生物質(zhì)氣化技術ppt課件

1、Chapter7 生物質(zhì)氣化技術 7.1氣化的根本原理 7.2生物質(zhì)氣化設備 7.3生物質(zhì)燃氣 7.4秸桿氣化集中供氣系統(tǒng) 7.5生物質(zhì)氣化發(fā)電技術7.1 氣化的根本原理7.1.1 氣化原理為了方便描畫生物質(zhì)氣化過程，將結(jié)合生物質(zhì)下吸式爐的氣化過程圖7.1說明生物質(zhì)氣化的根本原理。圖7.1 生物質(zhì)氣化原理n1. 乾燥層n2. 熱解層乾餾層n3. 氧化層n 熱解的剩餘物木炭與被引入的空氣發(fā)生劇烈反應，同時釋放出大量的熱，以支持其他區(qū)域反應進行。氧化層的反應速率較快，高度較低。在氧化層，溫度可以達到10001200，揮發(fā)分參與燃燒後進一步降解。主要化學反應為nCO2CO2n2CO22COn2COO

2、22CO2n2H2O22H2On4. 還原層n 還原層中沒有氧氣存在，氧化層中的燃燒產(chǎn)物及水蒸氣與還原層中木炭發(fā)生還原反應，生成了氫氣和一氧化碳等。這些氣體和揮發(fā)分等構(gòu)成了可燃氣體，完成了固體生物質(zhì)向氣體燃料轉(zhuǎn)化的過程。因為還原反應為吸熱反應，溫度相應的降低到700900，所需的熱量由氧化層所提供，反應速率較慢，因此還原層的高度超過氧化層。主要化學反應為nCH2OCOH2nCCO22COnC2H2CH4 7.1 氣化的根本原理7.1.2 氣化過程的指標1. 氣體產(chǎn)率2. 氣化強度3. 氣化效率 又稱冷氣體熱效率，指單位質(zhì)量生物質(zhì)氣化所得到的燃氣在完全燃燒時放出的熱量與氣化運用的生物質(zhì)發(fā)熱量之比

3、，是衡量氣化過程的主要指標氣化效率(%) 33(kJ/m )(m /kg)(kJ/kg)燃氣熱值氣體產(chǎn)率生物質(zhì)發(fā)熱量7.1 氣化的根本原理n4. 熱效率n5. 燃氣熱值n 燃氣的熱值可用氣體燃料量熱計測定。由於氣體燃料是由假設干可燃和不可燃氣體混合而成，這些可燃氣體的 已由試驗精確測定參見表7.1，因此假設知氣體燃料的體積成分ri，可用以下公式進行計算DW,iQDWDW,iiQrQ=7.1 氣化的根本原理7.1.3 氣化的分類對於生物質(zhì)氣化過程的分類有多種方式。假設按照製取燃氣熱值的不同可分為：製取低熱值燃氣方法燃氣熱值低於8374kJ/m3，製取中熱值燃氣方法燃氣熱值為1674733494k

4、J/m3，製取高熱值燃氣方法燃氣熱值高於33494kJ/m3；假設按照設備的運行方式的不同，可以將其分為固定床、流化床和旋轉(zhuǎn)床。假設按照氣化劑的不同，可以將其分為乾餾氣化、空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、水蒸氣空氣氣化和氫氣氣化等，如圖7.2所示。7.1 氣化的根本原理圖7.2 生物質(zhì)氣化技術的分類7.1 氣化的根本原理氣體名稱低位發(fā)熱量氣體名稱低位發(fā)熱量kJ/kgkJ/m3kJ/kgkJ/m3氫氣一氧化碳甲烷乙烷12003610111500494752010743126363570963581丙烷乙烯丙烯乙炔64886471944581291029594698640756451表 7.1各種

5、氣體的低位發(fā)熱量25 7.2 生物質(zhì)氣化設備n生物質(zhì)氣化反應發(fā)生在氣化爐中，是氣化反應的主要設備。在氣化爐中，生物質(zhì)完成了氣化反應過程並轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)燃氣。針對其運行方式的不同，可將氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化爐，而固定床氣化爐和流化床氣化爐又分別具有多種不同的方式，如圖7.3所示。 7.2 生物質(zhì)氣化設備圖7.3 生物質(zhì)氣化爐的分類7.2 生物質(zhì)氣化設備7.2.1 固定床氣化爐 固定床氣化爐的氣化反應普通發(fā)生在相對靜止的床層中進行，生物質(zhì)依次完成乾燥、熱解、氧化和還原反應。根據(jù)氣流運動方向的不同，固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式和橫吸式。1. 上吸式固定床氣化爐見圖7.4(a2. 下吸式

6、固定床氣化爐見圖7.4(b3. 橫吸式固定床氣化爐圖7.4 固定床氣化爐原理表示圖圖7.5 下吸式固定床氣化爐結(jié)構(gòu)表示圖圖7.6 橫吸式固定床氣化爐任務原理表示圖7.2 生物質(zhì)氣化設備7.2.2 流化床氣化爐流化床氣化爐可分鼓泡床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐、雙床氣化爐和攜帶床氣化爐。n1. 鼓泡床氣化爐圖7.7n2. 循環(huán)流化床氣化爐 圖7.8n3. 雙床氣化爐 圖7.97.2 生物質(zhì)氣化設備n4. 攜帶床氣化爐特性上吸式固定床下吸式固定床鼓泡流化床循環(huán)流化床原料適應性適用不同形狀尺寸原料，含水率15%45%大塊原料不經(jīng)預處理可直接使用原料尺寸要求較為嚴格10mm適應不同種類原料，要求細顆粒燃氣

7、特性焦油含量高，需要複雜浄化處理焦油經(jīng)高溫區(qū)裂解，含量少焦油含量較少，燃氣成分穩(wěn)定焦油含量少，產(chǎn)氣量大，氣體熱值高設備特點結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單氣流速度受到限制單位容積的生產(chǎn)能力最大表7.27.3 生物質(zhì)燃氣7.3.1 生物質(zhì)燃氣特性生物質(zhì)燃氣是由假設干可燃氣體、不可燃成分以及水蒸氣組成的混合氣體。與固體生物質(zhì)相比，易於運輸和儲存，提高了燃料的品質(zhì)。不同氣化技術可燃氣熱值的區(qū)別見表7.3，空氣氣化下吸式氣化爐的燃氣成分見表7.4。7.3 生物質(zhì)燃氣類型下吸式上吸式橫吸式鼓泡床循環(huán)床雙流床攜帶床空氣氧氣蒸汽注：為低熱值氣體；為中熱值氣體。表7.3 不同氣化技術可燃氣熱值的區(qū)別7.3 生物質(zhì)燃氣原料種類

8、CO2/%O2/%CO/%H2/%CH4/%CmHn/%N2/%低位熱值/(kJ/m3)玉米芯玉米桿棉柴稻草麥桿12.513.011.613.514.01.41.61.51.71.722.521.422.715.017.612.312.211.512.08.52.321.871.922.11.360.20.20.20.10.148.7849.6850.5855.6056.745120.04808.84915.54001.83663.6表7.4 空氣氣化下吸式氣化爐的燃氣成分(按體積計)7.3 生物質(zhì)燃氣n1. 燃氣的分子量n 單質(zhì)或化合物的分子量等於這個分子的一切原子量的總和。生物質(zhì)燃氣是由多

9、種氣體組成的混合物，其分子量可由下式進行計算n式中xi-燃氣中各組成氣體的體積百分數(shù)，%；nmi-燃氣中各組成氣體的分子量見表7.5。7.3 生物質(zhì)燃氣名稱分子量名稱分子量氫氣氧氣二氧化碳乙烯2.01631.99944.0128.054氮氣一氧化碳甲烷水蒸氣28.01328.01916.04318.015表7.5 燃氣中組成氣體的分子量7.3 生物質(zhì)燃氣n2. 燃氣密度和相對密度n 燃氣的密度是指單位體積燃氣的質(zhì)量，普通是指在標準狀態(tài)下溫度為0，壓力為1標準大氣壓的狀態(tài)的密度，可按下式計算n式中 -生物質(zhì)燃氣在標準下的密度，kg/m3；n xi-燃氣中各組成氣體的體積百分數(shù)，%；n -燃氣中各

10、組成氣體在標準狀態(tài)下的密度見表7.6，kg/m3。00100iix=00i7.3 生物質(zhì)燃氣名稱密度/（kg/m3）名稱密度/（kg/m3）氫氣氧氣二氧化碳乙烯0.0901.4291.9771.261氮氣一氧化碳甲烷水蒸氣1.2501.2510.7171.293表7.6 燃氣中各組成氣體在標準狀態(tài)下的密度7.3 生物質(zhì)燃氣n3.理論空氣量n 與固體燃料不同，燃氣的理論空氣量普通用單位標準體積來表示，單位為m3/m3。對知組分的混合可燃氣體，可按下式計算n式中，H2、CO、CnHm、H2S和O2分別為燃氣中各成分的體積含量，%。n以玉米結(jié)桿為例，其燃氣在標準狀態(tài)下所需的理論空氣量為0.955 m

11、3/m3。7.3 生物質(zhì)燃氣n4. 華白指數(shù)n 華白指數(shù)是代表燃氣特性的一個參數(shù)。在燃氣工程中，對於不同類型的燃氣互換時，需求考慮衡量熱流量大小的特性指數(shù)?？砂聪率接嬎鉵式中WS-華白指數(shù)； QGW-在標準狀態(tài)下乾基的高位發(fā)熱量，kJ/m3； S-燃氣的相對密度。GWSQWS=7.3 生物質(zhì)燃氣n5. 爆炸極限範圍n 氣體燃料中某些氣體成分，當它與空氣達到一定的混合比例時，就能夠達到爆炸極限範圍，表7.7給出了一些氣體與空氣混合後的爆炸濃度範圍。7.3 生物質(zhì)燃氣氣體爆炸濃度範圍/%氣體爆炸濃度範圍/%甲烷2.515一氧化碳12.580乙烷2.515乙烯2.7535氫氣480硫化氫4.245.

12、5表7.7 一些氣體與空氣混合後的爆炸濃度範圍7.3 生物質(zhì)燃氣n6. 對人的毒性n 在氣體燃料中有能夠含有H2S、HCN、CO、SO2、NH3和C6H6等有毒成分，當其超過毒性極限時能夠會使人致死，在運用含有這些成分的燃氣時必須留意這一問題，表7.8給出了一些氣體的毒性極限。7.3 生物質(zhì)燃氣氣體短時間內(nèi)致死的極限濃度/%3060min有危險的濃度/%60min內(nèi)無嚴重危險的濃度/%長時間可允許的最高濃度/%硫化氫0.10.20.050.070.020.030.010.015氫氰酸0.30.0120.0150.00050.0060.00020.0034二氧化硫0.30.040.050.005

13、0.020.001一氧化碳0.51.00.20.30.050.100.04表7.8 一些氣體的毒性極限7.3 生物質(zhì)燃氣 生物質(zhì)燃氣與幾種氣體燃料的特性對比可參見表7.9和表7.10。從表中可以看出生物質(zhì)燃氣在理化及燃燒特性上與其他氣體燃料相比有較大的不同，如生物質(zhì)燃氣的氮含量較高、熱值較低以及需求的理論空氣量較少等。 7.3 生物質(zhì)燃氣名稱CO2/%O2/%CO/%H2/%CH4/%CmHn/%N2/%H2S/%低位熱值/(kJ/m3)天然氣0.297.90.11.835100焦爐煤氣2.30.86.857.522.50.97.80.416600水煤氣6.50.237.050.00.55.5

14、0.310300發(fā)生爐煤氣5.00.226.513.52.30.351.90.35870高爐煤氣10.228.02.70.358.50.34000液化石油氣100.0109000生物質(zhì)燃氣12.01.420.012.52.30.251.64818表7.9 幾種氣體燃料的成分(按體積計)7.3 生物質(zhì)燃氣n焦爐煤氣是煉焦時的副產(chǎn)品，1t煤在煉焦過程中大約可得到730780kg焦炭，2545kg焦油及300350m3焦爐煤氣。n水煤氣是以水蒸氣為氣化劑，煤發(fā)生氣化反應產(chǎn)生的煤氣，屬於吸熱反應。生產(chǎn)設備和工藝複雜，主要作為化工原料運用。n發(fā)生爐煤氣普通指以空氣和水蒸氣為氣化劑，煤發(fā)生氣化反應產(chǎn)生的煤

15、氣。製氣工藝比較簡單，投資少，得到了廣泛的應用。n高爐煤氣是煉鐵時的副產(chǎn)品，在高爐中通常每耗費1t焦炭約可產(chǎn)生38004000m3高爐煤氣。n液化石油氣是一種在石油煉製過程中的副產(chǎn)品，其主要成分為丙烷、丙烯、丁烷和丁烯等輕烴類，在常溫下加壓約1.6MPa液化而儲存於高壓罐內(nèi)，經(jīng)減壓轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)後運用。既是一種優(yōu)質(zhì)的工業(yè)及民用燃料，也是一種重要化工原料。 7.3 生物質(zhì)燃氣名稱密度/（kg/m3）相對密度低位熱值/（kJ/m3）華白數(shù)理論空氣量爆炸範圍相對分子量天然氣0.7430.575036442532829.6415.05.016.654混合煤氣0.6700.517813858214183.1

16、842.66.114.997發(fā)生爐煤氣1.1620.89925744633227.3767.521.552.651液化石油氣2.3501.81801137308747527.379.01.952.651生物質(zhì)燃氣1.1830.915481853960.95580.416.926.465表7.10 生物質(zhì)燃氣與幾種氣體燃料的特性對比(標準狀態(tài)下)7.3 生物質(zhì)燃氣n7.3.2生物質(zhì)燃氣的淨化n 氣化爐中出來的可燃氣稱為粗燃氣中含有一定的雜質(zhì)，不能直接運用。假設不經(jīng)處理就直接應用的話，會影響用氣設備正常運轉(zhuǎn)，所以需對粗燃氣作進一步的淨化處理，使之符合有關燃氣質(zhì)量標準。粗燃氣中雜質(zhì)是複雜和多樣的，普

17、通可分為固體雜質(zhì)和液體雜質(zhì)兩大類。固體雜質(zhì)中包括灰分和細小的炭顆粒，液體雜質(zhì)則包括焦油和水分。粗燃氣中各種雜質(zhì)的特性見表7.11。7.3 生物質(zhì)燃氣雜質(zhì)種類典型成分來源可能引起的問題固體顆?；曳帧⑻款w粒未燃盡的炭顆粒、飛灰設備磨損、堵塞焦油苯的衍生物及多環(huán)芳烴生物質(zhì)熱解的產(chǎn)物堵塞輸氣管道及閥門，腐蝕金屬鹼金屬鈉和鉀等化合物農(nóng)作物結(jié)桿腐蝕、結(jié)渣氮化物NH3和HCN燃料中含有的氮形成NOx硫和氯HCl和H2S燃料中含有的硫和氯腐蝕以及污染環(huán)境水分H2O生物質(zhì)乾燥及反應產(chǎn)物降低熱值，影響燃氣的使用表7.11 粗燃氣中各種雜質(zhì)的特性7.3 生物質(zhì)燃氣n去除生物質(zhì)燃氣中焦油的主要技術有水洗、過濾、靜電除

18、焦和催化裂解。n1. 水洗n2. 過濾n3. 靜電除焦n4. 催化裂解：催化劑多採用木炭、白雲(yún)石和鎳基催化劑，它們的主要性能參見表7.12。7.3 生物質(zhì)燃氣名稱反應溫度/接觸時間/s轉(zhuǎn)化效率/%特點鎳基催化劑750約1.097反應溫度低，轉(zhuǎn)化效果好，成本高木炭800900約0.5約0.59199.5木炭為氣化自身產(chǎn)物，成本低；隨反應進行，木炭減少白雲(yún)石800900約0.5約0.59599.8轉(zhuǎn)化效率高，材料分佈廣泛表7.12 幾種催化劑的主要性能7.3 生物質(zhì)燃氣7.3.3生物質(zhì)燃氣主要用途生物質(zhì)燃氣的用途主要分為以下幾個方面。1. 提供熱量2. 集中供氣3. 氣化發(fā)電4. 化工原料氣通過生

19、物質(zhì)氣化得到的合成氣可用來製造一系列的石油化工產(chǎn)品，包括甲醇、二甲醚及氨等，見圖7.10。7.3 生物質(zhì)燃氣圖7.10 生物質(zhì)合成氣的主要產(chǎn)品表示圖7.4 結(jié)桿氣化集中供氣系統(tǒng)n生物質(zhì)燃氣是一種高品質(zhì)的能源，可以暫時儲存起來，需求運用時才透過輸氣管網(wǎng)送至最終用戶。 n7.4.1 集中供氣系統(tǒng)n集中供氣系統(tǒng)中包括原料前處理切碎機、上料裝置、氣化爐、淨化裝置、風機、儲氣櫃、平安裝置、管網(wǎng)和用戶燃氣系統(tǒng)等設備，結(jié)桿氣化集中供氣系統(tǒng)如圖7.11所示。圖7.11 結(jié)桿氣化集中供氣系統(tǒng)表示圖7.4 結(jié)桿氣化集中供氣系統(tǒng)7.4.2 典型應用實例 1.工程技術路線 圖7.12XFF系列固定床氣化集中供氣系統(tǒng)工

20、藝流程表示圖 7.4 結(jié)桿氣化集中供氣系統(tǒng)n2. 技術指標 機組型號XFF-1000XFF-2000機組型號XFF-1000XFF-2000輸出功率/（MJ/h）10002000氣化效率/%7272產(chǎn)氣量/（m3/h）200400氣體焦油含量/（mg/m3）2020燃氣熱值/（kJ/m3）50005000用戶數(shù)量100130130250表7.13XFF系列固定床氣化集中供氣系統(tǒng)技術指標 7.4 結(jié)桿氣化集中供氣系統(tǒng)7.4.3 經(jīng)濟效益評價 系統(tǒng)選用XFF-2000型氣化機組和250m3容積的儲氣櫃。200戶系統(tǒng)初投資和年運行費用分別見表7.14和表7.15。 供氣系統(tǒng)初投資估算值/萬元所占證比

21、例/%土地費0.841.8土建費6.4014.4機組設備及安裝11.325.4儲氣櫃1227.0表7.14200戶規(guī)模集中供氣系統(tǒng)初投資1997年價 7.4 結(jié)桿氣化集中供氣系統(tǒng)供氣系統(tǒng)初投資估算值/萬元所占證比例/%管網(wǎng)及附件7.6217.1戶內(nèi)設備4.710.6其他1.653.7合計44.51100平均每戶投資0.223表7.14200戶規(guī)模集中供氣系統(tǒng)初投資1997年價續(xù) 7.4 結(jié)桿氣化集中供氣系統(tǒng)項目數(shù)值項目數(shù)值年產(chǎn)氣量/km3365年原料費/萬元1.10年人工費/萬元1.46年運行費合計/萬元2.93年動力費/萬元0.37表7.15200戶規(guī)模集中供氣系統(tǒng)年運行費用1997年價 7

22、.4 結(jié)桿氣化集中供氣系統(tǒng)7.4.4 運用時應留意的問題生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)在運用時，應留意以下幾個問題。1.防止一氧化碳中毒2.二次污染問題3.減少燃氣中的焦油含量7.5 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術n生物質(zhì)氣化發(fā)電技術是生物質(zhì)清潔能源利用的一種方式，幾乎不排放任何有害氣體。生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)從發(fā)電規(guī)?？梢苑譃樾∫?guī)模、中等規(guī)模和大型規(guī)模等三種，見表7.16。 7.5 生物質(zhì)氣化發(fā)電技術性能參數(shù)小規(guī)模中等規(guī)模大型規(guī)模裝機容量/kW20050030005000氣化技術固定床、流化床常壓流化床常壓流化床、高壓流化床和雙床氣化爐發(fā)電技術內(nèi)燃機、微型燃氣輪機內(nèi)燃機整體氣化聯(lián)合循環(huán)、系統(tǒng)發(fā)電效率/%11141520熱空氣氣輪機循環(huán)主要用途適用於缺電且生物質(zhì)豐富地區(qū)的照明或驅(qū)動小型電機適用於山區(qū)、農(nóng)場、林場的照明或小型工業(yè)用電3545電廠、熱電聯(lián)產(chǎn)表