生物质资源转化与利用 第五章 生物质直接气化技术

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1、生物质资源转化与利用生物质资源转化与利用第五章第五章 生物质直接气化技术生物质直接气化技术生生物物质质热化学法热化学法物理化学法物理化学法压缩成型压缩成型直接燃烧直接燃烧液化液化气化气化微生物法微生物法发酵发酵生物化学法生物化学法固体燃料固体燃料高压蒸汽、热气流高压蒸汽、热气流直接液化直接液化间接液化间接液化共液化共液化氢气、木煤气氢气、木煤气木炭、生物油、木煤气、醋液木炭、生物油、木煤气、醋液氢气氢气沼气、乙醇沼气、乙醇燃烧供热、木炭燃烧供热、木炭燃料油、化工原料燃料油、化工原料甲醇、柴油、二甲醇、柴油、二甲醚、氢气甲醚、氢气化学品、液体燃料化学品、液体燃料热裂解热裂解5.1 5.1 生物质

2、气化原理与工艺生物质气化原理与工艺生物质气化概念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、以生物质为原料，以氧气（游离氧、结合氧）、空气、水蒸气、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的COCO、氢气和甲烷、氢气和甲烷等可燃性气体的过程。等可燃性气体的过程。气化过程与燃烧过程的区别：气化

3、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，产物是直接获取热量，产物是COCO2 2和水等不可燃的烟气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、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、COCO和低分子烃类的可燃气体。和低分子烃类的可燃气体。主要优点主要优点主要缺点转化为可燃气后，转化为可燃气后，利用效率高，用途利用效率高，用途广泛，如可以用作广泛，如可以用作生活

4、煤气，也可用生活煤气，也可用于锅炉或直接发电。于锅炉或直接发电。系统复杂，生成的系统复杂，生成的燃气相对其他主要燃气相对其他主要气体燃料而言热值气体燃料而言热值较低，不便于储存较低，不便于储存运输，须有专门的运输，须有专门的用户或配套的利用用户或配套的利用设施。设施。废木材、柴薪、秸秆、果壳、稻壳、木屑等。一般都是挥发分高、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。灰分少、易裂解的生物质废弃物。生物质气化的主要原料生物质气化的主要原料: :生物质气化的主要用途生物质气化的主要用途: :1 1）民用炊事与取暖）民用炊事与取暖2 2）烘干谷物、木材、果

5、品、炒茶等）烘干谷物、木材、果品、炒茶等3 3）发电）发电4 4）区域供热等）区域供热等5 5）工业企业用蒸汽）工业企业用蒸汽5.1.1 5.1.1 生物质气化原理生物质气化原理生物质气化都要通过生物质气化都要通过气化炉气化炉完成。典型的下吸收式生物质完成。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、氧化和还原气化过程通常包括生物质的干燥、热解、氧化和还原4 4个阶个阶段，这段，这4 4个阶段在气化炉中对应形成个阶段在气化炉中对应形成4 4个区域。个区域。1 1）干燥层）干燥层100250 100250 o oC C的高温作用下，生物质中的自由水和结合水被加的高温作用下，生物质中的

6、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。热析出，此过程比较缓慢，需要大量的热量。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气化原理2 2）热分解层）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、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。半纤维素、木质素热解过程的综合体现。生物质被加热到生物质被加热到500600 500600 o oC C时，半纤维素、纤维素、木质素时，半纤维素、纤维素、木质素热分解析出焦油、热分解析出焦油、COCO2 2、CO

7、CO、氢气、甲烷等大量可燃气和生、氢气、甲烷等大量可燃气和生物质炭。物质炭。纤维素纤维素左旋葡萄糖酐左旋葡萄糖酐单糖、多糖单糖、多糖脱水低聚糖脱水低聚糖COCOCOCO2 2水水生物质炭生物质炭温度超过温度超过240 240 o oC C大分子苷键断裂大分子苷键断裂碳碳和碳氧键断裂碳碳和碳氧键断裂温度进一步升高温度进一步升高温度超过温度超过400 400 o oC C聚合和芳构化阶段聚合和芳构化阶段半纤维素半纤维素COCOCOCO2 2水水炭炭温度超过温度超过250 250 o oC C温度超过温度超过150 150 o oC C开始热解开始热解与纤维素热解比较类似与纤维素热解比较类似甲醇甲醇

8、焦油焦油醋酸醋酸木质素木质素COCOCOCO2 2温度超过温度超过310 310 o oC C热解激烈，热解激烈，放热阶段放热阶段甲醇甲醇醋酸醋酸焦油焦油其他有机化合物其他有机化合物甲烷甲烷温度超过温度超过420 420 o oC C蒸汽气体产物减少，热解基本完成蒸汽气体产物减少，热解基本完成3 3）氧化层）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炭与氧气进行燃烧反应来放

9、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、燃烧生成大量平衡。生物质炭和氧气在此层充分接触、燃烧生成大量COCO2 2，同事放出大量热量，温度可达到同事放出大量热量，温度可达到1300 1300 o oC C或更高。或更高。化学反应式化学反应式C+OC+O2 2 = CO= CO2 2H= -408.8 kJ H= -408.8 kJ 2C+ O2C+ O2 2 = 2CO= 2COH= -246.44kJH= -246.44kJ4 4）还原层）还原层在没有氧气的条件下，生物质炭与气流中的在没有氧气的条件下，生物质炭与气流中的COCO2 2、水、氢气、水、氢气发生一系列反应

10、，还原层没有氧气存在，发生一系列反应，还原层没有氧气存在，COCO2 2和水在这里还和水在这里还原成原成COCO和氢气，进行吸热反应，温度开始降低，一般温度和氢气，进行吸热反应，温度开始降低，一般温度在在700900 700900 o oC C。C+COC+CO2 2 2CO 2CO H = +162.30 kJ H = +162.30 kJ C+HC+H2 2O(g) CO+HO(g) CO+H2 2 H = +118.74 kJ H = +118.74 kJ C+2HC+2H2 2O(g) COO(g) CO2 2+2H+2H2 2H = +75.19 kJ H = +75.19 kJ C

11、O+HCO+H2 2O(g) COO(g) CO2 2+H+H2 2H = +43.56 kJ H = +43.56 kJ 以上吸式固定床气化炉为例。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、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，分形式排出。而气化剂从底部吹入，与生物质物料走向相反。与生物质物料走向相反。反应炉工艺结构设计的重要原则：合反应炉工艺结构设计的重要原则：合理的温度分布理的温度分布干燥层干燥层100250热解层热解层300500800还原层还原层900氧化层氧化层1200湿料湿料