1、了解：生物质气化技术类型，生物质气化设备类型及各自的特点，生物质气化技术研究进展理解：生物质气化原理，生物质气化过程中的影响因素掌握：生物质气化的概念，生物质气化过程的基本参数及其作用，生物质燃气中的主要杂质成分及净化方法熟练掌握：上吸式和下吸式固定气化炉的工作原理，流化床气化炉的工作原理1 生物质气化的概念与特点1.1 生物质气化的概念生物质气化： 是在一定的热力学条件下，只提供有限氧的情况下使生物质发生不完全燃烧，生成CO、H2、低分子烃等可燃气体。生物质气化原料： 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。可燃气体成分组成 通过生物质气化过程
2、产生的气化气主要可燃成份为一氧化碳、氢气、乙烯、甲烷等，是一种干净、清洁的绿色能源。1 生物质气化的概念与特点原料原料气化气成分（气化气成分（%）低热值低热值CO2O2COH2CH4CmHnN2kJ/m3玉米芯玉米芯221.422.512.32.320.248.785.120玉米秸玉米秸131.621.412.21.870.249.684.809棉柴棉柴11.61.522.711.51.920.250.584.916稻草稻草13.51.71512.02.100.155.604.002麦秸麦秸141.717.68.51.360.156.743.664* *下吸式空气气化炉的气化气成分下吸式空气气
3、化炉的气化气成分可燃成份以可燃成份以CO和和H2为主，约占为主，约占2535%。N2约约50% 生物质气化气的主要用途生物质气化气的主要用途1）民用炊事与取暖）民用炊事与取暖 2）烘干谷物、木材、果品、炒茶等）烘干谷物、木材、果品、炒茶等 3）发电）发电 4）区域供热等）区域供热等1.1 生物质气化的概念1 生物质气化的概念与特点1.1 生物质气化的概念生物质气化的特点： 气化是将化学能的载体由固态转换为气态 气化反应中放出的热量则小得多 气化后的可燃气体再燃烧则可进一步释放出其具有的化学能 生物质转化为可燃气后，利用效率明显提高，用途更为广泛 系统复杂，生成的燃气相对其他主要气体燃料而言热值
4、较低，不便于储存运输，须有专门的用户或配套的利用设施。1 生物质气化的概念与特点1.2 气化与燃烧的差异 在原理上，气化与燃烧都是有机物与氧发生反应； 生物质燃烧:燃烧过程中提供充足的氧气，燃烧后的产物是CO2和水等不可再燃烧的烟气，放出大量的反应热。即燃烧主要是将原料的化学能转变为热能； 生物质气化：生物质气化时发生不完全反应，总体上是吸热反应，气化产物可进一步燃烧。 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程干燥层干燥层100250热解层热解层300500800还原层还原层900氧化层氧化层1200湿料湿料气体气体灰灰空气空气以上吸式固定床气化炉为例。以上吸式固定床气化炉为例。生物质
5、从上部加入，依次进入干燥层、生物质从上部加入，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 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 基本反应包括：固化燃料的干燥热分解反应还原反应氧化反应 四个过程， 相应的炉内分为：干燥区、热分解区、还原区、氧化区 四个区（层）燃料燃料准备区准备区气化区气化区生物质气化机理示意 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程
6、过程2.1 固体燃料的干燥2.1.1 干燥过程特点： 生物质原料被加热，析出吸附在生物质表面的水分。 在100150主要为干燥阶段，大部分水分在低于105条件下释出，此阶段过程进行比较缓慢。需要供给大量的热。 原料表面水分完全脱除之前，被加热的生物是温度是不上升的。 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程气化炉的最上层为干燥区。气化炉的最上层为干燥区。生物质的干燥生物质的干燥气气体体高温气流高温气流干燥层干燥层100250湿料湿料干干物物水水分分氧化层燃烧氧化层燃烧干燥区温度约为干燥区温度约为100250。湿料同来自下面三个反应区的湿料同来自下面三个反应区的热气体换热，蒸发水蒸气随着
7、热气体换热，蒸发水蒸气随着热气流上升排出气化炉，干物热气流上升排出气化炉，干物料落入裂解区。料落入裂解区。 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程秸秆受热后发生裂解反应，大部分的挥发分从固体中分离出去。秸秆受热后发生裂解反应，大部分的挥发分从固体中分离出去。裂解需要大量热量，温度降到裂解需要大量热量，温度降到400600。裂解反应方程式为：。裂解反应方程式为：CH1.4O0.6=0.64C+0.44H2+0.15H2O+0.17CO+0.13CO2+0.005CH4裂解区主要产物：裂解区主要产物：C、H2、H2O、CO、CO2、CH4、焦油和烃、焦油和烃类等类等。此后热气体上升到干燥
8、区，而炭则下降到还原区。此后热气体上升到干燥区，而炭则下降到还原区。2.2 热分解反应热分解反应 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 当温度达到160以上，高分子有机物开始发生吸热的不可逆热分解反应，随着温度进一步升高，分解进行愈加激烈。 生物质中含有较多氧。当温度升高到一定程度后，氧将参加反应而使温度迅速提高，从而加速完成热分解。生物质中的化学变化： 大分子的碳水化合物的链被打破 析出生物质中的挥发分 留下木炭构成进一步反应的床层。热分解反应产物： 复杂的混合气体和固态炭。混合气体中至少包括数百种碳氢化合物，有些可在常温下冷凝成焦油，不可凝气体可作为气体燃料使用，热值可达15M
9、J/m3。2.2.1 热分解反应的特点 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程2.2.1 热分解反应主要影响因素原料种类和加热条件是生物质热分解过程中的主要影响因素。原料种类的影响： 生物质中挥发组分高，在较低的温度下（300400）就可释放出70%左右的挥发组分，而煤到800才释放出约30%的挥发组分。温度的影响： 热分解速率随着温度的升高而加快，完成热分解反应所需时间随着温度升高呈线性下降。 试验显示，当温度为600时，完成时间约27s；而温度达900时只需9s左右。 足够的气相滞留期和较高的温度则会使二次反应在很大程度上发生，从而使最终的不可凝气体产量随着温度的升高而增加。 2
10、 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程2.3 还原反应 在还原区已没有O2存在，氧化反应中生成的CO2在该区同碳及水蒸汽发生还原反应，生成CO和H2 。由于还原反应是吸热反应，还原区的温度也相应降低，约为700900。 CO2还原的反应 C+ CO2 2CO； H-162.142KJ/mol l 是强烈的吸热反应，故温度愈高，CO2还原愈彻底。l 正向反应体积增加，故压力增大使CO平衡含量减少。l CO2在氧化器内与燃料的接触时间也影响其还原反应的彻底程度，高温下所需时间短。 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 水蒸汽还原的反应 CH2O(g) COH2；H-118.62
11、8KJ/mol C2H2O（g） CO22H2；H-75.114KJ/moll 吸热反应，温度增加有利于反应进行。温度较低不利于CO的生成，而有利于CO2的生成。l 温度高于800时，水蒸汽与碳的反应速率才有明显增加；温度低于700时，水蒸汽与碳的反应速率极为缓慢，400以下几乎不反应。甲烷生成反应l 生物质气化可燃气中的甲烷，一部分来源于生物质热分解和挥发分的二次裂解，另一部分来源于气化器中碳与可燃气中氢的反应、与气体产物的反应。 C2H2 CH4； H 752.400KJ/mol CO3H2 CH4 +H2O(g)； H 203.566KJ/mol CO4H2 CH4 + 2H2O(g)
12、； H 827.514KJ/moll 上述都是体积缩小的放热反应。l 常压下甲烷生成反应速率很低，高压有利于反应进行。 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程甲烷生成反应C2H2O（g） CH4 +CO2； H677.286KJ/moll 是强烈的放热反应。甲烷是稳定的化合物，但当温度高于600时甲烷将向分解方向进行，碳以碳黑的形式析出。甲烷的平衡含量随着温度的升高而减少。l 生物质气化反应总体是体积增大的反应。为增加产气中甲烷含量，宜采用较高气化压力和较低温度；反之，若想制取反应原料气，应降低甲烷含量，则可采用较低的气化压力和较高的
13、反应温度。 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程CO变换反应 COH2O（g） H2 +CO2； H-43.514KJ/moll 该式是制取以H2为主要成分的气体燃料的重要反应。也提供甲烷化反应所需的H2。l 当温度高于850时，此反应的正反应速度高于逆反应，有利于生成H2，通常要求反应温度高于900。l 该反应通常在气化器燃气出口温度下反应达到平衡，故决定了出口燃气的组成。 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程2.4 氧化反应l 由于碳与二氧化碳、水蒸汽之间的还原反应及物料的热分解都是吸热反应，为保持气化器内高温，通常采用经气化残留的碳与气化剂中的氧进行部分燃烧，并放
14、出热量。l 由于限氧燃烧，氧化反应包括完全燃烧和不完全燃烧，同时放出热量。氧化区温度可达10001200。l 2CO2 2CO ； H246.034KJ/molCO2 CO2 ； H408.177KJ/mol 2 2 生物质气化的反应生物质气化的反应过程过程气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸、低温干馏气体、炭黑。如焦油、醋酸、低温干馏气体、炭黑。 气化反应主要场所气化反应主要场所氧化区氧化区还原区还原区气化区气化区干燥区干燥区裂解区裂解区 干馏反应的主要场所干馏反应的主要场所燃料准备区燃料准备区热载体热载体气化过程要点气化过程要点 3
15、3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数（1）比消耗量；（2）气体产率；（3）气化效率；（4）热效率；（5）燃气质量（6） 碳转换率；（7） 气化强度（8）气化炉输出功率在评价生物质气化过程时，经常用到下列指标：比消耗量指气化系统中，单位生物质在气化过程所消耗的气化剂（空气、氧气、水蒸汽、CO2等)量。为对比各种气化方法，也以制造1m3（标准状态）可燃气或纯CO +H2为基准。是生物质气化站设计的一项重要技术经济指标。 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数（1）比消耗量 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数比消耗量相关因素： 与生物质种类有关。随着生物质
16、原料中固定碳含量的增加而增大； 与气化方法和操作条件有关。若空气气化时比消耗大，说明气化过程消耗的氧量多，反应温度升高，有利于气化反应的进行；但燃烧的生物质份额增加，产生的CO2量增加，使气体质量下降。水蒸汽气化时，通入的蒸汽量要能满足气化反应需要，还须够用来冷却氧化层，以控制气化反应温度低于灰分的熔点。蒸汽量由鼓风温度控制，它是鼓风温度下的饱和水蒸汽含量。 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数当量比：采用空气(氧气)气化时比消耗量与完全燃烧所需要的理论空气(氧气)量之比。是气化过程的重要控制参数。理论最佳当量比为0.28，由于原料与气化方式的不同，实际运行中，控制的最佳当量比
17、在0.250.30之间。为宜。此时燃气成分较好。原料水分大或挥发分低时应取上限，反之取下限。必要时应实验确定适宜的当量比。生物质完全燃烧理论空气量可根据元素分析计算：V= （1.866C+5.55H+0.7S+0.7O）0.211V为理论空气量(m3/kg) ；C为C元素含量%实际空气需要量：VL=V（2）气体产率 气体产率是指单位质量的原料气化后所产生气体燃料在标准状态下的体积。相关因素： 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数 与生物质种类有关 决定于原料中的水分、灰分及挥发分 惰性组分（灰分、水分）越少、可燃组分越高，则气体产率越高。气化效率指生物质气化后所得燃气热值与气化
18、原料的热值之比。是衡量气化过程的主要指标。00100bgvQQG式中式中:气化效率气化效率，%；Gv为为每千克原料产出的燃气量（标准状态），每千克原料产出的燃气量（标准状态），(m3/kg)，一般为，一般为2.02.2；Qg为为燃气（标准状态）低位热值，燃气（标准状态）低位热值，kJ/m3；Qb为为原料低位热值，原料低位热值，kJ/kg。国家行业标准规定国家行业标准规定 70%。国内固定床气化炉通常为。国内固定床气化炉通常为70%75%；流化床气化炉可达；流化床气化炉可达78%。 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数（3）气化效率 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基
19、本参数（4）热效率热效率为生成物的总热量与总耗热量之比。（5）燃气质量（燃气的组成和热值）气体燃料的组成通常用容积百分率或分压百分率表示。其中CO、H2、CH4、C2H4等为有效组分，N2为惰性组分，CO2、H2S等为杂质。气体热值是指单位体积气体燃料所包含的化学能。气体燃料低位热值简化计算公式为: Qg = 126CO + 108 H2 + 359 CH4 + 665 CnHm式中：Qg为气体的低位热值，KJ /m3（标准状态）； CO 、H2 、CH4 、CnHm分别为相应气体在气化气中所占的体积分数，%。 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数碳转换率是指生物质燃料中的转换
20、为气体燃料中的碳的份额，即气体中含碳量与原料中含碳量之比。是衡量气化效果的指标之一。式中：式中：c 碳碳转换率，转换率，%； Gv为为气体产率（标准状态），气体产率（标准状态），m3/kg； CO2 、CO 、CH4 、CnHm分别分别为相应气体在气化气中所占为相应气体在气化气中所占 的体的体积分数，积分数，%； WCHxOy生物质生物质原料的特征分子量。原料的特征分子量。vOCHHCCHCOCOCGWyxmn)5 . 2(1242（6）碳转化率 3 3 气化过程的几个基本参数气化过程的几个基本参数（7）气化强度指单位时间内单位反应炉截面积处理原料的能力。 单位时间处理原料量（kg/h） 反应
21、炉总截面积（m2）气化强度kg/ (m2 h) = （8）气化炉输出功率输出功率定义为单位时间产出的（燃气）热能。等于燃气产率与其热值之积。燃气产率m3/h 热值kJ/m3功率 =一般而言下流式固定床气化炉功率较小，其次为上流式固定床，流化床气化炉功率较大。 4 4 气化效果的影响因素气化效果的影响因素1）原料性质原料水分、挥发性、灰分、C/H比、密度、物料形态等。2) 反应温度：最重要的影响因素 温度对燃气成分影响很大，一般而言温度升高时，“CO2降低”，其他成分升高，反应时间缩短，燃气产量增大。但温度太高会增加原料氧化量，增加CO2，增加热损失，增加材料与设备成本。3） 进风强度进风量与传
22、质效果的主要影响：燃烧温度、还原、干燥、热解、焦油的高温裂解、燃气热值。 4）炉内物料高度干燥层高度影响因素：原料形态与水分。水多、块大，层高增加。热解层高度影响因素：原料形态、挥发性。氧化层高度影响因素：供热强度、燃烧性能、气化剂、进风方式1 1 气化技术气化技术采用不同生物质原料，使用不同的气化介质进行气化时，所产生的可燃气成分各不相同。以空气和水蒸汽同时作为气化剂生产生物质燃气的技术应用最广。现行的固定床生物质气化系统基本上都采用这种气化方式。（1）技术类型生物质气化不使用气化介质干馏气化固体炭固体炭木焦油木焦油木醋液木醋液气化气气化气使用介质气化空气气化氧气气化水蒸气气化水蒸气-氧气混
23、合气化氢气气化空气气化：空气气化：以空气为气化介质的自供热气化工艺系统。获得以以空气为气化介质的自供热气化工艺系统。获得以CO为主的为主的低热值燃气。低热值燃气。 惰性惰性N2全部保留，燃气热值较低（全部保留，燃气热值较低（5MJ/m3左右）左右）用于近距离燃烧或发电时，空气气化是最佳选择。我国目前使用用于近距离燃烧或发电时，空气气化是最佳选择。我国目前使用最多的气化方式。最多的气化方式。优点：优点：设备简单，能源自给设备简单，能源自给，缺点：缺点：热值低，存储、输送成本高，应用受限制热值低，存储、输送成本高，应用受限制（1）技术类型（1）技术类型氧气气化：氧气气化：氧气气化以氧气为气化介质的
24、气化过程。其过程原理与空气气化氧气气化以氧气为气化介质的气化过程。其过程原理与空气气化相同。相同。优点：优点：没有惰性氮气，在与空气气化相同的当量比下，反应温度提高，没有惰性氮气，在与空气气化相同的当量比下，反应温度提高，反应速率加快，设备容积减小，热效率提高，气体热值反应速率加快，设备容积减小，热效率提高，气体热值(约约10MJ/m3)提高一倍以上，热值与城市煤气相当。因此，可建立以提高一倍以上，热值与城市煤气相当。因此，可建立以生物质废弃物为原料的中小型生活供气系统，也可用作化工合成生物质废弃物为原料的中小型生活供气系统，也可用作化工合成燃料的原料。燃料的原料。 （1）技术类型水蒸气气化：
25、水蒸气气化：水蒸气气化是以水蒸气为气化介质水蒸气气化是以水蒸气为气化介质的气化工艺。它不仅包括水蒸气和的气化工艺。它不仅包括水蒸气和碳的还原反应，尚有碳的还原反应，尚有CO与水蒸气与水蒸气的变换反应。的变换反应。C + H2O(g) CO + H2 H = +118.628 kJ /mol需要外供热源。需要外供热源。H2CO2COCH4CnHm低热值20-2616-2328-4210-206-7%17-21 (MJ/m3)典型典型*的水蒸气气化的燃气组成（的水蒸气气化的燃气组成（V%） 螺旋进料器螺旋进料器料箱料箱燃气燃气示意图示意图气化炉气化炉H2O（1）技术类型空气（氧气）空气（氧气）-
26、-水蒸气气化：水蒸气气化：以空气（氧气）和水蒸气同时作为气化介质的气化过程。以空气（氧气）和水蒸气同时作为气化介质的气化过程。H2CO2COCH4CnHm低热值32%30%28%7.5%2.5%11.5 MJ/m3* 水蒸气与生物质比为水蒸气与生物质比为0.95典型典型*情况下，氧气情况下，氧气-水蒸气气化工艺的燃气成分（体积分数）水蒸气气化工艺的燃气成分（体积分数）自供热系统自供热系统特点：特点：部分氧来源于水蒸汽，减少了空气消耗量部分氧来源于水蒸汽，减少了空气消耗量H2与与CH4含量较高含量较高（1）技术类型氢气气化：氢气气化：是使氢气同碳及水发生反应生成大量甲烷，形成高热值燃气是使氢气同
27、碳及水发生反应生成大量甲烷，形成高热值燃气（22.326MJ/m3标准状态气）的工艺。标准状态气）的工艺。优点：优点：高质量气体燃料，用途广泛，效率高。高质量气体燃料，用途广泛，效率高。缺点：缺点：反应需在高温高压且具有氢源的条件下进行，条件苛反应需在高温高压且具有氢源的条件下进行，条件苛刻，实际应用很少。刻，实际应用很少。热分解气化：热分解气化：热解气化是将农作物秸秆在热解炉中进行隔绝空气干馏热解气化是将农作物秸秆在热解炉中进行隔绝空气干馏, 获得获得以以CH4、H2为主的中热值可燃气为主的中热值可燃气, 同时获得木炭和木焦油等产同时获得木炭和木焦油等产品。这种方法既不用氧气也不用外加热源，
28、气体热值可达到品。这种方法既不用氧气也不用外加热源，气体热值可达到10.7 MJ/m3以上。以上。(2)不同气化技术的产物及用途气化类型气化类型主要生成物主要生成物加解温度加解温度气化气热值气化气热值（kJ/m3）产物用途产物用途干干馏馏气气化化慢速热解慢速热解炭（炭（28%30%），），木焦油（木焦油（5%10%）,木醋液（木醋液（30%35%）,气化气（气化气（25%30%）低温（低温（600）,中温（中温（600900）,高温（高温（900）中热值中热值1087812552燃气，发电燃气，发电快速热解快速热解中热值中热值15000左右左右生产汽油与酒生产汽油与酒精精空气气化空气气化H2,
29、CH4 ,CO2，N2（50%左右）左右）自供热自供热,9001100低热值，低热值，41007500锅炉，干燥，锅炉，干燥，动力动力氧气气化氧气气化CO，H2,CH4中热值，中热值，1087818200燃气，燃气，化工合成原料化工合成原料水蒸汽气化水蒸汽气化H2（20%26%），），CO（28%42%），）， CO2（16%23%），），CH4（10%20%），），C2H2（2%4%），），C2H6（2%4%）吸热反应，需外吸热反应，需外供热源供热源中热值中热值1012018900燃气，燃气，合成燃料合成燃料水蒸汽水蒸汽-氧气氧气H2（32%），），CO（28%），）， CO2（30%），）
30、，CH4（7.5%），），CnHm（2.5%）自供热自供热800中热值中热值11500左右，左右，燃气，燃气，制氢制氢氢气气化氢气气化CH4高压、高温高压、高温高热值，高热值，2226026040工艺热源，工艺热源，管网管网（3）气化工艺流程）气化工艺流程主要工艺流程：经粗切碎后直接进入气化炉点燃分解，不需外热源。燃气经提纯、净化后送至贮气柜，再经管道送至用户。 上料机粉碎机气化反应炉除尘净化器储气柜气化气 净化气化气油尘灰分粉碎后的秸秆主支气管道入户管道秸秆2 气化设备固体生物质燃料气化时所应用的设备称为气化炉或气化器，它是生物质气化系统中的核心设备。生物质在气化炉内进行气化反应，生成可燃气
31、。气化炉分类：气化炉分类：按照气化炉内可燃气相对按照气化炉内可燃气相对于生物质物料的流动速度于生物质物料的流动速度和方向不同，气化炉可分和方向不同，气化炉可分为为固定床固定床气化炉和气化炉和流化床流化床气化炉，二者又都有多种气化炉，二者又都有多种不同形式。不同形式。气化炉分类气化炉分类 生物质气化炉固定床气化炉流化床气化炉鼓泡床气化炉循环流化床气化炉双流化床气化炉携带床气化炉 上流式气化炉 开心式气化炉 横流式气化炉 下流式气化炉 根据气流方向根据气流方向按气化炉按气化炉结构和结构和气化过程气化过程（一）固定床气化炉固定床气化炉中，气化反应是在一个相对静止的物料床层中进行，即物料相对于气流来说
32、是处于静止状态。固定床气化炉是一种传统的气化反应炉。按照气化介质的流动方向不同又分为：上流式（上流式）、下流式（下吸式）、横流式（横吸式）气化炉。(1)下流式固定床气化炉生成的可燃气体是通过炉栅向下流动被吸出的，故称为下流式（下吸式）气化器。灰室原料原料空气空气干燥区干燥区热解区热解区氧化区氧化区还原区还原区产出气产出气气化器下部炉栅以下是灰室，气化器下部炉栅以下是灰室，炉栅与内胆构成一个承托的容炉栅与内胆构成一个承托的容纳原料的炉膛。纳原料的炉膛。炉栅上部内胆直径减小的区域炉栅上部内胆直径减小的区域为喉管区，是气化反应区。为喉管区，是气化反应区。喉管区中部偏上位置布置有进喉管区中部偏上位置布
33、置有进风喷嘴，由气化系统后端的容风喷嘴，由气化系统后端的容积式风机的抽力来实现气化剂积式风机的抽力来实现气化剂供给，使气化器在微负压条件供给，使气化器在微负压条件下运行。下运行。主要由内胆外壁和灰室组成干燥层： 热解层：氧化层：还原层：工作原理结构原料自重下降，气体下吸脱水挥发、裂解、碳化、气化、液化。碳粒等燃烧供热，碳粒、CO2 、水等还原形成燃气。原料空气干燥层热解层氧化层还原层喉管区灰室(1)下流式固定床气化炉产出气体 最大特点是下吸流动方式。水蒸气、热解气、焦油等产物都经过氧化层与还原层，利于焦油分解为可燃气体，利于水参与反应形成CO、CH4、H2等有可燃成分 ，国内气化站大多用此炉型
34、。特点特点温度分布温度分布干燥层250热解层500-700氧化层1000-1200还原层700-900原料空气燃气燃气干燥层热解层氧化层还原层喉管区区灰室灰室1200800400 下流式固定床气化的几种生物质的燃气成分原料原料燃气成分燃气成分%CO2O2COH2CH4CnHmN2木材木材8-12 0.1-0.223.112-172.5-3.550.5-55.3新收麦秸新收麦秸13.30.215.414.83.20.153干燥粪便干燥粪便12.80.416.113.21.80.2155.49(1)下流式固定床气化炉 结构简单，有效层高度几乎不变，运行稳定性好。 负压操作可随时打开填料盖，操作方便
35、。 燃气焦油含量低（气体中焦油在通过下部高温区时部分被裂解，）（气体中焦油在通过下部高温区时部分被裂解，） 气流下行方向与热气流升力相反，使风机功耗增加；可燃气须经过灰层和储灰室吸出，灰分较高；气体经高温层流出，出炉温度较高。若用于发电或集中供气时须进行除灰或降温。需由缩小的喉口加强其燃烧速度，阻力较大，不便于设备的放大；因此不适于水分大、灰分高且易熔结的物料。缺点优点(1)下流式固定床气化炉(2)上流式固定床气化炉气化剂（空气或水蒸汽）由气化炉底部经过炉栅进入气化器的氧化层（燃烧）并逐渐上升，而气化产出的可燃气体通过气化器内的各个反应区后从气化器上部出气口排出，故称为上流式（上吸式）气化器。
36、气流流动方向与原料移动方向相反，故也称逆流式气化器。(2)上流式固定床气化炉上流式固定床气化炉工作原理生物质原料从气化炉上部的加料装置送入炉内，整个料层由炉膛下部的炉栅支撑。炉底。气化剂从炉底下部的送风口进入炉内，由炉栅缝隙均匀分布、并渗入料层底部区域的灰渣层，气化剂和灰渣进行热交换，气化剂被预热，灰渣被冷却。氧化层。气化剂随后上升至燃烧层，在燃烧层中和原料中炽热的炭发生氧化反应，放出大量的热量，可使炉内温度迅速上升到1000以上，这一部分热量可维持气化炉内的气化反应所需热量。还原层。气流接着上升到还原层，此时气流中已没有氧气存在，燃烧层生成的CO2遇到炽热的炭被还原成CO；气化剂中的水蒸气被
37、分解，生成H2和CO。此时进行的是吸热反应，使该区温度开始下降到700900。热分解层。还原区生成气体与气化剂中未反应部分一起继续上升，加热上部的原料层，使原料层发生热解，脱除挥发分，生成的木炭落入还原层。干燥层。混合气体还有很高的温度，它们继续上升，将刚入炉的原料预热和干燥脱水，并使可燃气体的温度降低到100300,然后进入气化炉上部，经气化炉气体出口排出。(2)上流式固定床气化炉(2)上流式固定床气化炉上流式气化炉特点 气化炉的热效率提高。燃气在经过热分解层和干燥层时将其携带的热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低自身温度； 热分解层和干燥层对燃气有一定的过滤作用，出炉燃气中灰分
38、含量少； 燃气中混有热分解析出的挥发物，发热量较高； 氧化层位于气化器最底部，氧气供应充足，使底部木炭充分燃烧； 气化燃气和热流同向，故工作时不必消耗很大的动力，启动容易； 炉栅由于受到进风的冷却，工作比较可靠。优点：(2)上流式固定床气化炉上流式气化炉特点 燃气出口和进料品的位置接近，为防止燃气泄漏，必须采取密封措施； 添料不方便； 户用炉（微型炉）一般采用间断式加料方式； 连续生产则需要专门的加料装置，而气闸叶片磨损后易导致密封不严漏气； 燃气中挥发性物质如焦油等含量较多宜不易净化。缺点：(2)上流式固定床气化炉上流式固定床气化炉的适用情况：原则上适用于各类生物质物料，特别适用于木材等堆积
39、密度较大的原料；可以使用较湿的物料，物料含水量可达50%，并对原料尺寸要求不高，但不适用于焦油含量高的物料；气化剂是通过炉栅空隙进入炉内的，气流流速较低，燃烧速度也低，不适于燃用不易燃烧的燃料。一般用于粗燃气无需冷却和净化就可直接使用的场合，可直接作为锅炉或加热炉的燃料，或向系统提供工艺热源。(3)横流式固定床气化炉空气由侧方向供给，产出气体由侧向流出。气流横向通过燃烧气化区。主要用于木炭气化，反应温度很高。 在南美洲应用广泛并投入商业运行。(3)横流式固定床气化炉原料原料燃气燃气空气空气 干燥层干燥层 热解层热解层氧化层氧化层 还原层还原层灰室灰室横流式固定床气化炉横流式固定床气化炉性能特点
40、：性能特点：结构紧凑，启动快，负结构紧凑，启动快，负荷适应能力强。荷适应能力强。燃料在炉内停留时间短，燃料在炉内停留时间短，且炉中还原层容积很小，且炉中还原层容积很小，影响燃气质量；影响燃气质量；炉中心温度可达炉中心温度可达20002000，超过了灰分的熔点，易超过了灰分的熔点，易造成结渣。造成结渣。(4)开心式固定床气化炉也称层式下吸式固定床气化炉。结构特点：同下流式气化炉相似，气流同物料一起向下流动，但是没有缩口，由中心向上搭起的转动炉栅代替了喉管区。由我国于50年代初研制的，主要用于稻壳气化，已投入商业运行多年。性能特点：性能特点：空气能均匀地进入反应层，使反应温空气能均匀地进入反应层，
41、使反应温度沿反应截面的径向分布一致，生产度沿反应截面的径向分布一致，生产强度高；强度高；气、固同向流动，有利于焦油裂解；气、固同向流动，有利于焦油裂解；结构简单，加料操作方便，而且运行结构简单，加料操作方便，而且运行可靠。可靠。（二）流化床气化炉在管形炉体下部装置一块多孔的水平分布板（布风板），颗粒状的流化介质和燃料堆放在板上，在吹入的气化剂作用下，带动固体像流体一样运动，使生物质物料在炉内呈沸腾状态，在高温下生成气体。基本概念流化床气化鼓风机鼓风机螺旋进料器螺旋进料器料箱料箱燃气燃气流化床气化炉流化床气化炉示意图示意图（二）流化床气化炉鼓风机鼓风机螺旋进料器螺旋进料器料箱料箱燃气燃气流化床气
42、化炉流化床气化炉床层：流化介质颗粒和燃料颗粒堆放在布风板上形成的固体层称为床层，简称为床。流态化：当流体流过固体颗粒层时，带动固体像流体一样运动，此现象称为流态化。（二）流化床气化炉流化床气化炉中，一般采用惰性热介质（沙子等），作为流化介质来增加传热效率；也可采用非惰性材料（石灰或催化剂），促进气化反应，也可不用气化介质。是惟一的在恒温床上反应的气化器。通过控制运行参数可使流化床床温保持在结渣温度以下，床层只要保持均匀流化就可使床层保持等温，这样可避免局部燃烧高温。流化床气化炉特点：（二）流化床气化炉原料适应性广。可用于水分含量大、热值低、着火困难的生物质原料。反应速度快，产气率高。物料颗粒、
43、流化介质和气化介质接触充分，受热均匀，氧化反应和焦油裂解都在床内进行；可大规模、高效利用。流化床气化炉良好的混合特性和较高的气固反应速率使其非常适合于大型的工业供气系统。（二）流化床气化炉（3）流化床气化过程：固定床阶段。首先通过外加热达到运行温度，床料吸收并贮存热量。流化床阶段。鼓入气化炉的适量空气经布风板均匀分布后将床料流化，床料的湍流流动和混合使整个床保持一个恒定的温度。流体输送阶段。当合适粒度的生物质燃料经供料装置加入到流化床中时，与高温床料迅速混合，在布风板以上的一定空间内激烈翻滚，在常压条件下迅速完成干燥、热解、燃烧及气化反应过程，使之在等温条件下实现了能量转化，从而生产出需要的燃
44、气。（二）流化床气化炉（4）类型按气化器结构和气化过程，可分为四种类型： 鼓泡流化床 循环流化床 双流化床 携带床流化床（二）流化床气化炉鼓泡流化床（沸腾床）：是最简单的流化床气化器。气化方式：生物质原料在分布板上部被直接输送到炽热沙床中热分解生成炭和挥发分。特点：大分子的挥发分在炽热的床层中会进一步裂解成小分子气体，生成的气化燃气中焦油含量少。气化燃气直接由气化器出口送入净化系统中。气化炉中气流速度相对较低，几乎没有固体颗粒从流化床中逸出。通过调节气化剂的比消耗量，流化床温度控制在800900左右。（二）流化床气化炉循环流化床：与鼓泡流化床的主要区别循环流化床气化炉中流动速度相对较高，使产出
45、的燃气中含有大量固体颗粒。结构特点：在气化燃气出口处设有旋风分离器，从流化床中携带出的颗粒在通过旋风分离器收集后重新送入炉内进行气化反应。（二）流化床气化炉鼓风机鼓风机螺旋进料器螺旋进料器料箱料箱燃气燃气循环流化床气化炉循环流化床气化炉示意图示意图 旋风分旋风分离器等离器等反应物中常掺有精选惰性砂粒等填料。反应物中常掺有精选惰性砂粒等填料。吹入气化剂使填料与原料充分接触、吹入气化剂使填料与原料充分接触、流化、燃烧、传热传质。流化、燃烧、传热传质。优点：动力学条件好，气化速度快、优点：动力学条件好，气化速度快、燃气得率高、焦油含量少。燃气得率高、焦油含量少。缺点：灰分高、设备复杂、投资大。缺点：
46、灰分高、设备复杂、投资大。（二）流化床气化炉循环流化床的技术特点：气化过程中流化速度由所供给的空气量保持。一般生物质气化所需的空气量是完全燃烧的20%30%。为保持较高的流化速度，一方面气化器相对截面不能太大，另一方面要求生物质颗粒的直径较小。循环流化床是目前商业化应用最多的流化床气化器。（二）流化床气化炉双流化气化床：分为两个组成部分：一部分是气化炉，另一部分是燃烧炉。气化炉中产出的燃气经分离后，沙子和炭粒流入燃烧炉中，在这里炭粒燃烧，将沙子加热，灼热的沙子再返回到气化炉中，以补充气化炉所需的热量。（二）流化床气化炉双流化气化床特点：双流化系统中燃烧和气化的过程分开进行，燃烧炉采用鼓泡床或循
47、环床，用空气鼓风，燃烧温度为900950；气化炉用蒸汽鼓风，运行温度为800850。系统的关键：双流化系统中，两床间有足够稳定的物料循环量以保证有足够连续的热量供气化吸热所需是该系统的关键，也是其技术难点。（二）流化床气化炉携带床气化炉：是流化床气化炉的一种特例。该床不使用惰性材料，提供的气化剂直接吹动生物质原料。携带床气化炉要求原料破碎成细小颗粒，其运行温度高达1100以上，产出气体中焦油成分及冷凝物含量很低，碳转化率可达100%。由于运行温度高易烧结，故携带床气化炉选材较难。固定床气化炉与流化床气化炉性能比较上流式上流式下流式下流式鼓泡流化床鼓泡流化床循环流化床循环流化床原料适应性原料适应
48、性适应不同形状适应不同形状尺寸原料、含尺寸原料、含水量在水量在15-45%间可稳定运行。间可稳定运行。大块原料不大块原料不经预处理可经预处理可直接使用。直接使用。 原料尺寸控制较严，原料尺寸控制较严，需预处理过程。需预处理过程。能适应不同种类的能适应不同种类的原料，但要求为细原料，但要求为细颗粒，原料需预处颗粒，原料需预处理过程。理过程。燃气特点燃气特点后处理过程后处理过程的简单性的简单性H2和和CnHm含含量少，量少，CO2含含量高，焦油含量高，焦油含量高，需要复量高，需要复杂净化处理。杂净化处理。H2含量增加。含量增加。焦油经高温焦油经高温区裂解，含区裂解，含量减少。量减少。与直径相同的固
49、定与直径相同的固定床比，产气量大床比，产气量大4倍，焦油较少，燃倍，焦油较少，燃气成分稳定，后处气成分稳定，后处理过程简单。理过程简单。焦油含量少焦油含量少, 产气量产气量大大,气体热值比固定气体热值比固定床气化炉高床气化炉高40%左左右。后处理简单。右。后处理简单。设备实用性设备实用性单炉生产能单炉生产能力力生产强度小。生产强度小。生产强度小。生产强度小。生产强度是固定床生产强度是固定床的的4倍，但受气流倍，但受气流速度的限制。速度的限制。生产强度是固定床生产强度是固定床的的8-10倍，流化床倍，流化床的的2倍，单位容积的倍，单位容积的生产能力最大。生产能力最大。结构复杂程结构复杂程度及制造
50、维度及制造维修费用修费用结构简单、加结构简单、加工制造容易工制造容易结构简单，结构简单，容易实现连容易实现连续加料。续加料。故障处理容易，维故障处理容易，维修费用低修费用低故障处理容易，维故障处理容易，维修费用低。修费用低。3 生物质气化过程中的影响因素生物质物料特性的影响 气化条件与工艺相同而物料特性不同，其气化产物也各有差异。不同生物质原料的热值、水分、挥发分、灰分以及元素组成各不相同，这些差异造成了气化产气结果的变化。 通过对物料含水率、粒度、料层厚度及物料种类等因素的调整，可得到不同的气化效果。 另外，原料的黏结性、结渣性、灰熔温度等对气化炉及过程影响较大，气化温度受其限制最为明显。3
