第9章 生物质热解气化技术
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颗粒尺寸/mm 6.25 0.833 0.074 燃烧速率/g·g-1·min-1 0.648 5.04 55.9
气化反应动力学
还原过程 主要是C、CO2、CO和H2O之间的反应 气化过程速率最慢的步骤
温 度 反应速度与速率比 反应速度/mg•s-1•cm 速率比 800℃ 反应速度/mg•s-1•cm 速率比 900℃ 反应速度/mg•s-1•cm 速率比 热分解 3.170 81.3 4.117 40.0 5.893 30.4 炭的燃烧 0.937 24.0 1.063 10.3 1.141 5.9 炭-水蒸气气化 0.039 1.0 0.103 1.0 0.194 1.0
2
2C O2 2CO
CO
O2
lg K r
11635.1 T
2.165 lg T 0.0894T
0.08876T 2 3.394
2
2CO O2 2CO2
CO2 2 O2 CO
lg K r
29530.5 T
2.769 lg T 0.001225T
气化反应动力学
热解过程 固相反应：主要取决于加热速率，反应速率很快 气相或气相与炭反应：包括裂解、重整、变换等反应，主要 取决于温度和停留时间
da n − E / RT (1 − a ) = Ae dt
固体生物质气化反应动力学
气化反应动力学
不同生物质在不同温度下的气化反应动力学
样 白 白 白 品 松 松 松 T(K) 710 810 900 600 700 800 900
气化反应平衡分析
C CO2 2CO
气化过程最重要的反应之一，非均相反应 温度低于850℃时，主要发生逆反应，CO2很难还原 温度高于850℃时，CO迅速增加 温度高于1200℃时，CO2可全部还原为CO
气化反应平衡分析
CO H 2O CO2 H 2
制氢的主要反应，均相反应 温度高于850℃时，正反应速度高于逆反应速度，有利于H2生成 通常要求反应温度高于900℃
CO H 2 O CO2 H 2
CO H 2O H 2 CO2
CH 4
0.081487T 2 0.098 lg K r 3348 T 5.957 lg T 0.001867T
C 2 H 2 CH 4
H 2
2
0.061059T 2 11.79
a
0.293~0.95 0.335~0.96 0.148~0.959 0.429~0.847 0.311~0.922 0.358~0.946 0.137~0.969
A(s-1) 9865.9 122.11 40.83 2.657E+09 230570.2 5846.01 200.62
n
0.6354 0.5944 0.6756 0.5829 0.681 0.7501 0.776
Qg 126CCO 108CH 2 359CCH 4 665CCn H m
kJ / Nm
3
• •
低位热值的计算公式 CCO、CH2、CCH4、CCnHm分别代表CO、H2、CH4和CnHm在气化气 体所占的体积百分比
气化主要评价参数
气化效率
Qg GP Qb
100%
• •
生物质热解气化技术分类
按气化剂分类
不同气化技术比较
气化剂 气体热值/(MJ/m3) 气体属性 主要用途
空
气
氧
气 11~19
水蒸气
氢
气
4.2~7.6 低热值气 锅炉、干燥、动力
22~26 高热值气 工艺热源、管网输送气
中热值气 区域供气、合成气
生物质热解气化技术分类
按设备运行方式分类
上吸式 下吸式 固定床 横吸式 开心式 生物质气化 流化床 双流化床 携 带 床 旋转床 单流化床 循环流化床
气化反应平衡分析
C 2 H 2 CH 4
制取高热值燃气的重要反应，非均相反应 随着温度的升高，逆反应加快，不利于甲烷的生成 此反应的适宜温度为800℃
气化反应平衡分析
2CO 2 H 2 CH 4 CO2
甲烷化的重要反应，均相反应 温度升高对正反应不利
9.3 生物质气化评价参数与过程计算
M M in M out
气化过程质量与能量平衡计算
能量平衡计算
输入能量 Qin 输出能量 Qout 能量衡算 Q
生物质携带能量、气化剂携带能量 气体携带能量、焦油和水溶物携带能量、灰渣携带能量、系统向外界散热
Q Qin Qout
9.4 生物质气化典型工艺介绍
气化装置的构成 固定床上吸式气化炉 固定床下吸式气化炉 横流式和开心式固定床气化炉 单流化床气化炉 循环流化床气化炉 双流化床气化炉
700℃
生物质气化三个反应过程的速率比较
气化反应平衡分析
假设如下反应是一个可逆反应： C D A B c1 c2 c3 c4 式中， c1 、 c2 、 c3 、 c4 相应为 A 、 B 、 C 和 D 的浓度。
v1 k1c1c2 v2 k2 c3c4
气化反应平衡分析
气化效率为单位质量的生物质气化之后，气化气体包含的化学能与 气化原料所包含的化学能之比 Qb为生物质原料的热值
气化主要评价参数
碳转化率
C
•Hale Waihona Puke Baidu• •
CCO 12CCO2 CCH 4 2.5CCn H m 12 / WCH X OY
GP
碳转化率为单位质量的生物质气化后，气化气所含的碳与原料中所 含碳之比 CCO、CCO2、CCH4、CCnHm分别代表相应的气体在气化气体中所占的 体积百分比 WCHxOy是指生物质特征分子式的质量
横吸式 40-80 ＜7 ＜6
开心式 1-3 ＜12 ＜20
9.2 生物质热解气化原理
气化基本原理 气化反应动力学 气化反应平衡分析
气化基本原理
以下吸式固定床为例
干燥区：50-150℃
热解区：挥发分的释放
CH x Oy n1C n2 H 2 n3 H 2O n4CO n5CO2 n6CH 4
气化装置的构成
原料预处理设备
进料设备
气化反应器
气固分离装置
气体冷却净化装置
固定床上吸式气化炉
生物质原料从顶部加入，依靠重力从上向下移动 空气从底部进入，从下向上移动 原料移动与空气流动方向相反，也称为逆流式气化
气化基本原理
以下吸式固定床为例
还原区：600-900℃
C＋CO2 2CO－172.43 kJ
H 2O C CO H 2 131.72 kJ
2 H 2O C CO2 2 H 2 90.17 kJ H 2O CO CO2 H 2 41.13 kJ 3H 2 CO CH 4 H 2O 250.16 kJ
C CO2 2CO
CO
CO2
2
0.06116T 2 2.772 lg K r 6740.5 T 1.5561lg T 0.081092T
C H 2 O CO H 2
CO H 2
H 2O
0.06371T 2 2.554
气化反应平衡分析
反 应 平衡常数 K r 平衡常数计算式
18世纪30年代，最早有商业应用记载 19世纪50年代，伦敦大部分城区用上了“气灯” 1881年，内燃机（动力气化炉） 二次世界大战期间，生物质气化技术发展迅猛，仅欧洲就用车 载气化器先后装备了一百多万部交通运载工具，所用气化原料主要 是木炭和优质硬木 战争结束后，生物质气化技术在较长时期内陷入了停顿 1973年石油危机后，生物质气化技术的研究，重新活跃 我国的气化技术在20世纪80年代后才发展起来
气化基本原理
以下吸式固定床为例
氧化区：1000-1200℃
C＋O2 CO2＋393.51 kJ
2C＋O2 2CO＋221.34 kJ
2CO＋O2 2CO2＋565.94 kJ 2 H 2＋O2 2H 2O＋483.68 kJ CH 4＋2O2 CO2＋2 H 2O＋890.36 kJ
气化主要影响因素
当量比ER：气化实际供给的空气量与生物质完全燃烧理 论所需的空气量之比
AR ER = SR
• • AR为气化时实际供给的空气量与燃料量之比（kg/kg），简称空燃 比 SR为完全燃烧最低所需空气量与燃料量之比（kg/kg），简称化学当 量比
气化主要影响因素
ER对O2含量的影响
C 2 H 2 O CO2 2 H 2
CO H 2 2 H O 2
2
lg K r
4533.3 T
0.6446 lg T 0.083646T
0.081858T 2 2.336 lg K r 2207.2 T 0.9115 lg T 0.09738T
0.061356T 2 2.15
气化反应平衡分析
反 应 平衡常数 K r 平衡常数计算式
2 H 2 O2 2 H 2 O
H 2O 2 O2 H 2
2
lg K r
25116.1 T
0.9466 lg T 0.087216T
0.081618T 2 1.714 lg K r 8947.7 T 2.4675 lg T 0.0010824T
气化主要评价参数
气化强度
Wb P= A
• •
kg / m / s
2
气化强度是指单位横截面积的气化反应器在单位时间内气化生物质 原料的能力，其值等于生物质进料速率除以气化炉横截面积 Wb为生物质进料速率，A为气化器横截面积
气化主要评价参数
气体组分
• • • 可燃气体：CO、H2、CH4和CnHm 不可燃气体：CO2、N2和O2 我国规定民用燃气中CO的含量不能超过15%
ER对CO含量的影响
气化主要影响因素
ER对N2含量的影响
ER对CO2含量的影响
气化主要影响因素
ER对H2含量的影响
ER对CH4含量的影响
气化主要影响因素
ER对气体热值的影响
ER对气体产率的影响
气化过程质量与能量平衡计算
质量平衡计算
输入质量 M in 输出质量 M out 质量衡算 M 生物质携带质量、气化剂携带质量 气体携带质量、焦油携带质量、水溶性物质携带质量、灰渣携带质量
固定床式生物质气化炉
生物质 气化剂 生物质 产出气 生物质 生物质 气化剂
气化剂
产出气
产出气 (a) 下吸式
气化剂 (b) 上吸式 (c) 横吸式
产出气 (d) 开心式
固定床式生物质气化炉
气化炉类型 原料尺寸（mm） 原料湿度（﹪） 原料灰分（干基，wt﹪）
下吸式 5-100 ＜30 ＜25
上吸式 20-100 ＜25 ＜6
第九章 生物质热解气化技术
内
容
9.1. 生物质热解气化技术概述 9.2. 生物质热解气化原理 9.3. 生物质气化评价参数与过程计算 9.4. 生物质气化典型工艺介绍 9.5. 加压气化
9.1 生物质热解气化技术概述
生物质热解气化技术发展历史 生物质热解气化技术分类
生物质热解气化技术发展历史
E
17.8523 11.994 8.5559 39.7991 24.7075 18.2681 13.2696
R
0.9998 0.9997 0.9994 0.9998 0.9984 0.9989 0.9997
橡胶木 橡胶木 橡胶木 橡胶木
气化反应动力学
燃烧过程 焦炭的燃烧速率受温度和时间控制 900℃下不同粒径颗粒的燃烧速率
气化主要评价参数 气化主要影响因素 气化过程质量与能量平衡计算
气化主要评价参数
气体产率
GP
Vg Mb
Nm / kg
3
• •
气体产率Gp是指单位质量生物质气化后所获得的气体燃料在标准状 态下的体积 Vg为气化气体在标准状态下的体积，Mb为气体生物质的质量
气化主要评价参数
气体热值
k1c1c2 k2 c3c4
k1 c3c4 K k2 c1c2
K为化学反应平衡常数，是反应温度和压力的函数
气化反应平衡分析
反 应 平衡常数 K r 平衡常数计算式
C O2 CO2
CO2 O2
lg K r
20582.8 T
0.302 lg T 0.02143T
0.0724T 2 0.622
气化反应动力学
还原过程 主要是C、CO2、CO和H2O之间的反应 气化过程速率最慢的步骤
温 度 反应速度与速率比 反应速度/mg•s-1•cm 速率比 800℃ 反应速度/mg•s-1•cm 速率比 900℃ 反应速度/mg•s-1•cm 速率比 热分解 3.170 81.3 4.117 40.0 5.893 30.4 炭的燃烧 0.937 24.0 1.063 10.3 1.141 5.9 炭-水蒸气气化 0.039 1.0 0.103 1.0 0.194 1.0
2
2C O2 2CO
CO
O2
lg K r
11635.1 T
2.165 lg T 0.0894T
0.08876T 2 3.394
2
2CO O2 2CO2
CO2 2 O2 CO
lg K r
29530.5 T
2.769 lg T 0.001225T
气化反应动力学
热解过程 固相反应：主要取决于加热速率，反应速率很快 气相或气相与炭反应：包括裂解、重整、变换等反应，主要 取决于温度和停留时间
da n − E / RT (1 − a ) = Ae dt
固体生物质气化反应动力学
气化反应动力学
不同生物质在不同温度下的气化反应动力学
样 白 白 白 品 松 松 松 T(K) 710 810 900 600 700 800 900
气化反应平衡分析
C CO2 2CO
气化过程最重要的反应之一，非均相反应 温度低于850℃时，主要发生逆反应，CO2很难还原 温度高于850℃时，CO迅速增加 温度高于1200℃时，CO2可全部还原为CO
气化反应平衡分析
CO H 2O CO2 H 2
制氢的主要反应，均相反应 温度高于850℃时，正反应速度高于逆反应速度，有利于H2生成 通常要求反应温度高于900℃
CO H 2 O CO2 H 2
CO H 2O H 2 CO2
CH 4
0.081487T 2 0.098 lg K r 3348 T 5.957 lg T 0.001867T
C 2 H 2 CH 4
H 2
2
0.061059T 2 11.79
a
0.293~0.95 0.335~0.96 0.148~0.959 0.429~0.847 0.311~0.922 0.358~0.946 0.137~0.969
A(s-1) 9865.9 122.11 40.83 2.657E+09 230570.2 5846.01 200.62
n
0.6354 0.5944 0.6756 0.5829 0.681 0.7501 0.776
Qg 126CCO 108CH 2 359CCH 4 665CCn H m
kJ / Nm
3
• •
低位热值的计算公式 CCO、CH2、CCH4、CCnHm分别代表CO、H2、CH4和CnHm在气化气 体所占的体积百分比
气化主要评价参数
气化效率
Qg GP Qb
100%
• •
生物质热解气化技术分类
按气化剂分类
不同气化技术比较
气化剂 气体热值/(MJ/m3) 气体属性 主要用途
空
气
氧
气 11~19
水蒸气
氢
气
4.2~7.6 低热值气 锅炉、干燥、动力
22~26 高热值气 工艺热源、管网输送气
中热值气 区域供气、合成气
生物质热解气化技术分类
按设备运行方式分类
上吸式 下吸式 固定床 横吸式 开心式 生物质气化 流化床 双流化床 携 带 床 旋转床 单流化床 循环流化床
气化反应平衡分析
C 2 H 2 CH 4
制取高热值燃气的重要反应，非均相反应 随着温度的升高，逆反应加快，不利于甲烷的生成 此反应的适宜温度为800℃
气化反应平衡分析
2CO 2 H 2 CH 4 CO2
甲烷化的重要反应，均相反应 温度升高对正反应不利
9.3 生物质气化评价参数与过程计算
M M in M out
气化过程质量与能量平衡计算
能量平衡计算
输入能量 Qin 输出能量 Qout 能量衡算 Q
生物质携带能量、气化剂携带能量 气体携带能量、焦油和水溶物携带能量、灰渣携带能量、系统向外界散热
Q Qin Qout
9.4 生物质气化典型工艺介绍
气化装置的构成 固定床上吸式气化炉 固定床下吸式气化炉 横流式和开心式固定床气化炉 单流化床气化炉 循环流化床气化炉 双流化床气化炉
700℃
生物质气化三个反应过程的速率比较
气化反应平衡分析
假设如下反应是一个可逆反应： C D A B c1 c2 c3 c4 式中， c1 、 c2 、 c3 、 c4 相应为 A 、 B 、 C 和 D 的浓度。
v1 k1c1c2 v2 k2 c3c4
气化反应平衡分析
气化效率为单位质量的生物质气化之后，气化气体包含的化学能与 气化原料所包含的化学能之比 Qb为生物质原料的热值
气化主要评价参数
碳转化率
C
•Hale Waihona Puke Baidu• •
CCO 12CCO2 CCH 4 2.5CCn H m 12 / WCH X OY
GP
碳转化率为单位质量的生物质气化后，气化气所含的碳与原料中所 含碳之比 CCO、CCO2、CCH4、CCnHm分别代表相应的气体在气化气体中所占的 体积百分比 WCHxOy是指生物质特征分子式的质量
横吸式 40-80 ＜7 ＜6
开心式 1-3 ＜12 ＜20
9.2 生物质热解气化原理
气化基本原理 气化反应动力学 气化反应平衡分析
气化基本原理
以下吸式固定床为例
干燥区：50-150℃
热解区：挥发分的释放
CH x Oy n1C n2 H 2 n3 H 2O n4CO n5CO2 n6CH 4
气化装置的构成
原料预处理设备
进料设备
气化反应器
气固分离装置
气体冷却净化装置
固定床上吸式气化炉
生物质原料从顶部加入，依靠重力从上向下移动 空气从底部进入，从下向上移动 原料移动与空气流动方向相反，也称为逆流式气化
气化基本原理
以下吸式固定床为例
还原区：600-900℃
C＋CO2 2CO－172.43 kJ
H 2O C CO H 2 131.72 kJ
2 H 2O C CO2 2 H 2 90.17 kJ H 2O CO CO2 H 2 41.13 kJ 3H 2 CO CH 4 H 2O 250.16 kJ
C CO2 2CO
CO
CO2
2
0.06116T 2 2.772 lg K r 6740.5 T 1.5561lg T 0.081092T
C H 2 O CO H 2
CO H 2
H 2O
0.06371T 2 2.554
气化反应平衡分析
反 应 平衡常数 K r 平衡常数计算式
18世纪30年代，最早有商业应用记载 19世纪50年代，伦敦大部分城区用上了“气灯” 1881年，内燃机（动力气化炉） 二次世界大战期间，生物质气化技术发展迅猛，仅欧洲就用车 载气化器先后装备了一百多万部交通运载工具，所用气化原料主要 是木炭和优质硬木 战争结束后，生物质气化技术在较长时期内陷入了停顿 1973年石油危机后，生物质气化技术的研究，重新活跃 我国的气化技术在20世纪80年代后才发展起来
气化基本原理
以下吸式固定床为例
氧化区：1000-1200℃
C＋O2 CO2＋393.51 kJ
2C＋O2 2CO＋221.34 kJ
2CO＋O2 2CO2＋565.94 kJ 2 H 2＋O2 2H 2O＋483.68 kJ CH 4＋2O2 CO2＋2 H 2O＋890.36 kJ
气化主要影响因素
当量比ER：气化实际供给的空气量与生物质完全燃烧理 论所需的空气量之比
AR ER = SR
• • AR为气化时实际供给的空气量与燃料量之比（kg/kg），简称空燃 比 SR为完全燃烧最低所需空气量与燃料量之比（kg/kg），简称化学当 量比
气化主要影响因素
ER对O2含量的影响
C 2 H 2 O CO2 2 H 2
CO H 2 2 H O 2
2
lg K r
4533.3 T
0.6446 lg T 0.083646T
0.081858T 2 2.336 lg K r 2207.2 T 0.9115 lg T 0.09738T
0.061356T 2 2.15
气化反应平衡分析
反 应 平衡常数 K r 平衡常数计算式
2 H 2 O2 2 H 2 O
H 2O 2 O2 H 2
2
lg K r
25116.1 T
0.9466 lg T 0.087216T
0.081618T 2 1.714 lg K r 8947.7 T 2.4675 lg T 0.0010824T
气化主要评价参数
气化强度
Wb P= A
• •
kg / m / s
2
气化强度是指单位横截面积的气化反应器在单位时间内气化生物质 原料的能力，其值等于生物质进料速率除以气化炉横截面积 Wb为生物质进料速率，A为气化器横截面积
气化主要评价参数
气体组分
• • • 可燃气体：CO、H2、CH4和CnHm 不可燃气体：CO2、N2和O2 我国规定民用燃气中CO的含量不能超过15%
ER对CO含量的影响
气化主要影响因素
ER对N2含量的影响
ER对CO2含量的影响
气化主要影响因素
ER对H2含量的影响
ER对CH4含量的影响
气化主要影响因素
ER对气体热值的影响
ER对气体产率的影响
气化过程质量与能量平衡计算
质量平衡计算
输入质量 M in 输出质量 M out 质量衡算 M 生物质携带质量、气化剂携带质量 气体携带质量、焦油携带质量、水溶性物质携带质量、灰渣携带质量
固定床式生物质气化炉
生物质 气化剂 生物质 产出气 生物质 生物质 气化剂
气化剂
产出气
产出气 (a) 下吸式
气化剂 (b) 上吸式 (c) 横吸式
产出气 (d) 开心式
固定床式生物质气化炉
气化炉类型 原料尺寸（mm） 原料湿度（﹪） 原料灰分（干基，wt﹪）
下吸式 5-100 ＜30 ＜25
上吸式 20-100 ＜25 ＜6
第九章 生物质热解气化技术
内
容
9.1. 生物质热解气化技术概述 9.2. 生物质热解气化原理 9.3. 生物质气化评价参数与过程计算 9.4. 生物质气化典型工艺介绍 9.5. 加压气化
9.1 生物质热解气化技术概述
生物质热解气化技术发展历史 生物质热解气化技术分类
生物质热解气化技术发展历史
E
17.8523 11.994 8.5559 39.7991 24.7075 18.2681 13.2696
R
0.9998 0.9997 0.9994 0.9998 0.9984 0.9989 0.9997
橡胶木 橡胶木 橡胶木 橡胶木
气化反应动力学
燃烧过程 焦炭的燃烧速率受温度和时间控制 900℃下不同粒径颗粒的燃烧速率
气化主要评价参数 气化主要影响因素 气化过程质量与能量平衡计算
气化主要评价参数
气体产率
GP
Vg Mb
Nm / kg
3
• •
气体产率Gp是指单位质量生物质气化后所获得的气体燃料在标准状 态下的体积 Vg为气化气体在标准状态下的体积，Mb为气体生物质的质量
气化主要评价参数
气体热值
k1c1c2 k2 c3c4
k1 c3c4 K k2 c1c2
K为化学反应平衡常数，是反应温度和压力的函数
气化反应平衡分析
反 应 平衡常数 K r 平衡常数计算式
C O2 CO2
CO2 O2
lg K r
20582.8 T
0.302 lg T 0.02143T
0.0724T 2 0.622