生物质气化技术课件.ppt

結束放映生物质气化技术课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望結束放映7.1 氣化的基本原理7.1.1 氣化原理n為了方便描述生物質氣化過程，將結合生物質下吸式爐的氣化過程（圖7.1）說明生物質氣化的基本原理。結束放映圖7.1 生物質氣化原理結束放映n1.乾燥層n2.熱解層（乾餾層）n3.氧化層 熱解的剩餘物木炭與被引入的空氣發生劇烈反應，同時釋放出大量的熱，以支持其他區域反應進行。氧化層的反應速率較快，高度較低。在氧化層，温度可以達到10001200，揮發分參與燃燒後進一步降解。主要化學反應為CO2CO22CO22CO2COO22CO22H2O22H2O結束放映n4.還原層 還原層中沒有氧氣存在，氧化層中的燃燒產物及水蒸氣與還原層中木炭發生還原反應，生成了氫氣和一氧化碳等。這些氣體和揮發分等形成了可燃氣體，完成了固體生物質向氣體燃料轉化的過程。因為還原反應為吸熱反應，温度相應的降低到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CH2OCOH2CCO22COC2H2CH4 結束放映7.1 氣化的基本原理7.1.2 氣化過程的指標n1.氣體產率n2.氣化强度n3.氣化效率 又稱冷氣體熱效率，指單位質量生物質氣化所得到的燃氣在完全燃燒時放出的熱量與氣化使用的生物質發熱量之比，是衡量氣化過程的主要指標氣化效率(%)結束放映7.1 氣化的基本原理n4.熱效率n5.燃氣熱值 燃氣的熱值可用氣體燃料量熱計測定。由於氣體燃料是由若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），因此如果已知氣體燃料的體積成分ri，可用以下公式進行計算結束放映7.1 氣化的基本原理7.1.3 氣化的分類n對於生物質氣化過程的分類有多種形式。如果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1674733494kJ/m3），製取高熱值燃氣方法（燃氣熱值高於33494kJ/m3）；如果按照設備的運行方式的不同，可以將其分為固定床、流化床和旋轉床。如果按照氣化劑的不同，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。結束放映7.1 氣化的基本原理圖7.2 生物質氣化技術的分類結束放映7.1 氣化的基本原理氣體名稱低位發熱量氣體名稱低位發熱量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各種氣體的低位發熱量（25）結束放映7.2 生物質氣化設備n生物質氣化反應發生在氣化爐中，是氣化反應的主要設備。在氣化爐中，生物質完成了氣化反應過程並轉化為生物質燃氣。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形式，如圖7.3所示。結束放映7.2 生物質氣化設備圖7.3 生物質氣化爐的分類結束放映7.2 生物質氣化設備7.2.1 固定床氣化爐 固定床氣化爐的氣化反應一般發生在相對静止的床層中進行，生物質依次完成乾燥、熱解、氧化和還原反應。根據氣流運動方向的不同，固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式和横吸式。n1.上吸式固定床氣化爐見圖7.4(a）n2.下吸式固定床氣化爐見圖7.4(b）n3.横吸式固定床氣化爐結束放映圖7.4 固定床氣化爐原理示意圖結束放映圖7.5 下吸式固定床氣化爐結構示意圖結束放映圖7.6 橫吸式固定床氣化爐工作原理示意圖結束放映7.2 生物質氣化設備7.2.2 流化床氣化爐n流化床氣化爐可分鼓泡床氣化爐、循環流化床氣化爐、雙床氣化爐和携帶床氣化爐。結束放映n1.鼓泡床氣化爐圖7.7結束放映n2.循環流化床氣化爐 圖7.8結束放映n3.雙床氣化爐 圖7.9結束放映7.2 生物質氣化設備n4.携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，要求細顆粒燃氣特性焦油含量高，需要複雜浄化處理焦油經高温區裂解，含量少焦油含量較少，燃氣成分穩定焦油含量少，產氣量大，氣體熱值高設備特點結構簡單結構簡單氣流速度受到限制單位容積的生產能力最大表7.2結束放映7.3 生物質燃氣7.3.1 生物質燃氣特性n生物質燃氣是由若干可燃氣體、不可燃成分以及水蒸氣組成的混合氣體。與固體生物質相比，易於運輸和儲存，提高了燃料的品質。n不同氣化技術可燃氣熱值的區別見表7.3，空氣氣化下吸式氣化爐的燃氣成分見表7.4。結束放映7.3 生物質燃氣類型下吸式上吸式横吸式鼓泡床循環床雙流床携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別結束放映7.3 生物質燃氣原料種類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)結束放映7.3 生物質燃氣n1.燃氣的分子量 單質或化合物的分子量等於這個分子的所有原子量的總和。生物質燃氣是由多種氣體組成的混合物，其分子量可由下式進行計算式中xi-燃氣中各組成氣體的體積百分數，%；mi-燃氣中各組成氣體的分子量（見表7.5）。結束放映7.3 生物質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結束放映7.3 生物質燃氣n2.燃氣密度和相對密度 燃氣的密度是指單位體積燃氣的質量，一般是指在標準狀態下（温度為0，壓力為1標準大氣壓的狀態）的密度，可按下式計算式中 -生物質燃氣在標準下的密度，kg/m3；xi-燃氣中各組成氣體的體積百分數，%；-燃氣中各組成氣體在標準狀態下的密度（見表7.6），kg/m3。結束放映7.3 生物質燃氣名稱密度/（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下的密度結束放映7.3 生物質燃氣n3.理論空氣量 與固體燃料不同，燃氣的理論空氣量一般用單位標準體積來表示，單位為m3/m3。對已知組分的混合可燃氣體，可按下式計算式中，H2、CO、CnHm、H2S和O2分別為燃氣中各成分的體積含量，%。以玉米結桿為例，其燃氣在標準狀態下所需的理論空氣量為0.955 m3/m3。結束放映7.3 生物質燃氣n4.華白指數 華白指數是代表燃氣特性的一個參數。在燃氣工程中，對於不同類型的燃氣互換時，需要考慮衡量熱流量大小的特性指數。可按下式計算式中 WS-華白指數；QGW-在標準狀態下乾基的高位發熱量，kJ/m3；S-燃氣的相對密度。結束放映7.3 生物質燃氣n5.爆炸極限範圍 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，就可能達到爆炸極限範圍，表7.7給出了一些氣體與空氣混合後的爆炸濃度範圍。結束放映7.3 生物質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4.245.5表7.7 一些氣體與空氣混合後的爆炸濃度範圍結束放映7.3 生物質燃氣n6.對人的毒性 在氣體燃料中有可能含有H2S、HCN、CO、SO2、NH3和C6H6等有毒成分，當其超過毒性極限時可能會使人致死，在使用含有這些成分的燃氣時必須注意這一問題，表7.8給出了一些氣體的毒性極限。結束放映7.3 生物質燃氣氣體短時間內致死的極限濃度/%3060min有危險的濃度/%60min內無嚴重危險的濃度/%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0.30.040.050.0050.020.001一氧化碳0.51.00.20.30.050.100.04表7.8 一些氣體的毒性極限結束放映7.3 生物質燃氣 生物質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，如生物質燃氣的氮含量較高、熱值較低以及需要的理論空氣量較少等。結束放映7.3 生物質燃氣名稱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6.50.237.050.00.55.50.310300發生爐煤氣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)結束放映7.3 生物質燃氣焦爐煤氣是煉焦時的副產品，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。水煤氣是以水蒸氣為氣化劑，煤發生氣化反應產生的煤氣，屬於吸熱反應。生產設備和工藝複雜，主要作為化工原料使用。發生爐煤氣一般指以空氣和水蒸氣為氣化劑，煤發生氣化反應產生的煤氣。製氣工藝比較簡單，投資少，得到了廣泛的應用。高爐煤氣是煉鐵時的副產品，在高爐中通常每消耗1t焦炭約可產生38004000m3高爐煤氣。液化石油氣是一種在石油煉製過程中的副產品，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，經減壓轉變為氣態後使用。既是一種優質的工業及民用燃料，也是一種重要化工原料。結束放映7.3 生物質燃氣名稱密度/（kg/m3）相對密度低位熱值/（kJ/m3）華白數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0.6700.517813858214183.1842.66.114.997發生爐煤氣1.1620.89925744633227.3767.521.552.651液化石油氣2.3501.81801137308747527.379.01.952.651生物質燃氣1.1830.915481853960.95580.416.926.465表7.10 生物質燃氣與幾種氣體燃料的特性對比(標準狀態下)結束放映7.3 生物質燃氣n7.3.2生物質燃氣的淨化 氣化爐中出來的可燃氣（稱為粗燃氣）中含有一定的雜質，不能直接使用。如果不經處理就直接應用的話，會影響用氣設備正常運轉，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量標準。粗燃氣中雜質是複雜和多樣的，一般可分為固體雜質和液體雜質兩大類。固體雜質中包括灰分和細小的炭顆粒，液體雜質則包括焦油和水分。粗燃氣中各種雜質的特性見表7.11。結束放映7.3 生物質燃氣雜質種類典型成分來源可能引起的問題固體顆粒灰分、炭顆粒未燃盡的炭顆粒、飛灰設備磨損、堵塞焦油苯的衍生物及多環芳烴生物質熱解的產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作物結桿腐蝕、結渣氮化物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境水分H2O生物質乾燥及反應產物降低熱值，影響燃氣的使用表7.11 粗燃氣中各種雜質的特性結束放映7.3 生物質燃氣n去除生物質燃氣中焦油的主要技術有水洗、過濾、靜電除焦和催化裂解。1.水洗2.過濾3.靜電除焦4.催化裂解：催化劑多採用木炭、白雲石和鎳基催化劑，它們的主要性能參見表7.12。結束放映7.3 生物質燃氣名稱反應溫度/接觸時間/s轉化效率/%特點鎳基催化劑750約1.097反應溫度低，轉化效果好，成本高木炭800900約0.5約0.59199.5木炭為氣化自身產物，成本低；隨反應進行，木炭減少白雲石800900約0.5約0.59599.8轉化效率高，材料分佈廣泛表7.12 幾種催化劑的主要性能結束放映7.3 生物質燃氣7.3.3生物質燃氣主要用途n生物質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.氣化發電4.化工原料氣n通過生物質氣化得到的合成氣可用來製造一系列的石油化工產品，包括甲醇、二甲醚及氨等，見圖7.10。結束放映7.3 生物質燃氣圖7.10 生物質合成氣的主要產品示意圖結束放映7.4 結桿氣化集中供氣系統n生物質燃氣是一種高品質的能源，可以暫時儲存起來，需要使用時才透過輸氣管網送至最終用戶。7.4.1 集中供氣系統n集中供氣系統中包括原料前處理（切碎機）、上料裝置、氣化爐、淨化裝置、風機、儲氣櫃、安全裝置、管網和用戶燃氣系統等設備，結桿氣化集中供氣系統如圖7.11所示。結束放映圖7.11 結桿氣化集中供氣系統示意圖結束放映7.4 結桿氣化集中供氣系統7.4.2 典型應用實例 n1.工程技術路線 圖7.12XFF系列固定床氣化集中供氣系統工藝流程示意圖 結束放映7.4 結桿氣化集中供氣系統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產氣量/（m3/h）200400氣體焦油含量/（mg/m3）2020燃氣熱值/（kJ/m3）50005000用戶數量100130130250表7.13XFF系列固定床氣化集中供氣系統技術指標 結束放映7.4 結桿氣化集中供氣系統7.4.3 經濟效益評價 n系統選用XFF-2000型氣化機組和250m3容積的儲氣櫃。200戶系統初投資和年運行費用分別見表7.14和表7.15。供氣系統初投資估算值/萬元所占證比例/%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戶規模集中供氣系統初投資（1997年價）結束放映7.4 結桿氣化集中供氣系統供氣系統初投資估算值/萬元所占證比例/%管網及附件7.6217.1戶內設備4.710.6其他1.653.7合計44.51100平均每戶投資0.223表7.14200戶規模集中供氣系統初投資（1997年價）（續）結束放映7.4 結桿氣化集中供氣系統項目數值項目數值年產氣量/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戶規模集中供氣系統年運行費用（1997年價）結束放映7.4 結桿氣化集中供氣系統7.4.4 使用時應注意的問題n生物質氣化集中供氣系統在使用時，應注意以下幾個問題。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結束放映7.5 生物質氣化發電技術n生物質氣化發電技術是生物質清潔能源利用的一種方式，幾乎不排放任何有害氣體。生物質氣化發電系統從發電規模可以分為小規模、中等規模和大型規模等三種，見表7.16。結束放映7.5 生物質氣化發電技術性能參數小規模中等規模大型規模裝機容量/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電技術內燃機、微型燃氣輪機內燃機整體氣化聯合循環、系統發電效率/%11141520熱空氣氣輪機循環主要用途適用於缺電且生物質豐富地區的照明或驅動小型電機適用於山區、農場、林場的照明或小型工業用電3545電廠、熱電聯產表7.16不同規模生物質氣化發電技術的對比 結束放映7.5 生物質氣化發電技術7.5.1 內燃機氣化發電系統n內燃機是一種動力機械，它是使燃料在機器內部燃燒，將燃料釋放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機。內燃機以往復活塞式最為普遍，自19世紀60年代問世以來，經過不斷改進和發展，已經是比較完善的機械。結束放映7.5 生物質氣化發電技術7.5.2 燃氣輪機氣化發電系統n燃氣輪機是以連續流動的氣體作為工質驅動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功的熱力發動機。燃氣輪機的工作過程是，壓氣機連續不斷地從大氣中吸入空氣並將其壓縮；壓縮後的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合後進行燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹做功，推動透平葉輪帶動壓氣機葉輪一起旋轉；加熱後的高溫燃氣做功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有餘量作為燃氣輪機的輸出機械功。結束放映7.5 生物質氣化發電技術7.5.3 整體氣化聯合循環n對於燃氣輪機氣化發電系統，發電後排放的尾氣溫度為500600。從能量利用的角度看，尾氣仍然攜帶大量的可用能量，應該加以回收利用。結束放映7.5 生物質氣化發電技術n所以，在使用燃氣輪機發電基礎上，增加餘熱鍋爐和過熱器產生蒸汽，再利用蒸汽循環進行發電，可有效的提高發電效率（系統效率大於40%），稱為生物質整體氣化聯合循環（B/IGCC），是大規模生物質氣化發電系統國際上重點研究的方向。整體氣化聯合循環由空分制氧和氣化爐、燃氣淨化、燃氣輪機、餘熱回收和汽輪機等組成，典型的工程流程見圖7.13。結束放映圖7.13生物質整體氣化聯合循環工程流程 結束放映7.5 生物質氣化發電技術7.5.4 整體氣化熱空氣循環n整體氣化熱空氣循環（IGHAT）是正處於開發階段的氣化發電技術，其流程見圖7.14。結束放映圖7.14整體氣化熱空氣循環流程