生物质资源转化和利用-第五章-生物质直接气化技术.ppt

《生物质资源转化和利用-第五章-生物质直接气化技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物质资源转化和利用-第五章-生物质直接气化技术.ppt（52页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、各位领导、同事：大家好！转眼间又过了一学期，到现在我已经在锦程工作一年半了，在这段时间的工作中，自己在思想认识和工作能力上都有了新的提高和完善。为了总结过去，扬长避短，把今后的工作做得更好，在此，我将这半年的工作小结如下，并同时希望领导及各位同事对我在工作上的不足给予批评指正。思想上，严格要求自己，积极参加学校组织的各种活动、讲座和报告。遵守学校的各项纪律，严于律己，团结同事，热心帮助同事；关心学生，爱护学生，为人师表，用自身的实际行动来给学生树立好的榜样。在工作中积极、主动、勤恳、责任心强，乐于接受学校布置的各项工作，任劳任怨。在不断地学习中，努力使自己的思想觉悟、理论水平、业务能力都得到较

2、快的提高。教育教学方面上，尽到教书育人的职责，与时俱进，爱岗敬业，为人师表，热爱学生，尊重学生，争取让每个学生都能学有所用。这学期我担任十三个班的经济法教学工作.由计算机到经济法，是一个很大程度的转变，领导能把这个任务交给我是对我的信任，同时也是对自己的一次气挑战，因此我不敢有丝毫马虎，争取备好每一节课，上好每一堂课，批好每一份作业，努力去做一个受学生尊重和信赖的老师。经济法,生物质资源转化与利用,第五章 生物质直接气化技术,5.1 生物质气化原理与工艺,生物质气化概念 以生物质为原料，以氧气（游离氧、结合氧）、空气、水蒸气、水蒸气氧气混合气或氢气为气化剂，在高温不完全燃烧条件下，使生物质中相

3、对分子质量较高的有机碳氢化合物发生链裂解并与气化剂发生复杂的热化学反应而产生相对分子质量较低的CO、氢气和甲烷等可燃性气体的过程。,气化过程与燃烧过程的区别： 燃烧过程提供充足的空气或氧气，原料充分燃烧，目的是直接获取热量，产物是CO2和水等不可燃的烟气 气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物为含氢、CO和低分子烃类的可燃气体。,转化为可燃气后，利用效率高，用途广泛，如可以用作生活煤气，也可用于锅炉或直接发电。,系统复杂，生成的燃气相对其他主要气体燃料而言热值较低，不便于储存运输，须有专门的用户或配套的利用设施。,废木材、柴薪、秸秆、果

4、壳、稻壳、木屑等。一般都是挥发分高、灰分少、易裂解的生物质废弃物。,生物质气化的主要原料:,生物质气化的主要用途:,1）民用炊事与取暖 2）烘干谷物、木材、果品、炒茶等 3）发电 4）区域供热等 5）工业企业用蒸汽,5.1.1 生物质气化原理,生物质气化都要通过气化炉完成。典型的下吸收式生物质气化过程通常包括生物质的干燥、热解、氧化和还原4个阶段，这4个阶段在气化炉中对应形成4个区域。,1）干燥层 100250 oC的高温作用下，生物质中的自由水和结合水被加热析出，此过程比较缓慢，需要大量的热量。,以气体在炉内自上而下流动的气化炉工作情况，介绍生物质气化原理,2）热分解层 热解是指生物质的基本

5、热解反应过程，可以看做是其纤维素、半纤维素、木质素热解过程的综合体现。 生物质被加热到500600 oC时，半纤维素、纤维素、木质素热分解析出焦油、CO2、CO、氢气、甲烷等大量可燃气和生物质炭。,纤维素,左旋葡萄糖酐,单糖、多糖,脱水低聚糖,CO,CO2,水,生物质炭,温度超过240 oC,大分子苷键断裂,碳碳和碳氧键断裂,温度进一步升高,温度超过400 oC,聚合和芳构化阶段,半纤维素,CO,CO2,水,炭,温度超过250 oC,温度超过150 oC开始热解,与纤维素热解比较类似,甲醇,焦油,醋酸,木质素,CO,CO2,温度超过310 oC,热解激烈，放热阶段,甲醇,醋酸,焦油,其他有机化

6、合物,甲烷,温度超过420 oC,蒸汽气体产物减少，热解基本完成,3）氧化层 由于干燥区、还原区发生的都是吸热反应，所以气化设备中必须保持热量的供给。通常的做法是将热解区产生的生物质炭与氧气进行燃烧反应来放出热量，保持气化设备中的热量平衡。生物质炭和氧气在此层充分接触、燃烧生成大量CO2，同事放出大量热量，温度可达到1300 oC或更高。,化学反应式,C+O2 = CO2H= -408.8 kJ 2C+ O2 = 2COH= -246.44kJ,4）还原层 在没有氧气的条件下，生物质炭与气流中的CO2、水、氢气发生一系列反应，还原层没有氧气存在，CO2和水在这里还原成CO和氢气，进行吸热反应，

7、温度开始降低，一般温度在700900 oC。,C+CO2 2CO H = +162.30 kJ C+H2O(g) CO+H2 H = +118.74 kJ C+2H2O(g) CO2+2H2H = +75.19 kJ CO+H2O(g) CO2+H2H = +43.56 kJ,以上吸式固定床气化炉为例。 秸秆从上部加入，依次进入干燥层、热解层、还原层、氧化层，最终以灰分形式排出。而气化剂从底部吹入，与生物质物料走向相反。 反应炉工艺结构设计的重要原则：合理的温度分布,干燥层 100250,热解层 300 500 800,还原层 900,氧化层 1200,湿料,气体,灰,空气,下吸式空气气化炉的

8、气化气成分,可燃成份以CO和H2为主，约占2535%。N2约50%,气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸、低温干馏气体、炭黑。,气化过程要点, 气化反应主要场所,氧化区,还原区,气化区,干燥区,裂解区, 干馏反应的主要场所,燃料准备区,热载体,5.1.2 生物质气化工艺,混合气体通常为 空气（氧气）与水蒸气,使用：,不用：,气化介质,空气,氧气,水蒸气,混合气体,氢气,热分解气化,空气气化： 以空气为气化介质的自供热气化工艺系统。获得以CO为主的低热值燃气。,惰性N2全部保留，燃气热值较低（5MJ/m3左右） 用于近距离燃烧或发电时，空气气化是最佳选择。我国目前使用最多的气化方

9、式。,优点：设备简单，能源自给，,缺点：热值低，存储、输送成本高，应用受限制,氧气气化： 氧气气化以氧气为气化介质的气化过程。其过程原理与空气气化相同。,优点： 没有惰性氮气，在与空气气化相同的当量比下，反应温度提高，反应速率加快，设备容积减小，热效率提高，气体热值(约10MJ/m3)提高一倍以上，热值与城市煤气相当。因此，可建立以生物质废弃物为原料的中小型生活供气系统，也可用作化工合成燃料的原料。,水蒸气气化： 水蒸气气化是以水蒸气为气化介质的气化工艺。它不仅包括水蒸气和碳的还原反应，尚有CO与水蒸气的变换反应。 C + H2O(g) CO + H2 H = +118.74kJ /mol 需

10、要外供热源。,典型的水蒸气气化的燃气组成（V%）,空气（氧气）-水蒸气气化： 以空气（氧气）和水蒸气同时作为气化介质的气化过程。,水蒸气与生物质比为0.95,典型情况下，氧气-水蒸气气化工艺的燃气成分（体积分数）,自供热系统,特点：,部分氧来源于水蒸汽，减少了空气消耗量,H2与CH4含量较高,氢气气化： 是使氢气同碳及水发生反应生成大量甲烷，形成高热值燃气（22.323.5MJ/m3标准状态气）的工艺。 优点：高质量气体燃料，用途广泛，效率高。 缺点：反应需在高温高压且具有氢源的条件下进行，条件苛刻，实际应用很少。,热分解气化： 热解气化是将农作物秸秆在热解炉中进行隔绝空气干馏, 获得以CH4

11、、H2为主的中热值可燃气, 同时获得木炭和木焦油等产品。这种方法既不用氧气也不用外加热源，气体热值可达到10.7 MJ/m3以上。,甲烷的一部分来源于秸秆挥发分的热分解和二次裂解，另一部分主要是炭或碳氧化物与氢气的反应结果。,2C+2H2O CH4 + CO2(g) H298 = -15.32 kJ /mol,以上生成甲烷的反应使得体积减小，高压有利于反应进行。此外碳和水蒸气直接生成甲烷也是甲烷的来源之一,C+2H2CH4 H=-75 kJ CO+3H2CH4+H2O(g) H=-206 kJ CO2+4H2CH4+2H2O(g) H=-165 kJ,甲烷生成反应,不同气化技术的气化特性,5.

12、2 生物质气化设备,气化炉,隧道窑气化炉,固定床气化炉,流化床气化炉,固定床气化炉,下吸式,上吸式,横流式,开心式,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,粉碎后的秸秆,主支气管道,入户管道,秸秆,气化工艺流程,下吸式固定床气化炉,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。,最大特点是下吸流

13、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，利于水参与反应形成CO、CH4、H2等有可燃成分 ，国内气化站大多用此炉型。,特点,温度分布,干燥层250 热解层500-700 氧化层1000-1200 还原层700-900,1200,800,400,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。运行可靠，燃气焦油含量低。,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。因此不适于水分大、灰分高且易熔结的物料。,缺点,优点,下吸式固定床气化的几种生物质的燃气成

14、分,原料,燃气,空气,干燥层 热解层 还原层 氧化层,上吸式固定床气化炉,一般由钢板内衬耐火砖或耐火水泥而做成直立桶状。顶部加料后靠自重下行，炉栅支撑燃料，灰分与炭渣等落入灰室定期排出。炉栅设计应考虑便于除灰和密封。,空气经灰室加热后与高温碳料燃烧产热，氧化层在1000以上。 CO2、水等升到还原层遇到下行的高温碳发生还原反应形成燃气，温度降低至700-900。热解层物料被热气流加热热解，析出挥发分，固体碳下落。热气流到干燥层烘干物料后降温到300 以下排出。,工作原理,灰室,H,燃气,空气,上吸式固定床气化器工艺原理,原料,干燥层 热解层 还原层 氧化层,灰室,物料脱水干燥，然后快速升温,生

15、物质固体碳化、热解气化、,C+CO2 2CO 162.3kJ C+H2O(g) CO +H2 118.7kJ C+2H2O(g)CO2 +2H2 75.2kJ C+2H2CH4 -75kJ CO+H2O CO2+H2 43.6kJ,C+O2 CO2 -408.9kJ 2C+ O2 2CO -246.4kJ,H,主要优点,1、气化效率高，热解层与干燥层利用了还原反应后气体的余热；底层为氧化层，利于固体燃料完全燃烧。,2、燃气热值高,主要缺点： 焦油含量高,其他主要炉型,原料,燃气,空气,干燥层 热解层 氧化层 还原层,灰室,横流式固定床气化炉,流化床气化炉,示意图,鼓风机,螺旋进料器,料箱,燃气

16、,循环流化床气化炉示意图 v,旋风分离器等,反应物中常掺有精选惰性砂粒等填料。吹入气化剂使填料与原料充分接触、流化、燃烧、传热传质。 优点：动力学条件好，气化速度快、燃气得率高、焦油含量少。 缺点：灰分高、设备复杂、投资大。,气化炉性能及主要参数,1）气化强度 气化炉单位横截面在单位时间内气化的原料量。 一般固定床的气化强度为100-250kg/m2h，流化床的气化强度可高达2000kg/m2h 2）燃气质量 主要内容为焦油含量、热值、灰分、CO比例等。 焦油含量大体为：上流式固定床 下流式固定床 流化床 灰分含量大体为：上流式固定床 下流式固定床 流化床 燃气热值大体为：氢气-燃气 氧气或水

17、蒸气-燃气 空气-燃气,一. 性能指标：,3）气化效率 单位生物质原料转换成的气体燃料的化学能（热能）与生物质原料的热值之比。,气化效率 Vm燃气得率 m3/kg（标态下） Hm燃气低位热值 kJ/m3 H原料低位热值 kJ/kg,国家行业标准规定70%，国内固定床气化炉通常为70-75%，流化床气化炉可达78%,4）气化剂用量（空气量） 计算生物质气化所需要空气量时，应首先根据生物质原料的元素分析结果，计算出完全燃烧所需理论空气量V，然后再按气化实验比，算出气化试剂需要空气量值VL。 V原料完全燃烧理论上所需要的空气量 VL= V,一般当量比=0.250.3 为宜。此时燃气成分较好。原料水分

18、大或挥发分低时应取上限，反之取下限。必要时应实验确定适宜的当量比,5) 气体产率（m3/kg） 单位质量生物质原料气化后生成的燃气体积。也就是燃气得率 。,6) 碳转换率 生物质原料中的碳转换到气体燃料中碳的份额。,7）气化炉输出功率 输出功率定义为单位时间产出的（燃气）热能。等于燃气产率与其热值之积。,一般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。,二.气化效果的影响因素：,1) 反应温度：最重要的影响因素。 温度对燃气成分影响很大，一般而言温度升高时，“CO2降低”，其他成分升高，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

19、，增加材料与设备成本。,2 ）原料性质 原料水分、挥发性、灰分、C/H比、密度、物料形态等,4） 进风强度 进风量与传质效果的主要影响：燃烧温度、还原、干燥、热解、焦油的高温裂解、燃气热值。,3 ）炉内物料高度 干燥层高度影响因素：原料形态与水分。水多、块大，层高增加。 热解层高度影响因素：原料形态、挥发性。 氧化层高度影响因素：供热强度、燃烧性能、气化剂、进风方式,1）规模问题,秸秆气化技术中的几个问题,技术还不够成熟,原料分散、季节性很强,制约因素,气化工程应用规模较小,3）二次污染问题,含焦油、氨、酚、萘、 硫化氢等污染物 一氧化碳毒性高,2）燃气质量问题,储存、输送、净化、 防腐等成本

20、,湿法 干湿法结合 净化燃气,污水,热值低，,我国没有严格管理小型气化站的废水处理， 污水问题是秸秆气化必须考虑的重要技术问题,工业化的煤制气厂的废水处理在发达国家受到严格控制，在我国也有日益严格的管理要求与排放标准。 比如煤制气厂脱酚方法：,溶剂萃取脱酚,活性污泥脱酚,活性炭吸附脱酚,含酚废水的三级治理,COD、酚、硫、氰等均达标排放,几种典型燃气的低位热值,秸秆的热值（kJ/kg）,秸秆原料的工业分析（%）,生物质燃气的净化,燃气,燃气,尘粒,旋风除尘过程示意图,1）燃气除尘,一般采用旋风除尘处理，剩余细小灰尘在后续的焦油处理可得以除去,进口燃气流速突然降低，颗粒物与壁面或铁屑等添加物碰撞

21、摩擦、失去动能下落,离心分离、分凝器、冷凝器、过滤等。方法多，技术成熟。,2）燃气脱水,3）除焦油,焦油主要由苯的衍生物构成，成分多而复杂。苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、萘、酚等为其主要成分。,焦油危害性 焦油占可燃气能量的5-10%，但难于与燃气一道燃烧利用，通常大部分焦油能量被浪费。 易冷凝，堵塞阀门、管道、腐蚀金属、活动件受阻失灵等 难于完全燃烧，常产生炭黑颗粒物，严重损害燃气利用设备,除焦油法很多,喷淋法 鼓泡水浴法 干式过滤法 静电捕捉法,水,水,水,燃气,燃气,喷淋法示意图,水,出水,水,燃气,燃气,鼓泡水浴法示意图,入水,BIGCC,Vaxj Vrnamo biomass gasif

22、ication center,英国ARBRE IGCC plant,世界上第一个商业化BIGCC电站,生物质发电及热电联产经济性不佳的原因,CHOREN Carbo-V 气化技术,Carbo-V工艺保留气流床气化的优点，克服了气流床气化对生物质的“不适”。,Carbo-V工艺流程示意图,CHOREN Carbo-V 气化技术,Carbo-V技术是阶段性的气化工艺,分为三个步骤： 低温炭化：生物质 (水分 15 %- 20 %) 第一阶段内以部分氧化方式在 400 至 500 摄氏度间温度炭化，分解成含焦油燃气 (挥发份) 以及碳素 (生物碳)。 高温气化：焦油燃气被加入到燃烧炉发生部分氧化，释放出热量将气体加热至1300-1500oC,在此温度下大分子烃类包括大部分甲烷裂解，气体主要为CO、CO2、H2、水蒸气。 吸热气流床气化：粉化的生物碳以气流形式被输入高温气流内。 在此，生物碳与气化剂进行吸热反应，温度降至800-900 oC，高温热能转变为化学能，避免了热损失，提高了气化效率，产出粗合成气。,CHOREN Carbo-V 气化技术,世界第一个工业标准的商业性BTL设备(Beta-设备)。该装置预计将从2008年起提供年产量大约15000吨燃料的生物质合成燃料（可以满足15000到20000辆客车的年燃料需求）。,CHOREN Carbo-V 气化技术,