生物质气化
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干燥 热裂解反应 氧化反应 还原反应
1. 干燥
进入气化炉的生物质原料首先被加热，在 热量的作用下，原料所携带的水分被蒸发析出。 此时原料所处的温度环境大约为100～150℃， 在该温度范围内并没有化学反应的发生，只有原 料的干物质与水分分离过程，因此这是一个物理 过程。
2. 热裂解
4. 超临界水气化
超临界水气化是利用超临界水可溶解多数有机物和气体， 而且密度高、粘性低、运输能力强的特性，将生物质高效气 化，产生高含H2燃气的气化技术。因此超临界水气化被认为 是一种生物质气化产氢的新方法。Modell M.(1985)发现了超 临界水对有机废弃物能高效转化的现象，随后一些研究者开 展的有关纤维素在超临界水中分解的动力学研究进一步印证 了这一现象。近年来生物质超临界水气化已成为了一个热点 研究领域。
4. 氧化反应
氧化反应是指在气化剂中氧气的作用下原料中的碳发生的 完全和不完全燃烧反应。在气化炉的氧化反应区，温度可高 达1000～1200℃。反应方程式如下：
C + O2 CO2，ΔH = －408.177kJ/mol
2C + O2 2CO，ΔH = －246.034kJ/mol
§3 气化工艺
气化产物
不论通过哪种转化途径，生物质经过气化后主要生 成以下三类物质： 1.气体：包括CO、H2、CH4等可燃成分，CO2、H2O 等不可燃成分，以及气化剂携带的没有参与反应的气 体，如N2等。 2.液体：主要指焦油。 3.固体：主要为炭以及原料所携带的一些惰性组分。
§2 气化原理
气化反应过程：
4. 超临界水气化
超临界水指温度和压力处于临界点以上的水，水的临界温 度和压力分别为374℃和22MPa。
超临界水是具有强扩散和传输能力的均质非极性溶剂，能 溶解各种有机化合物和气体。生物质超临界水气化正是利用 了其良好的传输能力和溶解能力。
由于水和有机成分的混合不存在界面传输限制，所以化学 反应的效率很高，在气化模型物的过程中原料的气化效率超 过99%，所产燃气中H2的体积含量高达50%。
反应类型 Boudouard反应
非均相水气转换反应
水气转换反应 甲烷化反应 蒸气重整反应
反应式
C+CO2 2CO C+H2O CO＋H2 C+2H2O CO2＋2H2 CO+H2O CO2＋H2 C+2H2 CH4 CH4＋H2O CO+3H2
水蒸气气化所产燃气中H2含量高，燃气热值高，可达16～19MJ/Nm3； 燃气的H2 /CO 较高，这些是水蒸气气化工艺优于空气气化工艺之处。
第四讲 气体生物燃料技术 (二）生物质气化气
§1 基本概念
气化：在气化剂的作用下固态或液态碳基材料 通过热化学反应转化成可燃气体的过程。
美国能源环保署对生物质气化做了如下定义：一种通过 生物质的化学转化生产合成气或燃料气的技术，该化 学转化过程通常包括在空气或水蒸气存在情况下以及 还原气氛条件下生物质原料发生的局部氧化反应。
热裂解产生的挥发分是一种非常复杂的混合气体，至少包括 数百种碳氢化合物，有些可以在常温下被冷凝成液体，即焦 油，不可冷凝气体则可直接作为气体燃料使用。
生物质 H2＋CO＋CO2＋H2O＋CH4＋CnHm＋焦油＋炭+…… 作为一种复杂混合物，一部分焦油成分还会继续发生二次裂解反应， 如下式： 焦油 H2＋CO＋CO2＋……
热解气化
工 艺 类 型
气化剂气化
空气气化 氧气气化 水蒸气气化 水蒸汽－氧气混合气化 氢气气化 超临界水气化
1. 空气气化
气化过程中，空气为生物质的氧化反应，即燃烧过程提供 氧气，氧化反应为还原反应提供热量和反应物，通过还原反 应产生生物质燃气。
空气气化特点：
运行成本低 燃气热值低，通常在5MJ/Nm3左右 燃气中焦油含量高 存在原料结渣问题
3. 还原反应
生物质燃气中的可燃气体成分主要通过还原反应产生。 还原反应所需的温度通常在900℃以上。气化过程中发生的还 原反应主要包括以下2类反应：
（1）二氧化碳还原反应 C+CO2 2CO，ΔH = +162.142kJ/mol
（2）水蒸汽还原反应 C+H2O(g) CO＋H2，ΔH = +118.628kJ/mol C+2H2O(g) CO2＋2H2，ΔH = +75.114kJ/mol CO+H2O(g) CO2＋H2，ΔH = + 43.514kJ/mol
5. 热解气化
热解气化，又称干馏气化，是指生物质在隔绝空气或提供极 有限的空气的条件下加热后进行裂解反应的气化过程。也可 描述成生物质的部分气化。
热解气化的突出优点是产生的燃气热值较高，约15MJ/Nm3左 右，其缺点是气体产出率较低，产生的燃气中焦油含量很高。
5. 热解气化
按温度可将热解分为低温热解(600℃以下)，中温热解(600～ 900℃)和高温热解(900℃以上)。根据热解过程的原料停留时 间和升温速率，热解可分为：常规热解(Conventional pyrolysis)、快速热解(Fast pyrolysis)和闪解(Flash pyrolysis)。
4. 超临界水气化
原料
温度 (℃)
锯末/CMC 650
锯末/玉米秆 600
木材
450
陈化粮
400
日本橡木 350
压力 (MPa)
25
催化剂 无
气化效率
H2(%)源自文库
(%)
21.0
93.8
34.5
C
57.0
98
25
无
30.0
90
13.8-34.5
Ni
4.7
74.9
18
Ni/Na2CO3 47.2
55.4
2. 氧气气化
与空气气化相比，氧气气化的特点表现在以下2个方面：
燃气热值高，可达15MJ/Nm3 使气化反应设备容积减小
实际应用过程中生物质氧气气化工艺多采用富氧气化。富 氧气化就是通过提高空气中氧的体积分数来降低气化介质中N2 的体积分数。
2. 氧气气化
氧气浓度 (%) Biomass
99.8 99.8 89.0 89.0 90.2 78.0 67.0 67.0
炉内温度 (℃) 810 724 550 600 670 450 550 560
热值 (MJ/m3)
11.98 11.97 11.53 11.80 12.25 10.58 10.56 10.69
3. 水蒸汽气化
水蒸气气化是指以水蒸气作为气化剂在高温下同生物质发 生反应产生生物质燃气的工艺。
1. 干燥
进入气化炉的生物质原料首先被加热，在 热量的作用下，原料所携带的水分被蒸发析出。 此时原料所处的温度环境大约为100～150℃， 在该温度范围内并没有化学反应的发生，只有原 料的干物质与水分分离过程，因此这是一个物理 过程。
2. 热裂解
4. 超临界水气化
超临界水气化是利用超临界水可溶解多数有机物和气体， 而且密度高、粘性低、运输能力强的特性，将生物质高效气 化，产生高含H2燃气的气化技术。因此超临界水气化被认为 是一种生物质气化产氢的新方法。Modell M.(1985)发现了超 临界水对有机废弃物能高效转化的现象，随后一些研究者开 展的有关纤维素在超临界水中分解的动力学研究进一步印证 了这一现象。近年来生物质超临界水气化已成为了一个热点 研究领域。
4. 氧化反应
氧化反应是指在气化剂中氧气的作用下原料中的碳发生的 完全和不完全燃烧反应。在气化炉的氧化反应区，温度可高 达1000～1200℃。反应方程式如下：
C + O2 CO2，ΔH = －408.177kJ/mol
2C + O2 2CO，ΔH = －246.034kJ/mol
§3 气化工艺
气化产物
不论通过哪种转化途径，生物质经过气化后主要生 成以下三类物质： 1.气体：包括CO、H2、CH4等可燃成分，CO2、H2O 等不可燃成分，以及气化剂携带的没有参与反应的气 体，如N2等。 2.液体：主要指焦油。 3.固体：主要为炭以及原料所携带的一些惰性组分。
§2 气化原理
气化反应过程：
4. 超临界水气化
超临界水指温度和压力处于临界点以上的水，水的临界温 度和压力分别为374℃和22MPa。
超临界水是具有强扩散和传输能力的均质非极性溶剂，能 溶解各种有机化合物和气体。生物质超临界水气化正是利用 了其良好的传输能力和溶解能力。
由于水和有机成分的混合不存在界面传输限制，所以化学 反应的效率很高，在气化模型物的过程中原料的气化效率超 过99%，所产燃气中H2的体积含量高达50%。
反应类型 Boudouard反应
非均相水气转换反应
水气转换反应 甲烷化反应 蒸气重整反应
反应式
C+CO2 2CO C+H2O CO＋H2 C+2H2O CO2＋2H2 CO+H2O CO2＋H2 C+2H2 CH4 CH4＋H2O CO+3H2
水蒸气气化所产燃气中H2含量高，燃气热值高，可达16～19MJ/Nm3； 燃气的H2 /CO 较高，这些是水蒸气气化工艺优于空气气化工艺之处。
第四讲 气体生物燃料技术 (二）生物质气化气
§1 基本概念
气化：在气化剂的作用下固态或液态碳基材料 通过热化学反应转化成可燃气体的过程。
美国能源环保署对生物质气化做了如下定义：一种通过 生物质的化学转化生产合成气或燃料气的技术，该化 学转化过程通常包括在空气或水蒸气存在情况下以及 还原气氛条件下生物质原料发生的局部氧化反应。
热裂解产生的挥发分是一种非常复杂的混合气体，至少包括 数百种碳氢化合物，有些可以在常温下被冷凝成液体，即焦 油，不可冷凝气体则可直接作为气体燃料使用。
生物质 H2＋CO＋CO2＋H2O＋CH4＋CnHm＋焦油＋炭+…… 作为一种复杂混合物，一部分焦油成分还会继续发生二次裂解反应， 如下式： 焦油 H2＋CO＋CO2＋……
热解气化
工 艺 类 型
气化剂气化
空气气化 氧气气化 水蒸气气化 水蒸汽－氧气混合气化 氢气气化 超临界水气化
1. 空气气化
气化过程中，空气为生物质的氧化反应，即燃烧过程提供 氧气，氧化反应为还原反应提供热量和反应物，通过还原反 应产生生物质燃气。
空气气化特点：
运行成本低 燃气热值低，通常在5MJ/Nm3左右 燃气中焦油含量高 存在原料结渣问题
3. 还原反应
生物质燃气中的可燃气体成分主要通过还原反应产生。 还原反应所需的温度通常在900℃以上。气化过程中发生的还 原反应主要包括以下2类反应：
（1）二氧化碳还原反应 C+CO2 2CO，ΔH = +162.142kJ/mol
（2）水蒸汽还原反应 C+H2O(g) CO＋H2，ΔH = +118.628kJ/mol C+2H2O(g) CO2＋2H2，ΔH = +75.114kJ/mol CO+H2O(g) CO2＋H2，ΔH = + 43.514kJ/mol
5. 热解气化
热解气化，又称干馏气化，是指生物质在隔绝空气或提供极 有限的空气的条件下加热后进行裂解反应的气化过程。也可 描述成生物质的部分气化。
热解气化的突出优点是产生的燃气热值较高，约15MJ/Nm3左 右，其缺点是气体产出率较低，产生的燃气中焦油含量很高。
5. 热解气化
按温度可将热解分为低温热解(600℃以下)，中温热解(600～ 900℃)和高温热解(900℃以上)。根据热解过程的原料停留时 间和升温速率，热解可分为：常规热解(Conventional pyrolysis)、快速热解(Fast pyrolysis)和闪解(Flash pyrolysis)。
4. 超临界水气化
原料
温度 (℃)
锯末/CMC 650
锯末/玉米秆 600
木材
450
陈化粮
400
日本橡木 350
压力 (MPa)
25
催化剂 无
气化效率
H2(%)源自文库
(%)
21.0
93.8
34.5
C
57.0
98
25
无
30.0
90
13.8-34.5
Ni
4.7
74.9
18
Ni/Na2CO3 47.2
55.4
2. 氧气气化
与空气气化相比，氧气气化的特点表现在以下2个方面：
燃气热值高，可达15MJ/Nm3 使气化反应设备容积减小
实际应用过程中生物质氧气气化工艺多采用富氧气化。富 氧气化就是通过提高空气中氧的体积分数来降低气化介质中N2 的体积分数。
2. 氧气气化
氧气浓度 (%) Biomass
99.8 99.8 89.0 89.0 90.2 78.0 67.0 67.0
炉内温度 (℃) 810 724 550 600 670 450 550 560
热值 (MJ/m3)
11.98 11.97 11.53 11.80 12.25 10.58 10.56 10.69
3. 水蒸汽气化
水蒸气气化是指以水蒸气作为气化剂在高温下同生物质发 生反应产生生物质燃气的工艺。