生物质气化

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
示意图
燃气
气化炉
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
料箱
△H = +118.628 kJ /mol
需要外供热源。
螺旋进料器
H2 O
典型*的水蒸气气化的燃气组成（V%）
H2 20-26
第四章 生物质气化
4.1
气化概念
生物质气化概念
生物质气化是秸秆等生物质在缺氧状态下加热，使碳、氢、 氧等元素变成一氧化碳、氢气、甲烷等可燃性气体, 转化成 气体燃料的技术。 气化气主要可燃成份为一氧化碳、氢气、乙烯、甲烷等，是 一种干净、清洁的绿色能源。
主要优点
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
体积%
0.19 0.22 0.09 0.03 0.47
（273K，1atm) 5.6MJ/M3 H2
CO CO2 H2O N2
分析教材p238倒数第九行： “气体产物中总是掺杂有„„„.。这也是为什么实 际气化产生的燃气的热值总是高于理论上纯气化过程 产生可燃气的热值的原因。
还原反应
炭与气流中的CO2、H2O、H2发生还原反应生成可燃气体。 主要反应为：
（原教材为82KJ/mo）
（4-6）*
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 2C+2H2O → CH4 + CO2(g) △H298 = -15.32 kJ /mol （4-7）*
4）一氧化碳变换反应
CO + H2O(g) → CO2 + H2 △H = +41.17 kJ （4-8）
dX = (1-X)n A e-(E/RT) dt
X——反应率 n——反应级数 A——动力学常数，1/S T——反应温度，K
E——活化能，J/mol
R——气体常数，J/Kmol
数据整理形式以无因次量为好。
( C - C0 ) 例如：X = ( C∞ - C0 ) C0——产物初始浓度 C∞——产物最大浓度
可 燃成 份以CO和H 2 为 主，约 占25~35 %。 N 2 约50 %
4.2 气化工艺技术分类
不用： 热分解气化 气化介质 使用： 空气 氧气 水蒸气 混合气体 氢气
混合气体通常为 空气（氧气）与水蒸气
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 化方式。
lnK = lnA – (E/R)(1/T)
实验记录
1/T LnK 1/T1 ….
Ln(1-X) X = Kit
t
斜率=-Ki 实验记录
t
t1，t2，…. ti, …. tn
1/Ti
LnKi
Ln(1-X) y1，y2，…. yi, ….yn
LnK1 ….
lnK
t lnK = lnA – (E/R)(1/T)
4.3 秸秆等生物质的气化过程
湿料 气体
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
干燥层 100~250℃
热解层 300℃ 500℃ 800℃ 还原层 900℃ 氧化层 1200℃
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
线性回归
截距 = lnA 斜率 = -ER
斜率=-KR
1/T
气化工艺流程
上料机 粉碎后癿秸秆 秸秆 粉 碎 机 入 户 管 道
气 化 气化气 反 应 炉 灰 分
除 储 尘 净化气化气 净 气 化 器 柜 油 尘
主 支 气 管 道
主要工艺流程：经粗切碎后直接进入气化炉点燃分解，丌需外热源。 燃气经提纯、净化后送至贮气柜，再经管道送至用户。
下吸式空气气化炉的气化气成分*
原料 CO2 玉米芯 玉米秸 棉柴 稻草 麦秸 22 13 11.6 13.5 14 O2 1.4 1.6 1.5 1.7 1.7 气化气成分（%） CO 22.5 21.4 22.7 15 17.6 H2 12.3 12.2 11.5 12.0 8.5 CH4 2.32 1.87 1.92 2.10 1.36 CmHn 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1 N2 48.78 49.68 50.58 55.60 56.74 低热值 kJ/m3 5120 4809 4916 4002 3664
CO2 16-23
CO 28-42
CH4 10-20
CnHm 6-7%
低热值 17-21 (MJ/m3)Biblioteka 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。
特点：
自供热系统 部分氧来源于水蒸汽，减少了空气消耗量
H2与CH4含量较高
典型*情况下，氧气-水蒸气气化工艺的燃气成分（体积分数） H2 32% CO2 30% CO 28% CH4 7.5% CnHm 2.5% 低热值 11.5 MJ/m3
CH1.4O0.6=0.64C+0.44H2+0.15H2O+0.17CO+0.13CO2+0.05CH4
“视在反应”
裂解区主要产物：C、H2、H2O、CO、CO2、CH4、焦油和烃类等。
此后热气体上升到干燥区，而炭则下降到还原区。
空气气化器的总气化反应可视为如下：
CH1.4O0.6 + 0.4O2 — 0.6H2 + 0.1H2O + 0.7CO + 0.3CO2 “视在反应” （两侧1.5N2省略了）
* 水蒸气与生物质比为0.95
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 （22.3~26MJ/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、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。
原料
燃气
干燥区
热解区 氧化区 空气
还原区
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
下吸式固定床气化器
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。
平衡常数Kr受温度影响程度不同
C+H2O（g）→CO+H2 △H=+118.628 kJ （4-2） （4-3） C+2H2O（g）→CO2+2H2 △H=+90.17 kJ
Kr
温度影响示意图
700℃
温度T ℃
3）甲烷生成反应
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。 C+2H2→CH4 CO+3H2→CH4+H2O(g) CO2+4H2→CH4+2H2O(g) △H=-75 kJ △H=-206 kJ △H=-165 kJ （4-4）* （4-5）*
C+2H2→CH4
CO+3H2→CH4+H2O(g) CO2+4H2→CH4+2H2O(g)
△H = -74.81 kJ
△H = -206.11 kJ △H = -164.94 kJ
（4-4）
（4-5） （4-6）
2C+2H2O→CH4+CO2(g)
CO+H2O(g) → CO2+H2
△H = -15.32 kJ
不同气化技术的气化特性
气化炉 空气气化 气化剂 空气 热值 kJ/m3 特点 用途 4200~7560 氧气气化 氧气 水蒸气气化 氢气气化 水蒸气 10902~18900 氢气 22260~26040
设备简单，自 无N2，热值高， 热值高，供 高质气，需氢 热与高C料 气，高压高温 供热，热值低 高效 锅炉、干燥 合成燃料、合成氨 热源、管网
主要缺点
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。
生物质气化的主要原料
废木材、柴薪、秸秆、果壳、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
4.4 气化炉工艺原理
生物质气化器 固 定 床 气 化 器 上 吸 式 下 吸 式 平 吸 式 流 化 床 气 化 器
d(1-X) = -K dt (1-X)
（定温条件）
Y=Ln(1-X) X = Kt t
斜率=-K
Ln(1-X)= - Kt
t (s)
实验记录
t1，t2，t3，…. ti, ….tn
y = - kt
Ln(1-X) y1，y2，y3，…. yi, ….yn