生物質(zhì)氣化(共11頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上生物質(zhì)氣化技術(shù)簡介1、生物質(zhì)能概述生物質(zhì)能源是綠色植物將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存在生物質(zhì)內(nèi)的能量，通常包括: 木材及森林工業(yè)廢棄物"農(nóng)業(yè)廢棄物"生活有機廢棄物"水生植物"油料植物等。世界能源消費中僅次于三大化石能源位列第四，占比達14%。據(jù)統(tǒng)計資料介紹，2009年，歐盟生物質(zhì)能源的消費量約占?xì)W盟能源消費總量的6%，美國的生物質(zhì)能源利用占全國能源消費總量的4%，瑞典為32%。我國是個農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源豐富，生物質(zhì)能占能源消耗總量的20%，農(nóng)村總能耗的65%以上為生物質(zhì)能，其中薪材消耗量約占總能耗的29%。生物質(zhì)能源是一種理想的可

2、再生能源，具有以下特點：(1)可再生性；(2)低污染性(生物質(zhì)硫含量、氮含量低，燃燒過程中產(chǎn)生的SO2、NO2較低，生物質(zhì)作為燃料時，二氧化碳凈排放量近似于零，可有效地減少溫室效應(yīng))；(3)廣泛的分布性。缺乏煤炭的地域可充分利用生物質(zhì)能。典型生物質(zhì)的密度為400900kg/m3，熱值為1760022600kJ/kg。表1分別是幾種典型生物質(zhì)燃料的元素分析和工業(yè)分析。表1 幾種典型生物質(zhì)燃料元素分析和工業(yè)分析生物質(zhì)能的研究開發(fā)，主要有物理轉(zhuǎn)換、化學(xué)轉(zhuǎn)換和生物轉(zhuǎn)換3大類。涉及到氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等技術(shù)。生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)及產(chǎn)品如圖1所示。圖1 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)及產(chǎn)品2 、生物質(zhì)氣化生物

3、質(zhì)氣化是一種熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，利用空氣、氧氣或水蒸氣作為氣化劑，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w的的過程。生物質(zhì)氣化可將低品位的固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成高品位的可燃?xì)怏w，可應(yīng)用于集中供氣、供熱、發(fā)電以及作為化成化工品和原料氣等。2.1 氣化原理（以上吸式固定床為例）圖2是上吸式固定床氣化爐的原理圖，生物質(zhì)從上部加入，氣化劑從底部吹入，生成的氣體從上部離開氣化爐。氣化爐中參加反應(yīng)的生物質(zhì)自上而下分為干燥層、熱分解層、還原層和氧化層。從上面加入的濕物料在干燥層同下面反應(yīng)層生成的熱氣體進行換熱變成干物料落入熱分解層，產(chǎn)生的水蒸氣排出氣化爐。干燥層溫度為100250。生物質(zhì)受到氧化層和還原層生成的熱氣體后發(fā)生裂解反應(yīng)，大

4、部分揮發(fā)分從固體中分離出去，由于裂解需要大量熱量，熱分解層溫度已降低到400600。裂解區(qū)產(chǎn)物為炭、氫氣、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油以及其他烴類物質(zhì)等，這些熱氣體繼續(xù)上升，而炭則進入下面還原區(qū)。圖2 上吸式氣化爐氣化原理還原層中沒有氧氣存在，在氧化層中生成的二氧化碳在這里同炭及水蒸氣發(fā)生還原反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣。主要方程式如下：由于還原反應(yīng)吸熱，還原區(qū)溫度也降低，為700900。還原區(qū)主要產(chǎn)物為一氧化碳、二氧化碳和氫氣。氣化劑由底部進入，在經(jīng)過灰渣層時與熱灰渣進行換熱，進入氧化層同熾熱的炭發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成二氧化碳和一氧化碳，同時放出熱量。溫度可達10001200，為整個氣化爐

5、提供熱源，熱載體是上升的氣體。2.2 氣化爐分類按使用的氣化劑的不同分類，生物質(zhì)氣化可分為干餾氣化（不使用氣化劑），空氣氣化，氧氣氣化，氫氣氣化，水蒸氣氣化和復(fù)合式氣化等。干餾氣化是在完全無氧或只提供極為有限氧的情況下進行的生物質(zhì)熱解氣化，其原理為生物質(zhì)揮發(fā)分在一定溫度作用下能夠揮發(fā)生成固體炭（2830%）、木焦油（510%）、木醋液（3035%）和生成氣（2530%）。干餾氣化需提供外部熱源以使干餾反應(yīng)得以連續(xù)進行，干餾氣化生成氣的熱值約為15000kJ/m3?？諝鈿饣療嶂递^低，大約5000kJ/Nm3，氧氣氣化生成氣熱值約為1200015000kJ/Nm3。水蒸氣氣化不僅包括水蒸氣和碳的還

6、原反應(yīng)，也包括CO與水蒸氣的變換反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)等。水蒸氣氣化一般不單獨使用，而是與氧氣（或富養(yǎng)空氣）氣化聯(lián)合采用。生成氣熱值可以達到1100019000kJ/m3。氫氣氣化是使氫氣與熾熱的炭及水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成大量甲烷的過程，熱值達2200026000kJ/m3。其反應(yīng)條件苛刻，需要氫氣做原料，故不常應(yīng)用。2.2.1 固定床氣化爐按設(shè)備運行方式分類，生物質(zhì)氣化爐可分為固定床、流化床和氣流床氣化爐。固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式、橫吸式和開心式，基本結(jié)構(gòu)和氣化反應(yīng)原理示意圖如圖3所示。圖3 固定床氣化爐基本結(jié)構(gòu)和氣化反應(yīng)示意圖固定床下吸式氣化爐（Downdraft fixed bed）的基本

7、結(jié)構(gòu)和氣化反應(yīng)示意圖如圖3A所示，生物質(zhì)原料從頂部加入，空氣從上部進入，向下經(jīng)過各反應(yīng)層，燃?xì)庥煞磻?yīng)層下部吸出。其最大的優(yōu)點是燃?xì)庵薪褂秃勘壬衔降驮S多，揮發(fā)分中的焦油在氧化層和還原層中得到一定程度的氧化和裂解。下吸式一般采用安裝在氣化爐系統(tǒng)下游的羅茨風(fēng)機或真空泵將空氣吸進氣化爐，氣化爐環(huán)境為微負(fù)壓，故加料口不需要嚴(yán)格密封即可實現(xiàn)連續(xù)進料，但同時導(dǎo)致爐膛下部連續(xù)出灰困難，需加專門出灰裝置或者停機出灰。最大缺點是爐排處于高溫區(qū)，容易粘連熔融的灰渣，壽命難以保證。固定床上吸式氣化爐（Updraft fixed bed）的基本結(jié)構(gòu)和氣化反應(yīng)示意圖如圖3B所示，優(yōu)點：出爐可燃?xì)鉁囟容^低，熱效率提高；

8、爐排受到進風(fēng)的冷卻，不易損壞；熱分解區(qū)和干燥區(qū)對可燃?xì)怏w有一定的過濾作用，出爐氣體灰分含量少。缺點：添料不便，必須采取專門的加料措施才可以實現(xiàn)連續(xù)加料，出爐氣體含揮發(fā)分物質(zhì)較多（以木材為原料氣化，氣體中焦油含量會高達20g/m3以上）。橫吸式固定床氣化爐（圖3C），生物質(zhì)原料從頂部加入，灰分落入下部的灰室。氣化劑從位于爐身一定高度處的單管風(fēng)嘴以高速送入爐內(nèi)，所產(chǎn)燃?xì)庥蓪γ鏍t柵處被吸到爐外。所用原料多為木炭，反應(yīng)溫度很高。開心式固定床氣化爐（圖3D）類似下吸式固定床氣化爐，不同的是其爐柵中間向上隆起，氣化原料多為稻殼，灰分較多。工作過程中爐柵繞它的中心垂直軸做水平的回轉(zhuǎn)運動，防止堵塞爐柵。2.2

9、.2 流化床氣化爐流化床氣化爐的反應(yīng)物料中?；煊猩白印㈤蠙焓榷栊圆牧?，在從爐體底部通入大壓力的氣化劑的作用下，物料顆粒、砂子、氣化劑接觸充分，在爐內(nèi)呈現(xiàn)沸騰、鼓泡等狀態(tài)。一般分為單流化床氣化爐，循環(huán)流化床氣化爐和雙流化床氣化爐等，基本結(jié)構(gòu)和工作過程示意圖見圖4。圖4 流化床氣化爐的基本結(jié)構(gòu)和工作示意圖單流化床氣化爐（Bubbling fluidised bed，BFB）的基本結(jié)構(gòu)和工作情況如圖4A所示，生物質(zhì)原料在分布板上部被輸送到熾熱砂床中熱分解生成炭和揮發(fā)分，氣化劑從底部氣體分布板吹入反應(yīng)器中，使在流化床上同生物質(zhì)熱分解產(chǎn)物徹底混合并進行氣化反應(yīng)。與固定床相比，流化床氣化的主要優(yōu)點是爐內(nèi)

10、混合好，故氣化效率和氣化強度都比較高；床層溫度不高且均勻，因此灰分熔融結(jié)渣的可能性低。它適合顆粒較大的生物質(zhì)原料，但存在飛灰和炭粒夾帶嚴(yán)重，運行費用大等問題，僅適合于大中型氣化系統(tǒng)。循環(huán)流化床氣化爐（Circulating fluidised bed, CFB），如圖4B所示，與單流化床氣化爐的主要區(qū)別在燃?xì)獬隹谠O(shè)有旋風(fēng)或者袋式分離器，將可燃?xì)鈹y帶的炭粒和砂子分離出來，返回氣化爐中再次參加氣化反應(yīng)。循環(huán)流化床氣化爐以空氣為氣化劑時的操作特性見表2。表2 循環(huán)流化床氣化爐以空氣為氣化劑時的操作特性與單流化床氣化相比，循環(huán)流化床的主要優(yōu)點是，操作氣速可以提高，故氣化效率和氣化強度可以進一步提高；可

11、以適用更小的物料粒徑，通常不需加流化熱載體，運行較簡單。缺點是回流系統(tǒng)控制困難，料腳容易發(fā)生下料困難，且在炭回流較少的情況下變成低速攜帶床。雙流化床氣化爐（Dual fluidised bed, Dual FB），又稱串聯(lián)流化床氣化爐，如圖4C所示，分為兩個組成部分，在氣化爐中生物質(zhì)原料發(fā)生氣化反應(yīng)，生成氣攜帶著炭顆粒和床層物料如砂子等進入分離裝置，分離后的炭顆粒和床層物料進入氧化爐，炭顆粒在氧化爐中進行氧化反應(yīng)，使床層溫度升高，高溫?zé)煔鈹y帶著床層物料進入分離裝置，分離的床層物料重新進入氣化爐，從而為生物質(zhì)氣化提供熱量。雙流化床氣化將氣化和燃燒過程分隔開，燃料不與空氣直接接觸，從而避免了氣化產(chǎn)

12、物被氮氣稀釋，提高氣化產(chǎn)物的品質(zhì)。其設(shè)計關(guān)鍵是控制好床層物料的加熱溫度和循環(huán)速度，難度主要在于必須要在兩床之間獲得一個穩(wěn)定的能量平衡操作范圍。熱解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w不會被燃燒產(chǎn)生的煙氣稀釋，燃?xì)鉄嶂悼蛇_1200015000kJ/m3。這種氣化爐尚處于實驗機理研究階段。2.2.3 氣流床氣化爐生物質(zhì)氣流床（Entrained flow, EF）氣化是指生物質(zhì)被粉碎成一定顆粒后，由惰性氣體攜帶輸送與氣化劑并流進入氣化爐，在大于1000條件下進行氣化反應(yīng),得到生物質(zhì)氣。該氣化方法具有氣流速度快、氣化強度和反應(yīng)溫度高、生產(chǎn)能力大及環(huán)保性能好等優(yōu)點。在國外，從事生物質(zhì)氣流床氣化技術(shù)研究的主要有荷蘭能源研究中

13、心(Energy research center of the Netherlands, ECN)、BTG(Biomass technology group)、德國Institufr Technische Chemie與科林公司(CHOREN)、瑞典皇家工學(xué)院(KTH)以及意大利UnivesitadiPisa等研究機構(gòu)。圖5 氣流床氣化爐示意圖國內(nèi)對生物質(zhì)氣流床氣化的研究剛剛起步，主要研究機構(gòu)有上海理工大學(xué)、華東理工大學(xué)和浙江大學(xué)等。2.2.4 等離子氣化爐常規(guī)氣化主要依靠燃料自身的部分放熱反應(yīng)來維持氣化爐反應(yīng)溫度，若進一步提高氣化溫度，則必須引入外熱源。等離子體電弧將電能轉(zhuǎn)化為熱能，能夠提供

14、高溫反應(yīng)環(huán)境，有利于高溫吸熱反應(yīng)發(fā)生，是一種高品味的外熱源。采用等離子體氣化，其核心溫度可達6000以上，爐內(nèi)平均溫度可達10001600，電子/化學(xué)反應(yīng)能力高，裂解徹底，可將有機物完全轉(zhuǎn)化成小分子合成氣，而無機物則可變成玻璃體的無害灰渣，基本原理如圖6所示。等離子體（Plasma）氣化技術(shù)的特點是能耗巨大，氣化規(guī)模大( 常規(guī)氣化通常小于200t/d，等離子體氣化能達1000t/d)，主要用于處理危險廢物和垃圾。圖6 等離子氣化原理示意圖3、生物質(zhì)氣化技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3.1、國外生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展概況生物質(zhì)氣化技術(shù)出現(xiàn)于18世紀(jì)，在二戰(zhàn)期間，特別自20世紀(jì)70年代爆發(fā)石油危機以后，生物質(zhì)能源

15、的開發(fā)和研究獲得了各國的重視。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐美等國的生物質(zhì)氣化技術(shù)取得了很大的成就，主要以流化床、氣流床以及等離子生物質(zhì)氣化爐為主，且普遍設(shè)備規(guī)模大，自動化程度高，工藝復(fù)雜，氣化效率可達6080%，可燃?xì)鉄嶂禐?700025000kJ/m3。主要以供熱、發(fā)電和合成液體燃料為主。國外主要生物質(zhì)氣化爐的容量以及首次運行時間如圖7所示。表3列出了國外部分生物質(zhì)氣化爐。表3 國外部分生物質(zhì)氣化爐應(yīng)用情況圖7 國外生物質(zhì)氣化爐的容量以及首次運行時間生物質(zhì)氣化領(lǐng)域處于領(lǐng)先世界水平的有瑞典、丹麥、奧地利、德國、美國和加拿大等。瑞典和丹麥正在實行利用生物質(zhì)進行熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃。美國在利用生物質(zhì)發(fā)電方面領(lǐng)先

16、全球?？傃b機容量達10500MW，70%為生物質(zhì)-煤混合燃燒氣化技術(shù)，單機容量30100MW，發(fā)電成本36美分/度。3.2、國內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展概況我國生物質(zhì)氣化研究始于20世紀(jì)80年代，自行研制的用于集中供氣、發(fā)電、供暖氣化爐等產(chǎn)品已進入實用化試驗及示范階段，形成了多個系列的氣化爐，國內(nèi)的典型生物質(zhì)氣化爐如表4所示。但其容量多是小型的，以固定床生物質(zhì)氣化爐為主，煤氣熱值低（一般為40005000kJ/m3），大容量的氣化設(shè)備仍處于實驗室研究階段。表4 國內(nèi)主要生物質(zhì)氣化爐匯總生物質(zhì)流態(tài)化氣化研究方面，國內(nèi)開始于90年代初。中國科學(xué)院廣州能源所從"六五" 開始承擔(dān)相關(guān)國家

17、研究課題，進行了許多循環(huán)流化床生物質(zhì)氣化的研究，并于2007年來建造了5.5MW生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范電站。山東省科學(xué)院能源研究所的發(fā)表關(guān)于雙流化床生物質(zhì)氣化爐試驗研究成果，搭建的冷態(tài)試驗系統(tǒng)：燃燒爐內(nèi)徑100mm，高5000mm；氣化爐內(nèi)徑211mm，高1900mm。東南大學(xué)建立了雙流化床生物質(zhì)氣化熱態(tài)試驗研究裝置。中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所于開發(fā)了內(nèi)循環(huán)錐形流化床氣化爐，并建立了多套生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)。浙江大學(xué)熱能工程研究所在2003年開始對雙流化床物料循環(huán)系統(tǒng)進行了較為初步的實驗研究，并于近年建立了1MW的雙流化床氣化裝置。河南能源所和沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)分別從國外引進了流態(tài)化試驗

18、設(shè)備，但均未能開展進一步的應(yīng)用研究。2001年遼寧能源研究所從意大利引進了方型流態(tài)化試驗設(shè)備，但是目前尚未開展研究工作。表5為國內(nèi)研究生物質(zhì)氣化的主要科研單位及其研究方向。表5 研究生物質(zhì)氣化的主要科研單位介紹單位知網(wǎng)文獻檢索主要研究方向中科院廣州能源所133條，16年上吸式氣化爐、下吸式氣化爐、循環(huán)流化床中國林科院南京林化所35條，15年下吸式氣化爐、錐形流化床遼寧省能源研究所28條，16年下吸式氣化爐、流化床山東省科學(xué)院能源研究所31條，16年固定床氣化爐、循環(huán)流化床東南大學(xué)51條，15年雙流化床南京工業(yè)大學(xué)21條，14年熱管式氣化爐華北電力大學(xué)112條，16年流化床、生物質(zhì)發(fā)電浙江大學(xué)5

19、6條，16年下吸式氣化爐、雙流化床華中科技大學(xué)78條，16年上吸式氣化爐、流化床天津大學(xué)34條，15年生物質(zhì)裂解、循環(huán)流化床華南理工大學(xué)24篇，14年流化床，下吸式氣化爐清華大學(xué)19條，15年流化床，下吸式氣化爐注：知網(wǎng)文獻檢索是以生物質(zhì)氣化和相關(guān)單位為關(guān)鍵詞在知網(wǎng)上檢索所得結(jié)果，第一個數(shù)字為搜索總條數(shù)，第二個為最近文獻的發(fā)表時間4、生物質(zhì)氣化相關(guān)單位和工程案例4.1、中國科學(xué)院廣州能源所20世紀(jì)90年代，中國科學(xué)院廣州能源所（Guangzhou institute of energy conversion, Chinese academy of science）進行循環(huán)流化床的研究，在生物質(zhì)

20、氣化發(fā)電技術(shù)研究、開發(fā)和商業(yè)化方面取得了不少成果和經(jīng)驗?！熬盼濉逼陂g進行了“1MW生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)”的研究，旨在開發(fā)適合中國國情的中型生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)。1998年第一臺循環(huán)流化床氣化裝置與內(nèi)燃機發(fā)電機組配套，出力1MW的稻殼氣化發(fā)電機組，在福建莆田華港米業(yè)公司的碾米廠成功運行?！笆濉逼陂g，“國家863計劃”在1MW的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)出46MW的生物質(zhì)氣化燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，在江蘇興化建成了示范工程，燃?xì)獍l(fā)電機單機功率為500kW，系統(tǒng)效率也提高到28，為生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化奠定了很好的基礎(chǔ)。中國科學(xué)院廣州能源研究所在生物質(zhì)流化床氣化發(fā)電方面做了大量的研究工

21、作并成功搭建了20多處MW級電站。有報道稱，目前廣州能源所在進行生物質(zhì)氣流床氣化技術(shù)的研究。圖8是部分工程案例圖片。圖8A混流式固定床氣化爐裝置；圖8B.江蘇興化5.5MW生物質(zhì)氣化蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，相關(guān)指標(biāo)，年發(fā)電量三千萬千瓦時，燃料耗量36000噸/年，原料為稻殼、稻桿、木屑、花生殼，系統(tǒng)凈發(fā)電效率2830%；圖8C福建莆田1MW谷殼氣化發(fā)電系統(tǒng)，1998年循環(huán)流化床氣化裝置與內(nèi)燃機發(fā)電機組配套的稻殼氣化發(fā)電機組在福建莆田華港米業(yè)公司的碾米廠成功運行；圖8D海南三亞1MW木粉氣化發(fā)電系統(tǒng)，1999年，以木材廠中的木材廢料作為燃料，通過氣化爐將其轉(zhuǎn)化成可燃?xì)?，凈化后送到?nèi)燃機進行發(fā)電，由5臺

22、200kW發(fā)電機組組成，每天消耗木屑30噸，年發(fā)電量554萬千瓦時。圖8 廣州能源所部分生物質(zhì)氣化工程案例4.2、中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所由林科院林產(chǎn)化工研究所主持完成的國家“十五”攻關(guān)課題“小型生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)系列化開發(fā)”(課題編號:200140303)中的"錐形流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)"科技成果通過鑒定，達到了國際先進水平。該技術(shù)產(chǎn)品生物質(zhì)燃?xì)饨?jīng)南京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所等單位檢測，各項指標(biāo)均符合/443-2001秸稈氣化供氣系統(tǒng)技術(shù)條件及驗收規(guī)范的要求。自2002年以來，在國內(nèi)成功實現(xiàn)了生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)在集中供氣、鍋爐供熱、燃?xì)獍l(fā)電等應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化，成套裝

23、備出口東南亞、非洲等9個國家獲得用戶好評。實際應(yīng)用案例：1、 安徽望江聯(lián)河米業(yè)400kw稻殼氣化發(fā)電機組，已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定運行12個月（06年10月文獻）。試驗數(shù)據(jù)表明，原料稻殼含水量14.2%，煤氣熱值5000度KJ/m3，系統(tǒng)效率15%。2、 安徽舒城友勇米業(yè)有限公司糧食加工廠建立了4683.84萬KJ/h稻殼流化床氣化供熱機組示范裝置，原料可用稻草、麥草等軟秸稈和稻殼等農(nóng)業(yè)剩余物，燃?xì)鉄嶂捣€(wěn)定輸出5200kJ/m3以上，最高達6000kJ/m3，焦油含量小于20mg/m3，已經(jīng)投入運行，原料稻殼含水量14.7%，。3、 江蘇太倉市建立可供200戶居民生活用氣的秸稈流化床氣化集中供氣機組，已穩(wěn)定運行3年時間（06年10月文獻