生物质资源转化与利用 第五章 生物质直接气化技术

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。
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。
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 分形式排出。而气化剂从底部吹入， 与生物质物料走向相反。
干燥层 100~250℃
热解层 300℃ 500℃ 800℃ 还原层 900℃ 氧化层 1200℃
反应炉工艺结构设计的重要原则：合
理的温度分布
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。
5.1.2 生物质气化工艺
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）
温度超过400 oC 聚合和芳构化阶段
生物质炭
半纤维素
温度超过150 oC开始热解
CO 甲醇 CO2 焦油 炭 水 醋酸
与纤维素热解比较类似 醋酸 甲烷 甲醇 焦油 其他有机化合物
木质素
温度超过250
oC
CO 温度超过310 CO2 热解激烈，
放热阶段
oC
温度超过420 oC
蒸汽气体产物减少，热解基本完成
稻草
11.6
13.5
1.5
1.7
22.7
15
11.5
12.0
1.92
2.10
0.2
0.1
50.58
55.60
4.916
4.002
ຫໍສະໝຸດ Baidu
麦秸
14
1.7
17.6
8.5
1.36
0.1
56.74
3.664
可燃成份以CO和H2为主，约占25~35%。N2约50%
气化过程要点
氧化区
还原区 裂解区 干燥区
气化区 —— 气化反应主要场所 热载体 燃料准备区 —— 干馏反应的主要场所
生物质资源转化与利用
第五章 生物质直接气化技术
物理化学法
压缩成型
直接燃烧
固体燃料
燃烧供热、木炭
高压蒸汽、热气流 直接液化
燃料油、化工原料
生 物 质
液化
热化学法 气化 热裂解 微生物法 生物化学法 发酵
间接液化 共液化
氢气、木煤气
甲醇、柴油、二 甲醚、氢气
化学品、液体燃料
木炭、生物油、木煤气、醋液
氢气
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。
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。
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，温度开始降低，一般温度 在700~900 oC。 C+CO2 → 2CO C+H2O(g) → CO+H2 C+2H2O(g) → CO2+2H2 CO+H2O(g) → CO2+H2 △H = +162.30 kJ △H = +118.74 kJ △H = +75.19 kJ △H = +43.56 kJ
2）热分解层 热解是指生物质的基本热解反应过程，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500~600 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。 CO 温度超过240 oC 左旋葡萄糖酐 温度进一步升高 CO2 纤维素 单糖、多糖 大分子苷键断裂 碳碳和碳氧键断裂 水 脱水低聚糖
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 5）工业企业用蒸汽
沼气、乙醇
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。
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 = CO2 2C+ O2 = 2CO △H= -408.8 kJ △H= -246.44kJ
灰
空气
下吸式空气气化炉的气化气成分
原料 CO2 玉米芯 玉米秸 22 13 O2 1.4 1.6 气化气成分（%） CO 22.5 21.4 H2 12.3 12.2 CH4 2.32 1.87 Cm Hn 0.2 0.2 N2 48.78 49.68 低热值 MJ/m3 5.120 4.809
棉柴
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。 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 1）干燥层 100~250 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。