例如，在挥发分大量析出后，秸秆的体积迅速缩小，及时填充空间才能阻断空气的穿透，继续正常的燃烧和还原反应，而秸秆依靠重力向下流动的能力很差，连续的加料机构、合理的炉室形状和必要的拨火方式都是不可缺少的。秸秆的容重极低使得反应层的热容量很小，而燃烧层仅是一个100 mm量级的薄层，燃烧层的温度场不容易稳定，截面上部分区域出现燃烧不良，会使整个气化失败。设计强化燃烧的反应器结构和辅助的蓄热措施有助于建立稳定的燃烧条件，并使焦油得到进一步裂解，产生焦油等杂质含量较少的高品质洁净燃气。21