生物質氣化技術第1頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月基礎知識一、各種爐型結構及特點——選型1）固定床①上吸式氣化爐優(yōu)點是：燃氣在經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，使爐子熱效率大大提高；熱分解層和干燥層對燃氣有一定的過濾作用，所以出爐的燃氣中只含有少量灰分；結構簡單，加工制造容易，爐內阻力小。缺點是：原料中水分不能參加反應，減少了燃氣中H和碳氫化合物的含量，氣體與固體逆向流動時，物料中的水分隨產品氣體帶出爐外，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)下進行熱分解，導致焦油含量高。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物都要經過氧化區(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，致使引風機從爐柵下抽出可燃氣要耗費較大的功率；出爐的可燃氣中含有的灰分較多；出爐的可燃氣的溫度較高，須用水進行冷卻。第3頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月③橫吸式氣化爐

生物質原料由爐頂加入，灰分落入爐柵下部的灰室。氣化劑由側面進入，產出的氣體也由側面流出，氣流橫向通過氣化區(qū)，在氧化區(qū)、還原區(qū)進行的熱化學反應與下吸式氣化爐相同，只不過反應溫度較高，燃燒區(qū)溫度甚至會超過灰熔點，容易造成結渣。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，在爐內呈“沸騰”燃燒狀態(tài)，氣化反應速度快，生產能力大，氣化效率高。第4頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月氣化反應在床內進行，焦油也在床內裂解，氣固分離以后的炭不斷循環(huán)回反應爐內。使炭有足夠的時間在床內停留，以適應還原反應速度慢的需要。適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質物料。主要缺點產氣中灰分需要很好地凈化處理和部件磨損嚴重。第5頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月氣化當量比所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當量比只有在當量比為0.25～0.3時,即氣化反應所需氧僅為完全燃燒耗氧量的25％-30％，產出氣成分較理想。當生物質物料中水分較大或揮發(fā)分較小時應取上限，反之取下限。

第6頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、確定擬達到的主要技術指標小型家用氣化爐設計計算案例比如：(1)點火起動時間：<3min；(2)氣化爐運行穩(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)燃氣熱值：>6000kJ/N(6)產氣量：≥1.5/kg，可供農戶一天的炊事使用；(7)封火時間:≥12h第7頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月二、設計計算配風設計風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月原料品種燃氣成分%低位熱值（標準狀態(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構使用不同的物料所產生的生物質燃氣也會有較大的變化。使用中的生物質燃氣平均值進行設計計算。第9頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月四、氣化爐主要氣化參數的設計計算(1)初步擬定原料消耗量和氣化強度比如，一個四口之家每天用氣量大約在8～10m3

，用氣時間4h左右，消耗生物質原料10～12kg，因此，初步設計該戶用型上吸式氣化爐消耗的原料量C0=2.4kg/h；初步確定氣化強度為=70kg/(h)(2)確定氣化氣體的量生物質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=1.2，保證分配的二次通風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的擬定①氣化燃氣流量q空氣(氣化劑)中

含量79％左右，氣化生物質產生的燃氣中

含量一般在50％左右，考慮到

在該氣化反應中幾乎很少發(fā)生反應，據此，擬燃氣流量是氣化劑(空氣)流量的1.5倍，則可燃氣流量q為：=C0×V0×1.5=2.4×1.2272×1.5=4.4181(/h)②燃氣的低位發(fā)熱量

氣化燃氣的低位發(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、氣化爐的主要氣化參數的計算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氣化強度φ

=(C/C0)×φ0=(2.3448/2.4)×70=68.3888(kg/(m2h))③產氣率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、氣化爐主要結構參數的設計計算(1)爐膛的結構尺寸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氣化爐內筒的高度系數

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

為氣化爐內筒的高度系數。參考有關文獻和經驗，生物質原料氣化的收縮率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內筒高度h氣化爐加滿原料后，經過一段時間運行，原料耗盡，在不排灰的情況下，可再次加入原料繼續(xù)運行。這個過程理論上可進行無限多次，實際上只有開始幾次加料有實用價值。考慮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）送風口結構尺寸①一次風口的尺寸上吸式氣化爐一次風口，采用在爐膛壁上開小孔的設計方式。通過氣化原料氣化所需的空氣量

確定風口的尺寸，風口的幾何尺寸內徑

按下式計算：C-生物質原料的消耗量，kg/h；V-風口中空氣流速，m/s；V0-氣化所需空氣量，m3/kg；d1-風口直徑，m；N-風口個數第17頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月生物質氣化發(fā)電技術第18頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、生物質氣化技術發(fā)展二、生物質氣化分類三、生物質氣化指標及影響因素四、氣化發(fā)電工藝五、主要的氣化反應器六、生物質燃氣凈化第19頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月一、生物質氣化技術發(fā)展始于1883年，已有100多年的歷史，以木炭為原料，氣化后的燃氣驅動內燃機，為早期的汽車或農業(yè)排灌機械提供動力。鼎盛時期，第二次世界大戰(zhàn)期間，當時戰(zhàn)爭耗費了幾乎所有的燃油，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)動機配套的完整技術。第二次世界大戰(zhàn)后，長時期內陷于停頓狀態(tài)。中東地區(qū)油田的大規(guī)模開發(fā)使世界經濟的發(fā)展獲得了廉價優(yōu)質的能源。石油成為幾乎所有發(fā)達國家的主要能源20世紀70年代石油危機使生物質氣化技術重新得到了關注。第20頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月現狀：大型生物質氣化發(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：焦油處理技術燃氣輪機改造技術難度很高第21頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月生物質氣化分類按氣化介質分類氣體熱值高，高溫高壓、反映條件苛刻氣體熱值高吸熱反應，需要外部熱源第22頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月生物質氣化指標及影響因素1.比消耗量。定義：氣化1kg生物質所消耗氣化劑(如空氣、水蒸氣、氧氣)的量。如：空氣一般0.2-0.32.產品氣產率。氣化1kg原料所得到的氣體燃料在標準狀態(tài)下的體積稱為產品氣產率。3.碳轉化率。碳轉化率是指生物質燃料中的碳轉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。氣體產率，m3/kg燃氣中的體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。生物質氣化后生成的產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。5.氣化強度。單位時間內，氣化反應器單位橫截面上所能氣化的原料量稱為氣化強度，單位通常為kg／(m2h)。氣化指標的影響因素復雜的熱化學過程，受很多因宗的影響。影響氣化指標的因素取決于3個方面，即原料特性、氣化過程的操作條件和氣化反應器的構造。第24頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)生物質特性原料特性不但影響氣化指標．而日也決定氣化方法的選擇。生物質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。生物質特別是秸稈類生物質，固定碳在20％左右，而揮發(fā)分則高達70％左右。在較低溫度下，約400度就可全部揮發(fā)出來。

2)生物質碳反應性高。生物質碳在較低溫度下，以較快的速度與CO2及水蒸氣進行氣化反應。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。3)生物質灰分少。生物質灰分一般少于3％(稻殼等除外)。4)含硫量低。生物質臺硫量一般少于0．2％，不需要氣體脫硫裝置，降低了成本，又有利于環(huán)境保護。第25頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)原料的結渣性。反應性好的原料，可以在較低溫度下操作．氣化過程不易結渣，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．就可使反應性加強，反應時間減少1/2。第26頁，課件共39頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)氣化條件。反應溫度、反應壓力、物料特性、氣化設備結構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)流化床氣化的產氣能力可在較大范圍內波動，且氣化效率不會明顯降低。

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

(1)產出氣體的顯熱損失大。

(2)由于燃料顆粒細，流化速度較高，故產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、生物質燃氣凈化生物質燃氣含有各種各樣的雜質，保證后部氣化發(fā)電設備不會因雜質的存在而導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的復雜混合物美國NREL的Milne等在其對焦油的研究中曾給出了以下定義：任何有機材料在熱或部分氧化(氣化)作用下所產生的有機物，且通常認為其主要是較