生物質(zhì)氣化技術(shù)

生物質(zhì)氣化技術(shù)第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月基礎(chǔ)知識一、各種爐型結(jié)構(gòu)及特點——選型1）固定床①上吸式氣化爐優(yōu)點是：燃?xì)庠诮?jīng)過熱分解層和干燥層時，將熱量傳遞給物料，用于物料的熱分解和干燥，同時降低其自身的溫度，使?fàn)t子熱效率大大提高；熱分解層和干燥層對燃?xì)庥幸欢ǖ倪^濾作用，所以出爐的燃?xì)庵兄缓猩倭炕曳郑唤Y(jié)構(gòu)簡單，加工制造容易，爐內(nèi)阻力小。缺點是：原料中水分不能參加反應(yīng)，減少了燃?xì)庵蠬和碳?xì)浠衔锏暮?，氣體與固體逆向流動時，物料中的水分隨產(chǎn)品氣體帶出爐外，降低了氣體的實際熱值，增加了排煙熱損失；熱氣體從底部上升時，溫度沿著反應(yīng)層高度下降，物料被干燥與低溫度的氣流相遇，原料在低溫(250～400oC)下進(jìn)行熱分解，導(dǎo)致焦油含量高。第2頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月②下吸式氣化爐優(yōu)點是：氣化強(qiáng)度較上吸式高；工作穩(wěn)定性好；可隨時開蓋添料；由于氧化區(qū)在熱解區(qū)與還原區(qū)之間，因而干餾和熱解的產(chǎn)物都要經(jīng)過氧化區(qū)，在高溫下裂解成H2和CO等永久性小分子氣體，使氣化氣中焦油含量大大減少。缺點是：由于爐內(nèi)的氣體流向是自上而下的，而熱氣流的方向是自下而上的，致使引風(fēng)機(jī)從爐柵下抽出可燃?xì)庖馁M(fèi)較大的功率；出爐的可燃?xì)庵泻械幕曳州^多；出爐的可燃?xì)獾臏囟容^高，須用水進(jìn)行冷卻。第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月③橫吸式氣化爐

生物質(zhì)原料由爐頂加入，灰分落入爐柵下部的灰室。氣化劑由側(cè)面進(jìn)入，產(chǎn)出的氣體也由側(cè)面流出，氣流橫向通過氣化區(qū)，在氧化區(qū)、還原區(qū)進(jìn)行的熱化學(xué)反應(yīng)與下吸式氣化爐相同，只不過反應(yīng)溫度較高，燃燒區(qū)溫度甚至?xí)^灰熔點，容易造成結(jié)渣。因此，該爐適用于含灰分少的原料，一般用作焦炭和木炭氣化。

（2）流化床氣化爐流化床氣化爐的反應(yīng)物料中常摻有精選過的惰性材料沙子，在吹入氣化劑作用下，物料顆粒、沙子、氣化劑接觸充分，受熱充分，在爐內(nèi)呈“沸騰”燃燒狀態(tài)，氣化反應(yīng)速度快，生產(chǎn)能力大，氣化效率高。第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月氣化反應(yīng)在床內(nèi)進(jìn)行，焦油也在床內(nèi)裂解，氣固分離以后的炭不斷循環(huán)回反應(yīng)爐內(nèi)。使炭有足夠的時間在床內(nèi)停留，以適應(yīng)還原反應(yīng)速度慢的需要。適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質(zhì)物料。主要缺點產(chǎn)氣中灰分需要很好地凈化處理和部件磨損嚴(yán)重。第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月氣化當(dāng)量比所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當(dāng)量比只有在當(dāng)量比為0.25～0.3時,即氣化反應(yīng)所需氧僅為完全燃燒耗氧量的25％-30％，產(chǎn)出氣成分較理想。當(dāng)生物質(zhì)物料中水分較大或揮發(fā)分較小時應(yīng)取上限，反之取下限。

第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、確定擬達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)小型家用氣化爐設(shè)計計算案例比如：(1)點火起動時間：<3min；(2)氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定，一次加料后持續(xù)穩(wěn)定燃燒時間：≥3.5h；(3)氣化效率：≥75％；(4)熱效率：≥90％；(5)燃?xì)鉄嶂担?gt;6000kJ/N(6)產(chǎn)氣量：≥1.5/kg，可供農(nóng)戶一天的炊事使用；(7)封火時間:≥12h第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月二、設(shè)計計算配風(fēng)設(shè)計風(fēng)道保溫層頂部加料口的密封第8頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月原料品種燃?xì)獬煞?低位熱值（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）kJ/m3COH2CH4CO2O2N2玉米秸21.412.21.8713.01.6549.885328玉米芯22.512.32.3212.51.448.985033麥秸17.68.51.3614.01.756.843663棉秸22.711.51.9211.61.550.785585稻殼19.15.54.37.53.060.54594薪柴20.012.02.011.00.254.54728三、氣化原料的考慮同一爐膛結(jié)構(gòu)使用不同的物料所產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)庖矔休^大的變化。使用中的生物質(zhì)燃?xì)馄骄颠M(jìn)行設(shè)計計算。第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月四、氣化爐主要?dú)饣瘏?shù)的設(shè)計計算(1)初步擬定原料消耗量和氣化強(qiáng)度比如，一個四口之家每天用氣量大約在8～10m3

，用氣時間4h左右，消耗生物質(zhì)原料10～12kg，因此，初步設(shè)計該戶用型上吸式氣化爐消耗的原料量C0=2.4kg/h；初步確定氣化強(qiáng)度為=70kg/(h)(2)確定氣化氣體的量生物質(zhì)原料完全燃燒所需的空氣量

：V=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[O])式中：V—原料完全燃燒所需的理論空氣量，m3/kg；[C]—原料中碳元素含量；[H]—原料中氫元素含量；[0]—原料中氧元素含量。第10頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月玉米秸所含主要元素含量為：[C]=45.43％[H]=6.15％[O]=47.14％[N]=0.78％玉米秸完全燃燒所需的空氣量為：V=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[0])=(1.866×45.43％+5.55×6.15％-O.7×47.14％)=4.0908(m3/kg)實際需要通入的空氣量

取過量空氣系數(shù)=1.2，保證分配的二次通風(fēng)使氣化氣得到完全燃燒。因此，實際需要通入的空氣量

：=1.2×4.0908=4.909(m3/kg)玉米秸稈壓塊的揮發(fā)分較高，含水量很低，當(dāng)量比

取0.3，則每千克燃料氣化所需要的空氣量

為：=0.3×4.0908=1.2272(m3/kg)第11頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月五、氣化爐主要性能指標(biāo)的擬定①氣化燃?xì)饬髁縬空氣(氣化劑)中

含量79％左右，氣化生物質(zhì)產(chǎn)生的燃?xì)庵?/p>

含量一般在50％左右，考慮到

在該氣化反應(yīng)中幾乎很少發(fā)生反應(yīng)，據(jù)此，擬燃?xì)饬髁渴菤饣瘎?空氣)流量的1.5倍，則可燃?xì)饬髁縬為：=C0×V0×1.5=2.4×1.2272×1.5=4.4181(/h)②燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量

氣化燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量擬定Qg=6.5×103kJ/kg③氣化效率

擬定氣化效率=75％④氣化爐持續(xù)工作時間T滿爐加料，擬定氣化爐連續(xù)運(yùn)行時間T=3.8h第12頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月六、氣化爐的主要?dú)饣瘏?shù)的計算①原料單位時間消耗量CC=q×Qg/(η×Qm) =4.4181×6.5/(0.75×16.33)=2.3448(kg/h)②氣化強(qiáng)度φ

=(C/C0)×φ0=(2.3448/2.4)×70=68.3888(kg/(m2h))③產(chǎn)氣率G=q/C=4.4181/2.3448=1.8842(/kg)第13頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月七、氣化爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計計算(1)爐膛的結(jié)構(gòu)尺寸①爐膛截面積

m2②爐膛的原料高度

=2.3448×3.8/(0.03×600)=0.43m第14頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月由于使用的原料是壓縮成型玉米秸稈，成型料的堆積密度一般為原料堆積密度的10倍左右，取密度=600kg/m3

。④氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù)

物料在爐內(nèi)應(yīng)有足夠的滯留時間，這與燃燒層的高度及物料與氣流運(yùn)動有關(guān)，要保證生物質(zhì)原料氣化耗盡。剩下的殘灰體積小于燃料體積，設(shè)p為原料氣化體積收縮率，H為氣化爐內(nèi)筒實際高度，則在加料次數(shù)為n次時，實際可加進(jìn)的燃料高度L為

為氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù)。參考有關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗，生物質(zhì)原料氣化的收縮率p取0.2，由此可得n=1，2，3，4時，高度系數(shù)分別為：1，1.2，1.24，1.248第15頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤內(nèi)筒高度h氣化爐加滿原料后，經(jīng)過一段時間運(yùn)行，原料耗盡，在不排灰的情況下，可再次加入原料繼續(xù)運(yùn)行。這個過程理論上可進(jìn)行無限多次，實際上只有開始幾次加料有實用價值?？紤]到氣化爐點火時灰燼需要占用一定的空間H=h+0.2=0.7m=0.43/1.2=0.36（m）第16頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）送風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸①一次風(fēng)口的尺寸上吸式氣化爐一次風(fēng)口，采用在爐膛壁上開小孔的設(shè)計方式。通過氣化原料氣化所需的空氣量

確定風(fēng)口的尺寸，風(fēng)口的幾何尺寸內(nèi)徑

按下式計算：C-生物質(zhì)原料的消耗量，kg/h；V-風(fēng)口中空氣流速，m/s；V0-氣化所需空氣量，m3/kg；d1-風(fēng)口直徑，m；N-風(fēng)口個數(shù)第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展二、生物質(zhì)氣化分類三、生物質(zhì)氣化指標(biāo)及影響因素四、氣化發(fā)電工藝五、主要的氣化反應(yīng)器六、生物質(zhì)燃?xì)鈨艋?9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展始于1883年，已有100多年的歷史，以木炭為原料，氣化后的燃?xì)怛?qū)動內(nèi)燃機(jī)，為早期的汽車或農(nóng)業(yè)排灌機(jī)械提供動力。鼎盛時期，第二次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時戰(zhàn)爭耗費(fèi)了幾乎所有的燃油，民用燃料缺乏，德國大力發(fā)展用于民用汽車的車裁氣化器，并形成了與汽車發(fā)動機(jī)配套的完整技術(shù)。第二次世界大戰(zhàn)后，長時期內(nèi)陷于停頓狀態(tài)。中東地區(qū)油田的大規(guī)模開發(fā)使世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展獲得了廉價優(yōu)質(zhì)的能源。石油成為幾乎所有發(fā)達(dá)國家的主要能源20世紀(jì)70年代石油危機(jī)使生物質(zhì)氣化技術(shù)重新得到了關(guān)注。第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)狀：大型生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程美國Battelle(63MW)、夏威夷(6MW)項目，英國(8MW)和芬蘭(6Mw)示范工程等。問題：焦油處理技術(shù)燃?xì)廨啓C(jī)改造技術(shù)難度很高第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月生物質(zhì)氣化分類按氣化介質(zhì)分類氣體熱值高，高溫高壓、反映條件苛刻氣體熱值高吸熱反應(yīng)，需要外部熱源第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月生物質(zhì)氣化指標(biāo)及影響因素1.比消耗量。定義：氣化1kg生物質(zhì)所消耗氣化劑(如空氣、水蒸氣、氧氣)的量。如：空氣一般0.2-0.32.產(chǎn)品氣產(chǎn)率。氣化1kg原料所得到的氣體燃料在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積稱為產(chǎn)品氣產(chǎn)率。3.碳轉(zhuǎn)化率。碳轉(zhuǎn)化率是指生物質(zhì)燃料中的碳轉(zhuǎn)化為氣體燃料中碳的份額，即氣體中含碳量與原料中含碳量之比。氣體產(chǎn)率，m3/kg燃?xì)庵械捏w積百分比原料中碳的含量，%第23頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月4.氣化效率。生物質(zhì)氣化后生成的產(chǎn)品氣總熱量與氣化原料總熱量之比，稱為氣化效率，它是衡量氣化過程的主要指標(biāo)。5.氣化強(qiáng)度。單位時間內(nèi)，氣化反應(yīng)器單位橫截面上所能氣化的原料量稱為氣化強(qiáng)度，單位通常為kg／(m2h)。氣化指標(biāo)的影響因素復(fù)雜的熱化學(xué)過程，受很多因宗的影響。影響氣化指標(biāo)的因素取決于3個方面，即原料特性、氣化過程的操作條件和氣化反應(yīng)器的構(gòu)造。第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)生物質(zhì)特性原料特性不但影響氣化指標(biāo)．而日也決定氣化方法的選擇。生物質(zhì)作為氣化原料比煤作為氣化原料有突出的優(yōu)點。

1)揮發(fā)分高、固定族低。生物質(zhì)特別是秸稈類生物質(zhì)，固定碳在20％左右，而揮發(fā)分則高達(dá)70％左右。在較低溫度下，約400度就可全部揮發(fā)出來。

2)生物質(zhì)碳反應(yīng)性高。生物質(zhì)碳在較低溫度下，以較快的速度與CO2及水蒸氣進(jìn)行氣化反應(yīng)。如：在815℃、2MPa下，木炭在He(45％)、H2(5％)及水蒸氣(5％)的氣體中，只要7分鐘，80％能被氣化，泥煤炭只能有約20％被氣化，而褐煤顯幾乎沒有反應(yīng)。3)生物質(zhì)灰分少。生物質(zhì)灰分一般少于3％(稻殼等除外)。4)含硫量低。生物質(zhì)臺硫量一般少于0．2％，不需要?dú)怏w脫硫裝置，降低了成本，又有利于環(huán)境保護(hù)。第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)原料的結(jié)渣性。反應(yīng)性好的原料，可以在較低溫度下操作．氣化過程不易結(jié)渣，有利于操作，也有利于甲烷生成。礦物成分往往可使燃料在燃燒反應(yīng)中起催化作用。例如：將木灰(1．5％)噴在加熱中的木材表面上．就可使反應(yīng)性加強(qiáng)，反應(yīng)時間減少1/2。第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)氣化條件。反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、物料特性、氣化設(shè)備結(jié)構(gòu)等也是影響氣化過程中的主要因素，不同的氣化條件，氣化產(chǎn)物成分的變化很大。四、氣化發(fā)電工藝第27頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月氣化發(fā)電系統(tǒng)分類第28頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月五、主要的氣化反應(yīng)器第29頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月固定床氣化爐下吸式：焦油含量少，熱值高上吸式：焦油含量多，熱值低第30頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月流化床氣化爐第31頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點：（1）流化床氣化爐斷面小，氣化效率和氣化強(qiáng)度較高。（2）流化床氣化對灰分要求不高，可以使用粒度很小的原料。

(3)流化床氣化的產(chǎn)氣能力可在較大范圍內(nèi)波動，且氣化效率不會明顯降低。

(4)流化床使用的燃料顆粒很細(xì)，傳熱面積大，傳熱效率高，氣化反應(yīng)溫度不是很高且均衡，結(jié)渣的可能性減弱。缺點

(1)產(chǎn)出氣體的顯熱損失大。

(2)由于燃料顆粒細(xì)，流化速度較高，故產(chǎn)出氣體中的帶出物較多。第32頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月雙流化床氣化爐第33頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月六、生物質(zhì)燃?xì)鈨艋镔|(zhì)燃?xì)夂懈鞣N各樣的雜質(zhì)，保證后部氣化發(fā)電設(shè)備不會因雜質(zhì)的存在而導(dǎo)致磨損腐蝕和污染等問題。第34頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月焦油問題焦油是一種可冷凝烴類物質(zhì)的復(fù)雜混合物美國NREL的Milne等在其對焦油的研究中曾給出了以下定義：任何有機(jī)材料在熱或部分氧化(氣化)作用下所產(chǎn)生的有機(jī)物，且通常認(rèn)為其主要是較