生物质气化技术原理及应用分析
区域供热 2010.3期
前 言
生物质能是指由光合作用而产生的各种
有机体, 光合作用利用空气中的二氧化碳和
土壤中的水, 将吸收的太阳能转换为碳水化
合物和氧气。 生物质通常包括农业废弃物、木
材及森林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃
圾以及能源作物等几种类型。 生物质能具有
以下特点[1]:(1)属于可再生能源,可保证能源
的永续利用;(2)种类多而分布广,便于就地
利用,利用形式多样;(3)相关技术已经成熟,
可贮存性好;(4)节能、环保效果好。
1 生物质气化技术
1.1 生物质气化技术的原理
生物质气化是...
区域供热 2010.3期
前 言
生物质能是指由光合作用而产生的各种
有机体, 光合作用利用空气中的二氧化碳和
土壤中的水, 将吸收的太阳能转换为碳水化
合物和氧气。 生物质通常包括农业废弃物、木
材及森林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃
圾以及能源作物等几种类型。 生物质能具有
以下特点[1]:(1)属于可再生能源,可保证能源
的永续利用;(2)种类多而分布广,便于就地
利用,利用形式多样;(3)相关技术已经成熟,
可贮存性好;(4)节能、环保效果好。
1 生物质气化技术
1.1 生物质气化技术的原理
生物质气化是利用空气中的氧气或含氧
物作气化剂,在高温条件下将生物质燃料中的
可燃部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化
碳和甲烷) 的热化学反应。 20世纪 70 年代,
Ghaly [2]首次提出了将气化技术应用于生物质
这种含能密度低的燃料。生物质的挥发分含量
一般在 76%~86%[3],生物质受热后在相对较低
的温度下就能使大量的挥发分物质析出。几种
常见生物质燃料的工业
成分如表 1所示:
生物质气化技术原理及应用分析
福建省电力勘测
院 郑 昀
济南锅炉集团有限公司 邵 岩 李 斌
【摘 要】生物质能是一种理想的可再生能源。 由于分布广泛、有利于环保等特
点,因而越来越受到世界各国的关注。 生物质气化技术是利用生物质能的一种方式。
本文介绍了生物质气化技术的原理,生物质气化工艺及气化设备。目前应用较多的气
化技术是生物质气化供气和生物质气化发电技术。 文中提出了应用过程中存在的问
题,提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物质气化技术的发展方向。
【关键词】生物质 气化原理 气化技术应用
种类
工业分析成分
水分(%) 挥发分(%) 固定碳(%) 灰分(%) 低位热值(MJ/kg)
杂 草
豆 秸
稻 草
麦 秸
玉米秸
玉米芯
棉 秸
5.43
5.10
4.97
4.39
4.87
15.0
6.78
68.77
74.65
65.11
67.36
71.45
76.60
68.54
16.4
17.12
16.06
19.35
17.75
7.00
20.71
9.46
3.13
13.86
8.90
5.93
1.40
3.97
16.192
16.146
13.970
15.363
15.450
14.395
15.991
表 1 几种生物质的工业分析成分
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为了提供反应的热力学条件, 气化过程
需要供给空气或氧气,使原料发生部分燃烧。
尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气
中, 气化后的产物含有 H2、CO 及低分子的
CmHn等可燃性气体。 整个过程可分为:干燥、
热解、氧化和还原。
(1)干燥过程 生物质进入气化炉后,在
热量的作用下,析出表面水分。 在 200~300℃
时为主要干燥阶段。
(2)热解反应 当温度升高到 300℃以上
时开始进行热解反应。 在 300~400℃时,生物
质就可以释放出 70%左右的挥发组分, 而煤
要到 800℃才能释放出大约 30%的挥发分。热
解反应析出挥发分主要包括水蒸气、氢气、一
氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氢化合物。
(3) 氧化反应 热解的剩余木炭与引入
的空气发生反应, 同时释放大量的热以支持
生物干燥、热解和后续的还原反应,温度可达
到 1000~1200℃。
(4)还原过程 还原过程没有氧气存在,
氧化层中的燃烧产物及水蒸气与还原层中木
炭发生反应,生成氢气和一氧化碳等。 这些气
体和挥发分组成了可燃气体, 完成了固体生
物质向气体燃料的转化过程。
1.2 气化工艺
生物质气化有多种形式,如果按气化介质
可以分为使用气化介质和不使用气化两种,前
者又可以细分为空气气化、氧气气化、水蒸气
气化、氢气气化等,后者有热分解气化。不同气
化技术所得到的热值不同,因而应用领域也有
所不同[3]。 如表 2所示为不同气化工艺技术产
生可燃性气体的热值及其主要的用途。
气化技术 可燃气体热值(标准状态)(kJ/m3) 用途
空气气化
氧气气化
水蒸气气化
氢气气化
热分解气化
5440~7322
10878~18200
10920~18900
22260~26040
10878~15000
锅炉、干燥、动力
区域管网、合成燃料
区域管网、合成燃料
工艺热源、管网
燃料与发电、制造汽油与酒精的原料
表 2 不同气化工艺技术的用途
1.3 气化设备
气化炉是生物质气化反应的主要设备。
按气化炉的运行方式不同,可以分为固定床、
流化床和旋转床三种类型[4]。国内目前生物质
气化过程所采用的气化炉主要为固定床气化
炉和流化床气化炉。 固定床气化炉和流化床
气化炉又有多种不同的形式, 其各种类型如
图 1所示。
1.3.1 固定床气化炉[3][5]
固定床气化炉是一种传统的气化反应
炉,其运行温度大约为 1000℃。固定床气化炉
可以分为上吸式、下吸式和横吸式气化炉。
上吸式气化炉中, 生物质原料由炉顶加
入,气化剂由炉底部进气口加入,气体流动的
方向与燃料运动的方向相反, 向下流动的生
物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解、气
化。 其主要优点是产出气在经过裂解层和干
燥层时,将其携带的热量传递给物料,用于物
料的裂解和干燥,同时降低自身的温度,使炉
子的热效率提高,产出气体含灰量少。
下吸式气化炉中, 生物质由顶部的加料
口投入,气化剂可以在顶部加入,也可以在喉
图 1 生物质气化炉的分类
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部加入。气化剂与物料混合向下流动。该炉的
优点是,有效层高度几乎不变、气候强度高、
工作稳定性好、可以随时加料,而且气化气体
中焦油含量较少。 但是燃气中灰尘较多,出炉
温度较高。
横吸式气化炉中, 生物质原料由气化炉
顶部加入, 气化剂从位于炉身一定高度处进
入炉内,灰分落入炉栅下部的灰室。 燃气呈水
平流动,故称作横吸式气化炉。 该气化炉的燃
烧区温度可达到 2000℃,超过灰熔点,容易结
渣。 因此该炉只适用于含焦油和灰分不大于
5%的燃料,如无烟煤、焦炭和木炭等。
1.3.2 流化床气化炉
流化床燃烧技术是一种先进的燃烧技
术。 流化床气化炉的温度一般在 750~800℃。
这种气化炉适用于气化水分含量大、热值低、
着火困难的生物质物料, 但是原料要求相当
小的粒度,可大规模、高效的利用生物质能。
按照气固流动特性不同, 流化床气化炉分为
鼓泡床气化炉、循环流化床气化炉、双流化床
气化炉和携带床气化炉。
鼓泡床中气流速度相对较低,几乎没有固
体颗粒从中逸出。循环流化床气化炉中流化速
度相对较高,从床中带出的颗粒通过旋风分离
器收集后,重新送入炉内进行气化反应。
双流化床与循环流化床相似, 如图 2 所
示,不同的是第 I级反应器的流化介质在第 II
级反应器中加热。 在第 I 级反应器中进行裂
解反应,第 II级反应器中进行气化反应。双流
化床气化炉炭转化率较高。
携带床气化炉是流化床气化炉的一种特
例,其运行温度高达 1100~1300℃,产出气体
中焦油成分和冷凝物含量很低, 碳转化率可
以达到 100%。
2 生物质气化技术的应用
2.1 生物质气化供气
生物质气化供气技术是指气化炉产出的
生物质燃气,通过相应的配套装备,完成为居
民供应燃气的技术。 生物质气化供气系统工
艺流程如图 3所示。
生物质原料首先经过处理达到气化炉的
使用条件,然后由送料装置送入气化炉中,不
同类型的气化炉需要配备不同的送料装置。
所产生的可燃气体, 在净化器中除去灰尘和
焦油等杂质。 经过净化后的气体经过水封,由
鼓风机送入储气罐中, 水封相当于一个单向
阀,只允许燃气向储气罐中流动。 储气罐出口
的阻火器是一个重要的安全设备。 最后,燃气
通过燃气供应网统一输送给用户。
目前,生物质气化供气技术已经在山东、
辽宁、吉林、安徽等十几个省市推广开来,已
经成功气化的生物质包括玉米芯、玉米秸、棉
柴和麦秸等[4]。
2.2 生物质气化发电技术
生物质气化发电技术是目前研究与应用
最多、装备最为完善的技术。 目前,生物质气
化发电有三种方式:
(1) 作为蒸汽锅炉的燃料燃烧生产蒸汽
带动蒸汽轮机发电。 这种方式对气体要求不
是很严格,直接在锅炉内燃烧气化气。 气化气图 2 双循环流化床示意图
图 3 生物质气化供气系统工艺流程图
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经过旋风分离器除去杂质和灰分后即可使
用。 燃烧器在气体成分和热值有变化时,能够
保持稳定的燃烧状态,排放污染物较少。
(2)在燃气轮机内燃烧带动发电机发电。
这种方式对气体的压力有要求, 一般为 10~
30kg/cm2。 该种技术存在灰尘、杂质等污染问
题。
(3)在内燃机内燃烧带动发电机发电。 这
种方式应用广泛,效率高。 但是该种
对气
体要求极为严格, 气化气必须经过净化和冷
却处理。
大型的生物质气化发电系统均采用燃气
轮机发电机, 这是目前世界上最先进的生物
质发电技术。 该系统包括两种发电技术:整体
气化联合循环(IGCC)和整体气化热空气循环
(IGHAT)。
由于燃气轮机系统发电后排放的尾气温
度大于 500℃,所以增加余热锅炉和过热器产
生蒸汽,再利用蒸汽循环,可以有效提高发电
效率,这就是生物质整体气化联合循环,其发
电工艺流程如图 4所示。
该系统由物料预处理设备、气化设备、净
化设备、换热设备、燃气轮机、蒸汽轮机等发
电设备组成。 功率范围在 7~30MW,整体效率
可以达到 40%。
整体气化热空气循环(IGHAT)技术正处
于开发阶段,它和 IGCC的主要区别在于用一
个燃气轮机代替了后者的燃气轮机和汽轮
机。 由水蒸气和燃气的混合工质通过燃气轮
机输出有用功,其整体效率可以达到 60%,有
望成为 21世纪的新型发电技术。
3 生物质气化技术面临的问题及展望
生物质能在我国是仅次于煤炭、 石油和
天然气的第四种能源资源, 在能源系统中占
有重要地位。 当前,生物质气化技术在实际利
用过程中,还存在以下几个主要问题[1]:
(a) 生物质灰熔点低、 碱金属元素含量
高, 直接燃烧易结焦和产生高温碱金属元素
腐蚀;
(b)生物质气化时,渣与飞灰的含碳量较
高,气化效率低;
(c)燃气中焦油含量高,容易导致产生含
焦废水以及影响设备的正常运行;
(d) 目前气化发电机组的尾气余热回收
效果不好,造成整个系统效率较低。
所以,降低燃气中的飞灰和焦油含量、提
高系统效率和可靠性是今后利用生物质气化
技术的主要研究方向。 我国生物质能资源十
分丰富, 仅各类农业废弃物的资源每年即有
3.08×108 t 标准煤,薪柴资源量为 1.3×108 t 标
准煤。 第 15次世界能源大会将生物质气化技
术确定为优先开发的新能源技术之一。 目前,
我国已经建立了 500 个以上的生物质气化应
用工程,连续运行的经验表明,生物质气化技
术对处理大量的农作物废弃物、 减轻环境污
染、 提高人民生活水平等多方面都发挥着积
极的作用。
参考文献
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图 4 生物质整体气化联合循环工艺流程图
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