固定床生物质富氧气化行为分析

2020-11-07 来源：钮旅网

固定床生物质富氧气化行为分析

沈阳航空工业学院硕士学位论文

摘要

生物质气化技术是生物质能利用的主要途径之一，它可以将不易降解的大分子碳氢化合物转化为小分子的碳氢燃料。在空气气化已广泛应用的今天，因富氧气化可以得到中热值燃气及CO／H2的调整进而拓展了生物质气化产出气的应用范围而广受重视。

本文在分析生物质空气气化及富氧气化的发展现状基础上，系统研究了下吸式固定床气化炉的生物质空气气化和富氧气化行为。实验表明，在空气作为气化剂时，不同产气流量、不同还原区温度对气体成分及热值的影响，得出气体流量在60Nm3／h时热值最高；还原区温度在900℃时，气体的可燃组分最高的结论；并且分析了气化炉底部是否加设碳层对气体组分及气化炉产气出口温度的影响。

利用富氧空气作为气化剂在下吸式固定床上的富氧气化实验，通过两种气化剂的对比，得出气体热值翻番的结果，体现了富氧气化的优越性；较高的氧气浓度可以提高气体质量和热值，但是在富氧浓度达到90％时对热值的影响不大；通过实验得出，无论是空气气化还是富氧气化，气化的较适合温度在l 100。C左右，当量比在0．25～0．3较为合适。针对富氧气化过程中固定床气化炉存在的喷嘴直径、炉膛容积、炉喉尺寸及选材等问题，提出了适合工程应用的相应建议；评述了富氧气化产出气用于车用燃料和合成液体燃料的可行性及发展前景。

关键词：生物质，富氧气化，影响，应用分析

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Abstract

Biomass gasification technology is one of the main solutions for utilizing biomass energy, it can transform the large molecular hydrocarbon into small molecular hydrocarbon fuel．Now, air gasification technology has been widely utilized，meanwhile，oxygen rich gasification technology is being paid more and more attention due to the advantages of obtaining medium

heat value producer gas and expanding the application of the producer gas through the reformingof CO／H2．

Based on the analysis on the status of air gasification and oxygen rich gasification technology for biomass，the comprehensive experiment study on the characteristics of air gasification and oxygen rich gasification technology for biomass has been carried out on a downdraft fixed bed gasifier．The experiment shows that with air as the gasification agent，the experiment has been carried out to study the impacts of different producer gas outputs， different reduction

zone temperatures on the producer gas composition，the heat value of the producer gas is the highest when the producer gas output is 60Nm3／h；and the producer gas composition is the optimal when the reduction zone temperature is 900。C；meanwhile，the analysis on the influence of filling some charcoal at bottom of the gasifier has also been carried out．

．Oxygen was also be used as the gasification agent in the same gasification system for the experimental study on oxygen rich biomass gasification process，by comparison，the heat value of the producer gas from oxygen rich gasification is twice of that from air gasification， the advantage of oxygen rich biomass gasification obvious；also，the results have shown that the heat value and the quality of the producer gas could be improved along with the increasing the oxygen concentration，but，when the oxygen concentration reaches over 90％，the influence is slight；the experiment shows that the suitable temperature for gasification i s around l l 00。C and the suitable Equivalence Ration is 0．25-0．3for both air gasification and

oxygen rich gasification． II

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At last，the engineering technology for analyzed，some oxygen rich gasification has been suggestions for improving the equipment performance have been proposed；the two kinds of fuel and are for vehicle of rich technology,which application oxygen gasification applications for synthesizing of liquid fuel，have also been analyzed．The study could be helpful for the

rich commercial use of fixed bed based oxygen technology． gasifier gasification

on rich gasification；impact；analysis application； Keywords：biomass；oxygen

III

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第1章绪论

能源是人类社会生存和发展的支柱，人类在享受经济高速增长带来财富和文明的同时，相伴而生的是能源匮乏、环境污染、人口增长和生态破坏等问题。因此，能源可持续发展的问题已成当今世界最重要和最突出的问题之一，面对常规能源和资源的有限性和人类不断扩大的能源、资源需求，寻求可再生能源资源的综合利用，已经成为当今人类社会发展的必然趋势。

生物质能作为重要的可再生能源，它具有资源丰富、分布广泛、C02\"零排放”及可再生的特点，其高效利用已引起世界各国的广泛重视。

1．1生物质能概述生物质是指有机物中除化石燃料以外的所有来源于动、植物，能够再生的物质。生

物质能则是指直接或间接的通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和

贮藏在生物体内的能源【¨。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一，包括能源林木、能源作物、水生植物、各种有机废弃物等等，它们是通过植物的光合作用转化而成的可再生能源资源，是太阳能的有机储存。生物质能是地球上最普遍的一种可再生能源，数量巨大，就其能量当量而言，是仅次于煤、石油、天然气而列第四位的能源。广义的生物质能包括一切以生物质为载体的能量，具有可再生性。据估算口l，地球每年水、陆生物质产量的热当量为3×1021J左右，是全球目前总能耗量的10倍。我国生物质能资源相当丰富，仅各类农业废弃物的资源量每年就有3．08亿吨标准煤，薪材资源量为1．3 亿吨标准煤，加上粪便、城市垃圾等，资源总量估计可达6．5亿吨标煤以上，约相当于 1995年全国能耗总量的一半。

1．2生物质能的分类作为能源利用的生物质能主要有农作物、油料作物、林木和木材生产的废弃物、木

材加工的残余物、动物粪便、农副产品加工的废渣、城市的生活垃圾中的部分生物废弃

物等。生物质能主要分为森林能源、农作物秸秆、禽畜粪便和生活垃圾等。

1．2．1

森林能源

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森林能源是森林生长和林业生产过程中提供的生物质能源，主要是薪材，也包括森林工业的一些残留物等。森林能源在我国农村能源中占有重要地位，1980年前后全国农村消费森林能源约1亿吨标准煤，占农村能源总消费量的30％以上，而在丘陵、山区、林区，农村生活用能的50％以上靠森林能源。薪材来源于树木生长过程中修剪的枝杈，木材加工的边角余料，以及专门提供薪材的薪炭林。1979年全国合理提供薪材量8885 万吨，实际消耗量18100万吨，薪材过樵1倍以上；1995年合理可提供森林能源14322．9 万吨，其中薪炭林可供薪材2000万吨以上，全国农村消耗21339万吨，供需缺口约7000 万吨[31。

1．2．2农作物秸秆农作物秸秆是农业生产的副产品，也是我国农村的传统燃料。秸秆资源与农业主要

是种植业生产关系十分密切。根据1995年的统计数据计算，我国农作物秸秆年产出量为6．04亿吨，其中造肥还田及其收集损失约占15％，剩余5．134亿吨。可获得的农作物秸秆5．134亿吨除了作为饲料、工业原料之外，其余大部分还可作为农户炊事、取暖燃料，目前全国农村作为能源的秸秆消费量约2．862亿吨，但大多处于低效利用方式即直接在柴灶上燃烧，其转换效率仅为10％一20％左右【4】o随着农村经济的发展，农民收入的增加，地区差异正在逐步扩大，农村生活用能中商品能源的比例正以较快的速度增加。事实上，农民收入的增加与商品能源获得的难易程度都能成为他们转向使用商品能源的契机与动力。在较为接近商品能源产区的农村地区，商品能源(如煤、液化石油气等)已成为其主要的炊事用能。以传统方式利用的秸秆首先成为被替代的对象，导致被弃于地头田间直接燃烧的秸秆量逐年增大，许多地区废弃秸秆量已占总秸秆量的60％以上，既危害环境，又浪费资源。因此，加快秸秆的优质化转换利用势在必行。 1．2．3禽畜粪便

禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。中国主要的禽畜是鸡、猪和牛，根据这些禽畜品种、体重、粪便排泄量等因素，可以估算出粪便资源量。根据计算[1】，目前我国禽畜粪便资源总量约8．5亿吨，折合7840多万吨标准煤，其中牛粪5．78亿吨，4890万吨标准煤，猪粪2．59 亿吨，2230万吨标准煤，鸡粪0．14亿吨，717万吨标准煤。在粪便资源中，大中型养殖场的粪便是更便于集中开发、规模化利用的。我国目前大中型牛、猪、鸡场约6000多

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家，每天排出粪尿及冲洗污水80多万吨，全国每年粪便污水资源量1．6亿吨，折合1157．5

万吨标准煤。 1．2．4生活垃圾

随着城市规模的扩大和城市化进程的加速，中国城镇垃圾的产生量和堆积量逐年增加。1991和1995年[51，全国工业固体废物产生量分别为5．88亿吨和6．45亿吨，同期城镇生活垃圾量以每年10％左右的速度递增。

城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物所构成的混合物，成分比较复杂，其构成主要受居民生活水平、能源结构、城市建设、绿化面积以及季节变化的影响。中国大城市的垃圾构成已呈现向现代化城市过渡的趋势，有以下特点：一是垃圾中有机物含量接近113甚至更高；二是食品类废弃物是有机

物的主要组成部分；三是易降解有机物含量高。目前中国城镇垃圾热值在4．18MJ／kg

(1000 kcal／kg)左右。 1．3生物质能的特点

生物质由C、H、O、N、S等元素组成，是空气中的C02、水和太阳光通过光合作用的产物。其挥发分高，碳活性高，硫、氮、含量较低(S：0．1％．1．5％，N：O．5％．3．O％)，灰分低(0．1％．3．0％)。生物质能具有以下特点[1】：

(1)属可再生能源，可保证能源的永续利用。生物质能由于通过植物的光合作用可以再生，与风能、太阳能等同属可再生能源，资源丰富。据统计，全球可再生能源资源可转化为二次能源约185．55亿tce，相当于全球油、气和煤等化石燃料年消费量的2倍，其中生物质能占35％，位居首位(见表1．1)。

表1．1全球可再生能源储量

(2)币00类多，分布广，便于就地利用，利用形式多样。利用农作物或其他植物中所含

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糖、淀粉和纤维素制造燃料乙醇，利用含油种子和废食用油制造生物柴油作为汽车燃料；利用人畜粪便发酵生产沼气；直接把薪柴林以及木业、采伐加工残柴作为燃料或加工为其他燃料：把农作物秸秆和加工残物直接作为燃料，或经发酵生产沼气：利用生活垃圾中的有机物制造固形燃料，或经发酵生产沼气；直接把工业三废中的纸浆黑夜、废轮胎等可燃物作为燃料，利用食品工业糟粕、污泥等发酵生产沼气。

(3)相关技术成熟，可贮存性好。利用薪材和农作物秸秆直燃历史悠久，通过发酵生产沼气用于炊事和照明在农村也很普遍，利用甘蔗、玉米等制造燃料乙醇，用以代替车用汽油的做法在巴西、美国已具规模。另一方面，与太阳能、风能相比生物质能突出的优点是可贮存。

(4)节能、环保效果好。对于改善大气酸雨环境，减少大气中二氧化碳含量，从而减轻温室效应都有极大的好处。

生物质燃料中可燃部分主要是纤维素、半纤维素、木质素。按质量计算，纤维素占生物质的40％．50％，半纤维素占生物质的20％．40％，木质素占生物质的10％一25％。表 1．2为一些生物质中纤维素、半纤维素和木质素的比例。有研究指出[6|，生物质原料加热燃烧时，纤维素、半纤维素首先释放出挥发份物质，木质素最后转变为碳。在燃料化在

表1．2生物质中纤维素、半纤维素和木质素的比例(单位：％)

燃料化学的角度，工业分析成分和元素分析成分也是我们所关注的，表1．3和表1．4是部分生物质原料的工业分析和元素分析的结果。尽管生物质原料的元素组成变化很小，但是它们的物理性质有很大的差别。以往的生物质气化技术主要使用木炭、硬质木材和少量稻壳，这些原料具有较高的密度和机械强度，特别是挥发份裂解后保持了原有的现状和体积，留下大量孔隙的木炭具有很高的反应活性，易于组织良好的燃烧和还原反应。而秸秆等所谓的“软柴”的物理性质明显低于木材。主要表现在：(1)秸秆的堆积密度太小

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(图1．1)，反应区由于质量小而使热容量小且不稳定；(2)秸秆的流动性不，即堆积时的休止

表1．3部分生物质原料的工业分析(单位：％)i71

名称豆秸草秸草米秸高粱秸棉柴树叶杨树叶

水分 5．10 4．97 4．39 灰分 3．13 13．86 8．90 9．46 5．93 挥发份 74．65 65．1l 67．36 68．77 71．95 固定碳

17．12 稻16．06 麦19．35 杂16．40 玉 17．75 5．43 4．87 4．71 6．78 11．82 8．9l 3．97 10．12 13．65 68．90 68．54 61．73 67．59 17．48 20．71 杂 16．33 16．42

2．34

表1．4部分生物质原料的元素分析(单位：％)和热值(干基)171

名称松木

C H N S O 灰分

高位热值

(kJ／kg)

52．30 5．80 0．20 0．00 38．80 2．90 20400 玉

米芯 46．30 5．60 0．57 5．34 20620 稻壳

32．50 5．70 0．50 0．00 39．80 15．50

玉米秸

高粱秸

棉柴

豆秸

麦秸

45．43 6．15 5．59 6．01 0．78 0．62 0．98 0．13 6．40 17794 18020

45．18 45．50 O．1 l 0．23 17．20 18330

46．65 45．30

40．44 6．12 5．89

5．31 0．89 0．68 0．66 0．12 0．19

0．12 10．20 7．40

18120

17769

稻草 16329

角过大，反应区易于搭桥、穿孔，不能形成稳定的床层；(3)秸秆的机械强度很低，在大

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量挥发份析出后，不能保持现状，迅速形成细而散的炭粒，降低了反应的活性和反应区的透气性。

330 340

304 307

N皇＼

250

2bo

＼倒

200

稍聚掣

。F__|

硬木

软木

木炭

玉米芯

棉秸玉米秸麦秸

图1．1各种生物质的堆积密度‘71

1．4生物质能源的转化技术生物质能转化技术包括物理转化、生物转化和化学转化三种转化技术(见图1．2)。

图1．2生物质的三种转化技术

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1．4．1

生物质能源物理转化技术生物质能源的物理转化技术又称作生物质固化技术，是

指将各类生物质原料经粉

碎、干燥、高压成型等环节使原来分散的、没有一定形状的原料压缩成具有一定几何形状、密度较大的成型燃料，是目前国内外利用生物质能比较普遍而且效果显著的技术之一。各种生物质本身都都含有一定量的木质素，木质素在加热条件下可软化、液化，并具有相当的粘着强度，固化成型机理正是利用木质素的这一特点，在加热条件下，通过机械加压的方式使原料成型。影响生物质压缩成型的主要因素有：原料种类、含水率、粒度、成型压力、压缩成型模具的形状尺寸及加热温度等。

与普通薪材燃料相比，生物质固化成型燃料具有密度高、强度大、便于运输和装卸、形状和性质均一、燃烧性能好、热值高、适应性强、燃料操作控制方便等优点，可用于锅炉和煤气发生炉，也可用于工业、家庭和农业、园林暖房的取暖。对生物质资源丰富，贫油、贫煤的国家来说，生物质固化成型燃料将成为一种极具竞争力和发展前景非常可观的替代能源181-11¨。

但是成型燃料在生产过程中还是存在着诸多问题。首先，成型燃料要求原料的含水率必须低于10％，即要求原料在进入成型机前必须经过干燥。从目前国内外使用的干燥设备的现状分析，气流干燥的效果较好，但是至少需要30m的干燥管路才能达到较好的效果，这就增大了厂房的占地面积；干燥时，加料位置必须在烟道气温度最高处，如果气流过大，很可能将火星吸入管道内，引起原料起火；烟气温度过高，干燥后的原料如果处理不及时堆放在一起，料堆内的温度过高热量散失较慢而导致燃烧，馆内的温度过低干燥效果又不好，因此干燥过程的温度不好控制。其次，主要工作部件的工作寿命短，设备系统配合协调能力差，运行不稳定。

1．4．2生物质能源生物转化技术生物转化技术主要是以酶法水解和微生物发酵为手段，促进生物质转化的过程。包

括厌氧发酵制取沼气、微生物制取燃料乙醇、生物制氢、生物柴油等。沼气发酵过程，实质上是微生物的物质代谢和能量转换过程，在分解代谢过程中沼

气微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷和二氧化碳。科学测定分析表明：有机物约有90％被转化为沼气，10％被沼气微生物用于自身的消耗。所以说，发酵原料生成沼气是通过一系列复杂的生物化学反应来实现的。一般认

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为这个过程大体上分为水解发酵、产酸和产甲烷三个阶段。美国、希腊、瑞典以及一些发展中国家都开始对秸秆作为沼气原料生产生物质能进

行了大量研究【12]‘【16]。中国有使用沼气的优良传统，自1949年以来实施过几次大规模的沼气池建设运动，目前在中国已经建有成千上万的沼气池。

燃料乙醇是是清洁汽油的主要代替物。其生产方法根据原料区分有：糖类、谷物淀粉类和纤维素类。用糖类如糖蜜生产酒精是工艺最为简单、成本最为低廉的方法。目前在南美洲如巴西、阿根廷等国广泛使用。以谷物淀粉作原料生产酒精是目前北美和欧洲等国广泛使用的方法，美国2002年以淀粉为原料生产的酒精价格达到O．264\"--0．396美元／L【17】。以植物秸秆等纤维素为原料生产乙醇是最具挑战性的课题，因为全球每年的生物质产量巨大，目前纤维素生产乙醇的主要制约因素是纤维素原料的预处理费用高和发酵效率较低，国内外正致力于这方面的研究。

生物制氢是利用生物自身的代谢作用将有机质或水转化为氢气，实现能源产出。根据所用的微生物、产氢原料及产氢机理不同，生物制氢可以分为光解水制氢、厌氧细菌制氢、光合细菌制氢等3种类型。生物制氢作为生物自身新陈代谢的结果，生成氢气的反应可以在常温、常压的温和条件下进行，同时生物制氢可采用工农业废弃物和各种工业污水为原料，原料成本低，可以实现废物利用和能源供给与环境保护多重目标而倍受重视，但是在生产过程中也存在着产氢量和原料利用率较低、能耗较高等问题。

目前，制取生物柴油技术主要有两种方法，一种是化学合成法，另一种是生物酶合成法。生物酶法是为解决化学合成法存在的问题提出的，即用动物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应，制备相应的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、无污染排放的优点。对短链脂肪醇(如甲醇或乙醇等)转化率低，一般仅为 40％．60％；甲醇和乙醇对酶有一定的毒性，容易使酶失活；副产物甘油和水难以回收，不但对产物形成一致，而且甘油也对酶有毒性；短链脂肪醇和甘油的存在都影响酶的反应活性及稳定性，使固化酶的使用寿命大大缩短。这些问题是生物酶法工业化生产生物柴油的主要瓶颈。另一种是“工程微藻”法，它为柴油生产开辟了一条新的技术途径。美国国家可更新实验室附I迮L)通过现代生物技术建成“工程微藻”，即硅藻类的一种“工程小环藻”。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60％以上，户外生产也可增加到40％以上，而一般自然状态下微藻的脂质含量为5％一20％。“工程微藻”中脂质

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含量的提高主要由于乙酰辅酶A羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高效表达，在控制脂

质积累水平方面起到了重要作用。目前，正在研究选择合适的分子载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达【¨。

1．4．3生物质能源热化学转化技术生物质能源热化学转化技术主要包括生物质液化技术、气化技术及热解等。直接燃

烧技术作为最简单的利用方法也可归为热化学转化技术，但直接燃烧烟尘大，热效率低，能源浪费大。除农村外，一般在城镇不提倡直接燃烧的方法。

生物质热解是生物质在完全缺氧或有限氧供给的条件下热降解为液体生物油、固体生物质炭和可燃气体三个组成部分的过程。生物质热解液体产物焦油和木醋液是一种含有200多种有机物的液体，如含甲醇、乙醛、丙酮等，是一种有价值的化工原料；生物质热解产品碳是一种比煤焦炭更纯的木炭，有块状和粉状的，由于含灰分低，反应性能好，比表面积大，是有色冶金优质的还原剂，是医药、仪器、环保行业的吸附剂，同时，也是农业土壤改良剂。其用途比煤焦炭更广泛；生物质热解的气体产物中主要成分有 C02、CO、CH4、C2H4、H2等，其热值为15～20MJ／Nm3，属于中热值可燃气，因为其成分、热值都与城市人工煤气相似，故称为木煤气；因为不含硫化物、氮化物，所以，也是一种优质煤气，可以直接作为民用燃气。

它的热解过程可以看作是由纤维素、半纤维素、木质素的热解过程的线性叠加。考虑到大多数生物质中纤维素占据最大比例，因此生物质的热解主要是纤维素的热分解。

按温度、升温速度、固体停留时间和颗粒大小等实验条件可将热解分为慢速热解、常规热解和闪速热解三种方式。

慢速热解在较低的反应温度和较长的反应时间的条件下进行热解，它的主要产品是固体炭，大约占重量的30％，占能量的50％【博J。

常规热解以不足600℃的中等温度和中等反应速度，其气体、液体和固体三种产品的比例大致相等。

闪速热解在以相对较低的温度下进行，一般为500—800℃。但是它具有较高的加热速率(1000．10000。C／s)，较短的气固滞留期，一般小于1 S。因此闪速热解为大规模生物质材料的开发提供了广阔前景和途径【19】。尽管一些反应器已经被推荐(例如移动床反应器、旋风反应器、冲击蒸汽反应器和旋转锥反应器)，但是流化床反应器是一种更成熟

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的技术。圆锥型喷流床反应器是流化床的一种变形，由于它的多功能(允许在气流中处理不规则固体，像生物质，并且不需要用其它的惰性材料作为流化介质)，可以将其作为一种重要的选择。在圆锥型喷流床中加入HZSM。5催化剂进行热解，将会获得一种产量很高的气体。因为圆锥型喷流床反应器不需要任何惰性材料作为流化介质，并且可以用催化剂的加入量来控制生成物组分，所以圆锥型喷流床反应器特别适合于加入催化剂的这种设计。而且在圆锥型喷流床里只有少量离析，这也是它超越普通流化床的一个优点。

采用直接热解液化方法可将生物质转变为生物燃油。生物燃油的能源利用效率约为直接燃烧物质的4倍，且辛烷值较高，若将生物燃油作为汽油添加剂其经济效益更加显著。

生物质气化是指在一定的热力学条件下，将组成生物质的碳氢化合物转化为含一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。为了提供反映的热力学条件，气化过程需要供给空气或氧气，使原料发生部分燃烧。气化过程和常见的燃烧过程的区别是燃烧过程中供给充足的氧气，使原料充分燃烧，目的是直接获取能量，燃烧后的产物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧的烟气；气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，而尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物质含氢、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体【20】’【22】。

生物质气化技术是一种相对灵活的热化学反应技术，它可以通过采用不同的气化介质，改变产出气中各组分的含量；其产出气体的应用范围较广泛，可以用来供热、供气、发电，还可以通过气体组分的调整来合成化学品。因此生物质气化技术的研究开发得到了国内外广泛重视，并取得了可喜的进展。

1．5本课题的目的、方法、意义当前在能源危机与环境污染的双重挑战下，世界各国都在积极进行清洁能源的开发

和利用研究，并在一定程度上取得了阶段性的成果。生物质的碳来源于大气中，其利用

过程中可以达到C02\"零排放”，并且生物质能源也是唯一的可再生碳资源。他的利用不仅可以解决化石能源匮乏的能源危机，还可以解决因化石能源的使用带来的环境污染问题。

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生物质气化技术不但能够减少污染，改善环境，而且还可以再生能源，回收能源。这对于解决我国的能源问题有着重要的意义。

目前，在我国研究的的固定床生物质空气气化技术己经比较成熟，但是富氧气化的研究-去Pk-N对较少。生物质富氧气化可以得到中热值气体，和水蒸气气化结合还可以调整气体组成，产出气的应用范围更广，因此，生物质富氧气化关键技术的研究具有重要意义。本文在下吸式固定床气化炉上对生物质富氧气化的若干问题进行了一系列研究。

(1)通过生物质空气气化的实验，讨论了不同的气化条件对气化过程及其产出气体的影响，确定了实验用下吸式固定床的气化最优条件；

(2)空气气化和富氧气化的比较研究，研究不同气化剂下的生物质气化行为； (3)不同控制因素对生物质富氧气化产出气组成的影响分析，探讨生物质富氧气化的机理。

(4)针对生物质富氧气化技术在工程上的应用提出固定床生物质富氧气化气化设备的设计改进方案，详细探讨生物质富氧气化产出气的应用领域和发展前景。

通过

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第2章生物质气化技术及其研究进展

2．1生物质气化技术及其原理

2．1．1生物质气化技术生物质气化是指在一定的热力学条件下，将组成生物质的碳氢化合物转化为含CO

和H2等可燃气体的过程。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。气化过程和常见的燃烧过程的区别是燃烧过程中供给了充足的氧气，使原料充分燃烧，其目的是直接获取能量，燃烧后的产物是C02和水蒸气等不可再燃烧的烟气，而气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，而尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物是含有H2、CO和低分子烃类的可燃气体。气化是一种热化学反应过程，它通过气化装置的热化学反应，可将低品位的固体生物质转化成高品位的可燃气。由于气体燃料利用率高、清洁、方便。因此生物质气化技术的研究可开发得到了国内外广泛重视，并取得了可喜的进展。 2．1．2生物质气化技术的原理

图2．1生物质气化原理图

生物质气化是指固体物质在高温条件下与气化剂空气氧气和水蒸汽反应得到小分

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第2章生物质气化技术及其研究进展

2．1生物质气化技术及其原理

2．1．1生物质气化技术生物质气化是指在一定的热力学条件下，将组成生物质的碳氢化合物转化为含CO

图2．1生物质气化原理图

生物质气化是指固体物质在高温条件下与气化剂空气氧气和水蒸汽反应得到小分

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子可燃气体的过程，通常所说的气化还包括生物质的热解。生物质的气化原理见图2．1 所示，所用气化剂不同，得到的气体燃料组分也不同，产出的气体主要有CO、H2、C02、 CH4、N2以及CmHn等烷烃类碳氢化合物。

生物质的气化主要反应是生物质碳与气体之间的非均相反应和气体之间的均相反应气化反应过程，十分复杂。随着气化设备的不同，气化工艺过程的差异，反应条件，如气化反应剂的种类、气化反应温度、反应时间、有无催化剂的添加、气化原料种类原料的含水率等的不同，其反应过程也大不相同。通常认为主要将发生如下反应【23]：

C+02=C02 (2—1)

(2．2) (2—3) (2—4) (2—5) (2—6) (2—7) (2-8) (2—9) (2—1 0)

2C+02=2C0

C+C02=2CO

C+H20=CO+H2

C+2H20=C02+2H2

C+2H2=CH4

CH4+202=C02+2H20

2H2+02=2H20

2CO+02=2C02

CO+H20=C02+H2

2．1．3生物质气化技术的分类

生物质气化技术根据气化介质的不同，可以分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化

可 o

(1)空气气化，是指以空气作为气化介质的气化过程。空气中的氧气与生物质中的可燃组分通过氧化反应，放出热量，为气化反应的其他过程如热分解与还原反应提供所需的热量，整个气化过程是一个自供热系统【241。【261。由于空气获取方便，且不需外热源，因此空气气化是所有气化过程中最简单、最经济也最容易实现的形式。其缺点是由于空气中含有79％的氮气，它不参与反应，却稀释了燃气中可燃组分的浓度，因而降低了气体热值，使气体热值最高只能达到7000kJ／Nm3,但是用于近距离燃烧和发电时，空气气化仍是最佳选择。

(2)氧气气化，是指以纯氧作为气化介质的气化过程。其原理与空气气化相同，

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由于没有惰性气体N2，在与空气气化相同的当量比下，气化反应温度提高，反应速率加快，反应容积减小，热效率提高，气体热值提高一倍以上[27】、[281。氧气气化的燃气热值与城市煤气相当，因此可以以生物质为原料，建立中小型的生活供气系统，另外其气体产物也可以用作合成气；其缺点是，需要一套昂贵的制氧设备。

(3)水蒸汽气化，是以高温水蒸汽作为气化介质的气化过程。生物质水蒸汽气化过程不仅包括水蒸汽和碳的还原反应【29】、[301，还有CO和水蒸汽变换反应，各种甲烷化反应及生物质在气化炉内的热分解反应等，其主要气化反应是吸热反应过程，因此一般需要提供外热源。其气体热值约为17．21MJ／m3。

2．2生物质气化器

气化器是生物质气化工艺中最核心的设备，根据操作条件的差别，气化反应器可分为：固定床气化器、流化床气化器(包括鼓泡流化床和循环流化床气化器)、气流床气化器。据统计，目前商业运行的装置中，75％采用下吸式固定床，20％采用流化床，2．5％采用上吸式气化炉，另外2．5％采用其他形式气化系统[3¨。图2．2给出了气化器分类结构图，表2．1给出了各种生物质汽化设备的类型和特点。

图2．2生物质气化器分类

沈阳航空工业学院硕士学位论文表2．1生物质气化设备类型和特点

气化炉类型

特点

上吸式

固体向下流动，气体向上流动下吸式固体向下流动，气体向下流动固定床同向式固体和气体同一方向流动(下吸式) 反向式固体和气体相反方向流动(上吸式) 横吸式

固体向下，气体以某一角度流入

单反应器气体低流速，惰性固体停在反应器内快速流化床惰性固体颗粒和生物质燃气一起向上流动并再循环循环流化床惰性固体颗粒和生物质燃气一起向上流动、分离、再循环流化床

蒸汽气化和热解发生在第一个反应器，炭在第二个反应器中燃烧，加

双反应器

热再循环硫化介质，可以使任意一种流化床，但燃烧器通常是鼓泡流化床

旋转锥

良好的气固接触，但要注意固体带出其他

旋风反应器高速的颗粒产生快的反应速率

2．2．1上吸式固定床气化炉上吸式气化炉的工作原理如图2．3所示，原料从上部加入，然后依靠

重力向下移动，

方向与气流方向相反，所以也叫逆流式气化器。刚进入气化器原料遇到下方上升的热气

l原料

，—。—，～、～干燥脱除水分 ,／A-解生物质<擎分还原 C+H02C+C02—一2CO H2+∞

／7／

}C+。2～C02 鬓愆 2H2+02—2印

‘＼＼～．

1 300 1100 900 700 500 300

温度T【K}

图2．3上吸式气化炉的工作原理132

空气从下部进入，向上经过各反应层，燃气从上部排出。在上吸式气化器中，原料移动

沈阳航空工业学院硕士学位论文表2．1生物质气化设备类型和特点

气化炉类型

特点

上吸式

固体向下，气体以某一角度流入

蒸汽气化和热解发生在第一个反应器，炭在第二个反应器中燃烧，加

双反应器

热再循环硫化介质，可以使任意一种流化床，但燃烧器通常是鼓泡流化床

旋转锥

良好的气固接触，但要注意固体带出其他

旋风反应器高速的颗粒产生快的反应速率

2．2．1上吸式固定床气化炉上吸式气化炉的工作原理如图2．3所示，原料从上部加入，然后依靠

重力向下移动，

方向与气流方向相反，所以也叫逆流式气化器。刚进入气化器原料遇到下方上升的热气

l原料

，—。—，～、～干燥脱除水分 ,／A-解生物质<擎分还原 C+H02C+C02—一2CO H2+∞

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温度T【K}

图2．3上吸式气化炉的工作原理132

空气从下部进入，向上经过各反应层，燃气从上部排出。在上吸式气化器中，原料移动

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流，首先脱除水分，当温度提高到250。C以上时，发生热解反应，析出挥发分，留下的木炭再与空气发生氧化和还原反应。空气进入气化器后首先与木炭发生氧化反应，温度迅速升高到1000。C以上，然后通过还原层转变成含CO和H2等可燃气体后，进入热解层，与热解层析出的挥发分混合成为粗燃气，也就是该气化器的产品。

上吸式气化器工作在微正压下，由风机向气化器内送入空气，气化器负荷量也由进风量控制。气化器的进料点正好是燃气出口的位置，为了防止燃气的泄漏，必须采取专门的加料措施。通常采用间歇加料的方式，将炉膛上部做得较大，能储存一段时间的用料(比如1小时的料量)，运行时将上部密闭，炉内原料用完后停炉加料。如连续运行则必须采用较复杂的进料装置。因此上吸式气化器一般适用于木材等堆积密度较大的生物质原料，对原料的尺寸和水分的要求并不苛刻。

上吸式气化器的优点是【33】、【34】：(1)气化效率较高，一方面因为热解层和干燥层利用了还原反应后气体的余热，出口燃气的温度降低到在300℃以下；另一方面气化器最下层是氧化层，这里有充足的空气供燃烧所用，底部的木炭可以得到充分燃烧。(2)燃气发热值较高，因为较高发热值的热解产物直接混入了可燃气体。(3)炉排受到进风的冷却，工作比较可靠。

2．2．2下吸式固定床气化炉在下吸式气化器中(如图2．4)，生物质原料由上部加入，依靠重力逐渐由顶部移动

到底部，灰渣由底部排除：空气在气化器中部的氧化区加入，燃气由反应层下部吸出。下吸式气化器中原料移动与气流的方向相同，所以也叫顺流式气化器。在气化器的最上层，原料首先被干燥【3 51。当温度达到250℃以后开始热解反应，大量挥发物质析出。600。C 时大致完成了热解反应，此时空气的加入引起了剧烈的燃烧，燃烧反应以炭层为基体，挥发分在参与燃烧的过程中进一步降解。燃烧产物与下方的炭层进行还原，转变为可燃气体。

下吸式气化器设计的关键在于保证燃烧的条件和燃烧层、气化层的稳定。对于木炭、木材等优质原料，其设计并不困难。但对秸秆和草类等物理性质较差的低品质原料，如不能保持床层稳定，就不能组织正常的气化‘361。例如，在挥发分大量析出后。秸秆的体积迅速缩小，及时填充空间才能阻断空气的穿透，继续正常的然烧和还原反应，而秸秆依靠重力向下流动的能力很差，连续的加料机构、合理的炉室形状和必要的拨火方式都

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是不可缺少的。秸秆的容重极低使得反应层的热容量很小，而燃烧层仅是一个100mm 量级的薄层，燃烧层的温度场不容易稳定，截面上部分区域出现燃烧不良，会使整个气化失败。设计强化燃烧的反应器结构和辅助的蓄热措施有助于建立稳定的燃烧条件，并使焦油得到进一步裂解，产生焦油等杂质含量较少的高品质洁净燃气。

I原料

脱除水分

生物质<擎舟

空气空气—--- +C+。2H2+022一—C022H20

C+H02一H2+CO

C+e01——‘

2CO

灰燃气 {300 1100 900 700 500 300

温度T[K l

图2．4下吸式气化炉的工作原理137l

2．2．3循环流化床气化炉图2．5为循环流化床气化炉。与鼓泡床气化炉的主要区别是在气化气出口处，设有

经过了旋风分离器或滤袋分离器后，通过料脚，使这些固体颗粒返回流化床，继续进行

图2．5循环流化床气化炉工作原理p剐

旋风分离器或袋式分离器，循环流化床流化速度较高，使产出中含有大量固体颗粒。在

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气化反应，这样提高了碳的转化率。循环流化床气化炉的反应温度一般控制在 700．900。C[371。它适用于较小的生物质颗料，在大部情况下它可以不'g,DN流化床热载体，所以它运行最简单，但它的炭回流难以控制，在炭回流较少的情况下容易变成低速率的携带床。 2．2．4双流化床气化炉双流化床气化炉，见图2．6，分为两个组成部分，即第1级反应器和第1I级反应器。

在第1级反应器中，生物质原料发生裂解反应，生成气体排出后，送入净化系统。同时生成的炭颗粒经料脚送入第1I级反应器。在第1I级反应器中炭进行氧化燃烧反应，使床层温度升高，经过加温的高温床层材料，通过料脚返回第1级反应器，从而保证第1级

反应器的热源，双流化床气化炉碳转化率也较耐39l。双床系统是鼓泡床和循环流化床的

结合，它把燃烧和气化过程分开，燃烧床采用鼓泡床，气化床采用循环流化床，两床之间靠热载体进行传热，所以控制好热截体的循环速度和加热温度是双床系统最关键也是最难的技术。

图2．6双流化床气化炉原理图1381

2．3影响生物质气化的因素

2．3．1气化反应器的影响根据炉型的不同，大致可分为固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉适用于

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气化反应，这样提高了碳的转化率。循环流化床气化炉的反应温度一般控制在 700．900。C[371。它适用于较小的生物质颗料，在大部情况下它可以不'g,DN流化床热载体，所以它运行最简单，但它的炭回流难以控制，在炭回流较少的情况下容易变成低速率的携带床。

2．2．4双流化床气化炉双流化床气化炉，见图2．6，分为两个组成部分，即第1级反应器和第1I级反应器。

反应器的热源，双流化床气化炉碳转化率也较耐39l。双床系统是鼓泡床和循环流化床的

图2．6双流化床气化炉原理图1381

2．3影响生物质气化的因素

2．3．1气化反应器的影响根据炉型的不同，大致可分为固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉适用于

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物料为块状及大颗粒原料。它结构简单，制作方便，具有较高的热效率，但内部过程难以控制，内部物料容易搭桥形成空腔，且处理量小。流化床气化炉适合含水分大、热值低、着火难的细颗粒原料，原料适应性广，可大规模、高效率利用。流化床还具有气固充分接触、混合均匀的优点，反应温度一般为700．850℃，其气化反应在床内进行，焦油也在床内裂解。生物质气化过程中产生的可燃气的特性受到气化炉的形式与运行方式等因素的影响。不同气化设备可燃气热值的区别见表2．2。由表2．2可以看出流化床气化炉的产气热值总体上高于固定床气化炉。

表2．2不同气化设备可燃气热值

注1△为低热值气体；o为中热值气体

2．3．2气化物料性质的影响物料粒度大小、总表面积及其含水量等对于燃料层中的气化过程均具有很大的影

响，物料粒径越小，其总表面积越大，热交换和扩散过程就进行得越激烈，使整个气化过程进行得越激烈和越完全【401。并且物料粒径小，其热阻力也小，气化炉内的温度分布也就越均匀，气化结果好。水分的影响主要体现在两个方面：一方面蒸发需要消耗气化过程中燃烧反应所放出的热量；另一方面，由于水是一种气化剂，能与C发生水煤气反应生成H2和C02，进而提高气化气的质量。

从表2．3可以看出，果皮气化生成的CO高达58．76％，而树枝的仅为26．13％； C02化也很大；甲烷气体也不尽相同，由于加入反应的水非常少，可以认为甲烷生

表2．3不同物料在相同工况下的燃气成分

的变

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成主要是从热解得到的；热解过程中生成的H2含量都比较高，而两种物质气化反应生成的H2的含量都少于5％，这可能是由于生成的H2与02反应生成水分而蒸发；从生成的可燃气(仅指CO、CH4、H2)比例来看，果皮(72．13％)>树枝(48．96％)，果皮的效果好于树枝。

2．3．3气化温度的影响生物质在气化过程中，气化温度是一个很重要的参数，温度的高低不但会影响产气

的速率，还对物料在反应过程中的吸、放热等可逆反应也一定的影响，从而最终影响产气效率、气化气的组成和热值。陈蔚萍等[41]研究了在流态化状态下不同生物质原料的气体产物产率、成分随反应温度的变化规律，得出随着温度的升高，生物质热解气化产物的产率增加，热值降低：H2在气体产物中的体积百分率增加，而CO和CmH。的含量则有所下降，这样不利于产品气热值的提高，但有利于产气率及碳转化率的增加；CH4 和CO含量减小归因于CH4、CO和水生成C02和H2，高温提供了热裂解和蒸汽气化的适宜条件。宿风明等【421在100。C、200。C、300。C、400。C、500。C、600。C、700。C、 800℃、 900。C下干馏松树锯末和棉秆等得出，随着温度的升高，固体产率下降，而气体产率增加，液体产率在600．700℃达到最大值，说明在这一温度有很强的裂解反应发生。随着温度的升高，产气率增加，反应速率增大，对产气成分的组成则随着实验条件的不同而不同。在热解的初始阶段，温度增加气体产率增加，归因于挥发物的裂解。其次，焦油的裂解也是随着温度的升高而增大，生物质气化过程中产生的焦油在高温下发生裂解反应生成小分子气体如CmHn、CO、H2、CH4。

2．3．4气化剂的影响气化剂不同，气化炉出口产生的气体组分也不同。氧气做气化介质时，的含量

要明显高过空气做气化介质时CO的含量，这可能是由于参与燃烧的氧气量增加，从而使得参与还原反应C02气体浓度增加，提高了CO的含量，同时也增加了C02的含量； CH4气体的含量有所下降，原因可能是由于部分与过剩的02发生燃烧反应，同时N2的加入也稀释了其浓度，最后影响产气热值【43l。气化介质为氧气．水蒸气时，CO、CH4、 H2三种气体的含量要比气化介质为氧气时对应成分高很多，特别是H2的含量从8．31％提高23．26％，CH4从9．32％提高16．68％，CO也从34．61％提高到43．52％。产生这种现象的主要原因是发生了生成水煤气(粗煤气)的反应：C+H20---*CO+H2(1)，

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C+2H20_÷c02+2H2 (2)，同时一些碳氢化合物也会参与反应，如：C2H2+ 2H20_÷2C0+3H2(3)。这些反应作用的共同结果使得产气中可燃气成分如CO、CH4、H2 等含量增多，特别是H2的含量增加的效果最明显，从而导致产气热值提高，这说明水蒸气是很重要的气化介质。通常水蒸气包括了物料中的水分以及外部加入系统的水蒸气，其作用是除了可以提高碳的转化率外，还可以有效地调节产气组分，从而得出纯氧．水蒸气气化有利于合成甲醇。空气．水蒸气气化结合了空气气化设备简单、操作维护简便以及水蒸气气化气中H2含量高的优点，用较低的运行成本得到H2与CO含量高的气体。此可燃气热值高，运行和生产成本较低，适合于其他化学品的合成，是较理想的气化介质[删。

2．4生物质气化技术的研究进展

2．4．1空气气化的研究进展由于空气气化中所用的气化介质获取方便，且气化过程中不需要外加热源，故它是

所有气化过程中最简单、最经济也是最容易实现的形式。人们对空气气化的研究也日渐成

熟。肖艳京，马隆龙[451等用空气作为气化介质，研究了生物质在流化床中的气化行为，研究表明，当空气物料比大于0．82时，可不提供热源而利用生物质自身燃烧的热量，能保证流化床正常流化状态和气化反应正常进行，并可得到热值为7MJ／Nm3左右的气化气；随着供给空气量的增加，气化气中可燃成分(CO、H2)降低，而C02增加，气化气热值降低；产气比随空气量的增加而增加，气化效率随空气供给量的增加而降低。喻霞mm×345 等‘461研究了生物质固定床的气化过程，他们在截面为710 mm的固定床气化炉内，采用空气作为气化剂，对垃圾、木块等生物质进行了气化试验研究。生成煤气的成分为：C015．8％、H27．5％、CH42．9％，煤气的热值为4508．8 kJ／m3，气化效率可高达73％。

空气流量对气化炉的稳定运行有重要的影响，空气流量过小，会造成原料的过度缺氧燃烧，反应温度低，氧化反应和还原反应均不充分，使气化气中的可燃成分含量下降；而且反应温度低会造成气化气中的焦油含量高，容易堵塞后续管道。空气流量过大，则反应速率快，产气量高，但易造成过氧燃烧，使气化气中可燃成分含量减少，空气流量过大还会导致气体流动速度快，将大量未经反应的炭粉颗粒和炉灰带到后续设备中，不

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C+2H20_÷c02+2H2 (2)，

同时一些碳氢化合物也会参与反应，如：C2H2+ 2H20_÷2C0+3H2(3)。这些反应作用的共同结果使得产气中可燃气成分如CO、CH4、H2 等含量增多，特别是H2的含量增加的效果最明显，从而导致产气热值提高，这说明水蒸气是很重要的气化介质。通常水蒸气包括了物料中的水分以及外部加入系统的水蒸气，其作用是除了可以提高碳的转化率外，还可以有效地调节产气组分，从而得出纯氧．水蒸气气化有利于合成甲醇。空气．水蒸气气化结合了空气气化设备简单、操作维护简便以及水蒸气气化气中H2含量高的优点，用较低的运行成本得到H2与CO含量高的气体。此可燃气热值高，运行和生产成本较低，适合于其他化学品的合成，是较理想的气化介质[删。

2．4生物质气化技术的研究进展

2．4．1空气气化的研究进展由于空气气化中所用的气化介质获取方便，且气化过程中不需要外加热源，故它是

所有气化过程中最简单、最经济也是最容易实现的形式。人们对空气气化的研究也日渐成

熟。肖艳京，马隆龙[451等用空气作为气化介质，研究了生物质在流化床中的气化行为，研究表明，当空气物料比大于0．82时，可不提供热源而利用生物质自身燃烧的热量，能保证流化床正常流化状态和气化反应正常进行，并可得到热值为7MJ／Nm3左右的气化气；随着供给空气量的增加，气化气中可燃成分(CO、H2)降低，而C02增加，气化气热值降低；产气比随空气量的增加而增加，气化效率随空气供给量的增加而降低。喻霞等‘461研究了生物质固定床的气化过程，他们在截面为710 mm×345 mm的固定床气化炉内，采用空气作为气化剂，对垃圾、木块等生物质进行了气化试验研究。生成煤气的成分为：C015．8％、H27．5％、CH42．9％，煤气的热值为4508．8 kJ／m3，气化效率可高达73％。

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仅造成能源浪费，也使后续处理设备负担增加，影响处理效果【47】。骆伟峰等实验研究了木薯茎秆气化时气化炉的温度分布曲线，在恒定流量下，5min左右即可稳定产出燃气，气化器氧化层、还原层以及热解层温度稳定在1000。C、900℃和580℃左右，至产气结束时温度下降，因此可以根据温度来判断气化器运行情况。他们在实验条件范围内(空气流量为10\"-'30 Nm3／h)，气化气的热值达3695～3974 kJ／Nm3，气化产率达2～3

Nm3／kg。

生物质旋风气化是一种新的气化工艺，具有气化温度高、可控性强等优点【4 8|。在气化过程中，空气携带生物质物料切向输送到气化器内，形成气固两相旋流流场，同时完成气化反应[49】-【”l。通过优化运行参数，提高气化温度，可以改善产品气的品质。孙绍增【521等研究了空气当量比对稻壳旋风气化的影响，他们发现随着空气当量比的增加，整体气化温度升高，有利于消除气化燃气中的焦油含量，但空气当量比的增加也带来燃气热值的下降，并得出稻壳旋风空气气化的最佳当量比为0．25\"～0．26；通过实验结果分析，在稻壳旋风空气气化中，还原区的温度是影响最后气化燃气品质的主要因素，燃气成分之间在还原区反应条件下相互转化，其最后的含量取决于这种化学动态平衡的结果；稻壳旋风空气气化可以在高温下长期运行，不会发生结焦现象。

随着城市化进程的加快和人们生活水平的提高，我国城市生活垃圾的产量迅速增加。数量庞大的生活垃圾对城市及周边地区的生态环境构成极大威胁，垃圾堆放产生的有害气体及垃圾渗滤液对大气、水源及土壤造成污染，严重危害人体健康。在垃圾产量增加的同时，我国城市生活垃圾的成分构成也发生了很大变化，主要是纸类、织物、塑料等有机可燃组分的含量增加【53]、[541，可燃物的比例已经由40％增加到80％以上，垃圾的热值也由过去的3349 kJ／kg上升到5860 kJ／kgL55】。热值的提高使城市生活垃圾资源化处理技术(气化、焚烧)逐渐引起人们的关注，其中的城市生活垃圾气化处理技术是利用生活垃圾制取可燃气体的新型垃圾处理技术，国内外许多研究人员对城市生活垃圾气化进行了大量的研究‘56]-【601。刘慧利等人在氮气、空气和富氧三种气氛条件下对城市生活垃圾气化过程进行实验研究，考察了温度、升温速率及反应气氛对城市生活垃圾气化的影响。总结出了城市生活垃圾气化过程中产生的CO，H2，CH4，C02四种主要气体产物的体积分数在25@--+950。C的变化规律。氮气气氛下，在250\"--'500℃的低温区段， CO气体的体积分数随升温速率的升高而降低；在500～950。C的高温区段，CO气体的

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体积分数随升温速率的升高而增加。H2在500。C之后才开始产生，其体积分数在500\"--\" 950。C随升温速率的升高而增加。CO，H2，CH4三种气体在各个温度点处的体积分数都随气氛中氧气体积分数的增加而降低，而C02气体在各个温度点处的体积分数则随气氛中氧气体积分数的增加而升高【61]。

2．4．2富氧气化的研究进展生物质富氧气化的化学原理与空气气化相同，它利用氧和生物质的部分燃烧为热分

解及还原反应提供热量，从而使固体生物质转化为气体燃料，其主要优点是降低气化过程中惰性气体N2的含量，从而减少用于加热N2所需的热量和气化反应所需的体积，能明显地提高气化效率，达到较理想的气化效果。

富氧气化是一种特殊的气化方法，它要求有相应的制氧设备，且电耗较高，成本也较高。但在特殊场合，它仍可带来显著的效益，使总成本反而降低。例如对集中供气系统，低热值气需要庞大的储气设备和供气管道，而富氧气化所得的中热值气体能减少这方面的投资，取得更好的效益；又如对大型的IGCC系统，富氧气化能减小设备体积，燃气热值的提高又能有效地提高燃气轮机的效率，因而在很多燃煤IGCC示范电站都有应用【62】。国外有关生物质氧气气化的研究很多，从实验室规模到中试设备都有，最大的处理量每小时达几吨【631，其共同特点是：氧气气化在高压下进行，大部分气化炉都采用流化床，氧气浓度高达99％以上。例如瑞典的MINO生物质气化项目就是其中的典型代表，它运行在30个大气压下，采用两段式流化床结构，处理量为500kg／有较高的水平。

蒋剑春等【64]开发研究了适合软秸杆气化的富氧气化工艺及锥形流化床气化炉。在 600～820℃气化温度范围内，研究了催化齐lJ(CaO、NaOH)、流化速度、床层压降对煤气热值的影响，以稻草为原料在CaO催化剂作用下，煤气中的重烃含量高达4．81％。对内循环锥形流化床气化炉在秸杆气化过程中的稳定性和安全性进行了试验。结果表明：采用内循环锥形流化床气化炉及富氧气化工艺安全、稳定，所产生的煤气具有焦油含量低、煤气热值高等特点。江苏省研究开发以木屑、稻壳、稻草和麦草为原料，应用内循环流化床氧化系统，并研究应用催化剂和富氧气化技术产生接近中热值煤气，供乡镇居民使用的集中供气系统，气体热值为7000 kJ／Nm3左右，较同类生物质气化的热值提高了近30％[651。李延吉【66】等人对果皮富氧气化做了动力学研究，他们利用小型固定床

h，具

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式气化炉对果皮进行富氧气化的实验，采用均相反应气化模型，介绍了果皮富氧气化的表征动力学模型的建立，求得了果皮富氧气化的动力学参数。最后比较发现氧气作气化剂时的动力学参数小于二氧化碳作气化剂时的参数，相对来讲采用富氧气化效果优于二氧化碳。

吴创之[6 7J等人对中热值气化装置进行了设计和运行，他们通过试验和数据分析发现，采用90％的富氧气化具有较理想的效果，气体热值在10～12MJ／Nm3之间，气化效率在70％以上，单位燃气的耗电量为0．075kWh／Nm3左右，他们认为生物质的富氧气化具有较好的经济性和实用性。赵先国[68】等人在常压流化床装置上进行了生物质在富氧条件下定向气化的实验研究，他们主要考察了氧的当量比(ER)和氧体积分数对气化气组成、

碳转化率和气体热值的影响。随着当量比的变化(0．21，--'0．29)，燃气成分也会改

变，其中变化最大的是H2、CO，H2体积分数显著增加，CO和CH4体积分数有降低的趋势，使燃气热值降低。氧体积分数是富氧气化过程中较重要的参数，他们在实验研究的范围内，发现增大氧气体积分数可以提高H2体积分数及有利于调节H2／CO(体积分数)的比值。当氧气体积分数从21％提高到45％，H2体积分数从20％增加到27．7％， H2／CO(体积分数)从0．38增加到0．75，比较接近合成液体燃料的气体比值。任永志[69]等进行了生物质富氧气化气作为机动车燃气的初步试验，他们分析了富氧气化剂对于气化气出气成分的影响，同时，对于生物质气化产出气作为机动车燃料的经济可行性进行了分析，结果表明，采用富氧气化剂可以明显提高产出气的热值，增加气体的能量密度，同时，产出气作为燃料能够满足机动车的动力性要求，在生物质原料成本控制在一定的范围内的情况下，生物质气化产出气作为汽车燃料能够体现一定的经济性。

生物质富氧气化技术也可用于制各富氢燃气的过程中，氢能作为一种新的二次能源，有着导热系数高、热值高、燃料无污染等优点【70]。但是目前的工业制氢方法一电解水制氢法和化石燃料转换制氢法．都需要消耗大量的不可再生资源，不符合可持续发展需要，生物质的热化学转化制氢作为一种很有前景的氢能开发方式，受到世界各国研究者的关注。赵先国l¨j等人采用鼓泡床为反应器，对生物质富氧一水蒸气气化制取富氢燃气的特性进行了研究。他们考察了温度、水蒸气／生物质(S／B)和氧浓度对气体成分、氢产率和潜在产氢量的影响，通过实验数据的分析，他们得出在温度、水蒸气／生物质 (S／B)和氧浓度这3个主要参数的变化范围内，氢产率和潜在氢产量受温度的影响较

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大，当温度从700。C．900。C时，每千克生物质氢产量从189增加到了539，每千克生物质潜在氢产量从71．6 g增加到了115．69。

我国对富氧气化的研究还涉及到合成氨工业中，用无烟煤常压富氧连续气化制取甲醇、氨两用合成气，在低压合成甲醇的同时，甲醇驰放气联产合成氨，充分合理利用合成气中CO组分，减少C02排放对大气的危害。四川省高县氮肥厂合成氨联产8万吨／年甲醇，他们采用富氧空气连续气化工艺，炭利用率高，热能回收好，无吹风气排放，硫化物全部在脱硫装置回收成硫磺，产气热量回收率高，副产蒸汽基本自给平衡，免去含硫和C02烟道气排放【72】。

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第3章实验设备及方法

3．1实验原料

实验用生物质选用东北常见的黄松木为原料。实验前，用电锯将黄松木切割成尺寸约为30mmx30mmx30mm的木块，并使其自然风干，测量其平均含水率小于5％，堆积密度在230kg／m3左右。原料工业分析及元素分析结果见表3．1。

表3．1原料元素分析和工业分析

3．2实验设备

3．2．1气化设备系统

全部气化实验均在一个下吸式固定床气化炉内进行。生物质富氧气化实验系统由原料处理设备，氧气瓶及其氧气联箱，下吸式生物质气化炉，旋风除尘器，喷淋清洗器，气水分离器，生物质过滤器，罗茨鼓风机，取气泵，气象色谱仪组成。该系统的工艺流程如图3．1所示。

2 3 q 5 丫 8 9 10

1氧气联箱2氧气瓶3空气预热器4气化炉5旋风除尘器6喷淋器7气水分离器8过滤器9罗茨风机10回流调节阀

图3．1系统工艺流程图

3．2．2氧气联箱及其空气预热器氧气联箱是一个尺寸为0219mmx800mm的柱体结构，由于氧气由氧气瓶释放时，

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第3章实验设备及方法

3．1实验原料

表3．1原料元素分析和工业分析

3．2实验设备

3．2．1气化设备系统

2 3 q 5 丫 8 9 10

1氧气联箱2氧气瓶3空气预热器4气化炉5旋风除尘器6喷淋器7气水分离器8过滤器9罗茨风机10回流调节阀

图3．1系统工艺流程图

3．2．2氧气联箱及其空气预热器氧气联箱是一个尺寸为0219mmx800mm的柱体结构，由于氧气由氧气瓶释放时，

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带有一定的压力，而实验所需的气压为常压状态，这样才‘能保证系统的负压运行，很好的控制气体的流速。氧气联箱的主要功能是为了缓冲气体的作用。在进行富氧气化时，由于富氧空气中氮气的减少，使实验所需的质量流量减小，气体流速也随之降低。为了能够使气体有足够的速度与喉部的物料充分混合，必须保证其体积流量基本保持一致，升高温度有利于气体的体积膨胀，因此设计了尺寸为500mm×400mm×200mm的空气预热器，用木炭进行加热，进入炉内的富氧空气温度平均可达到100℃左右。 3．2．3下吸式固定床气化炉

整个实验过程中最为重点的设备是气化炉，其性能直接影响整个系统运行是否可气质量的优劣。本实验所选用下吸式固定床气化炉的结构简图如图3．2所示。

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图3．2下吸式气化炉结构简图

该设备的主要特点是通过循环喷嘴均布配风装置，使气化反应更加充分，进一步提高气化效率，在喉口下部增设还原炭层，使产出气进一步还原，同时降低产出气温度；实验所用气化炉的下吸式的特殊结构能够大大减少燃气中的焦油含量，在气化炉的设计中，为了提高气化效率，并且保证在使用各种原料时，气化质量的稳定，适当调整喉管区结构及配风喷嘴位置，组织合理的空气动力场，合理确定还原层的厚度，提高反应区的温度，使产出气中焦油得以还原裂解，从而保证在使用不同物料时，喉管区的气化反应均匀、稳定，产气质量好，气化效率高。该气化炉取消了以往设于气化炉炉体下段的水冷夹套，提高了气化炉出口产出气温度，使产出气中的焦油在合适的温度条件下进一步得

靠，产

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到裂解。

尤其针对固定床气化器，通过循环喷嘴均布配风装置，使气化反应更加充分，进一步提高气化效率，在喉口下部增设还原炭层，使产出气进一步还原，同时降低产出气温度。这是本课题的一个创新点

下吸式炉型的理论进风量、气化强度以及喉部的结构是决定气化炉产出气质量的关键。根据气化反应的热力学理论，对于空气作为气化剂时，当量空气系数(单位生物质在气化过程所消耗的空气量与完全燃烧所需要的理论空气量)之比为0．25\"-一0．3时，可以得到较高热值的燃气，如图3．3所示，理论最佳当量空气系数为O．28。根据生物质物料的元素分析结果按下面公式计算出物料完全燃烧时所需的理论空气量Vo，考虑到物料依靠自然晾晒及其天气影响以及物料品种的变化，并且考虑到尽量提高气化炉的气化强度以加强焦油的二次裂解效果，减少产出气中的焦油含量，并且保证产出气体质量，确定实验时当量空气系数最高为0．3，根据设计给出的小时物料消耗量，可以确定气化炉气化所需理论空气量为226Nm3／h。

图3．3 当量空气系数与产出气成分关系

下吸式气化炉的喉部截面积缩小，目的是保证均匀的还原层和温度的一致性，同时也强化该反应区的反应。为了增强喉部的作用效果，本系统中下吸式气化炉的喉部均匀布置了5个进气喷嘴，喷嘴直径为①1 lmm，各喷嘴轴线相切于一个q)30mm虚拟圆，如图3．4所示。这种配风方式增加了气体的扰动，在喉部形成空气动力场，保证了空气与

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图3．4喷嘴位置不恿图物料的良好混合、较高的气化强度以及反应的完全性，根据前面计算的理论空气量为 226Nm3／h，则每个喷嘴内空气流速为37．04m／际上，由于产出气对于喷嘴风室的预热作用，气体体积膨胀，其实际流速还会高一些。除此之外，喉部喷嘴所在平面距离炉

蓖的尺寸对于气化炉的稳定运行也是致关重要的，尺寸增大，产气反应的稳定性增加，但产出气的流动阻力会加大，严重时产生炉门喷火现象；反之，如果没有足够的炽热炭表3．2气化炉主要设计参数

s，实

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层，保证不了良好的还原效果。气化炉的主要设计参数见表3．2． 3．2．4旋风除尘器

旋风除尘器是应用最广，也是最有效的除尘设备，具体形式有很多种，实验所采用的旋风除尘器为填料式旋风除尘器。其工作原理是气体沿切线方向进入旋风分离器的圆筒部分，在旋风分离器中做旋风运动，悬浮在生物质燃气中的灰分、碳颗粒等粒子靠离心力的作用被抛向器壁并与之产生摩擦，因摩擦使粒子其失去活力，在自身重力的作用下落至分离器的锥形底部。落下的固体颗粒可从底部的排污口排出，除尘后的产出气体由设备上部进入下一级。

实验所采用的旋风除尘器为填料式旋风除尘器。根据中意科技合作项目中意大利气化机组的特点和对文献上关于推广生物质气化技术经验的总结，填料式旋风除尘器在去除细灰和冷却产出气方面有很多优越性，在本课题中同样采用两个该种形式的旋风除尘器并联使用。其设计是依据入口气体流速、产出气中固体颗粒粒径进行，随着入口气体流速的增加，分离效果将会得到增强，由于产出气流通阻力与气体流速的平方成正比，流速过高要增加罗茨鼓风机的功率，旋风除尘器设计参数见表3．3。

表3．3旋风除尘器设计参数

3．2．5喷淋清洗器

喷淋塔因其多样性的作用而成为生物质气化系统中最常用也是最重要的气体净化设备，它既可以除尘，除焦油，还可以冷却生物质气化产出气。本课题采用直接喷淋与问接冷却复合式产出气清洗器，在喷淋清洗的同时，可以冷却喷淋水和产出气，使喷淋水和产出气同时降温，该设备具有结构紧凑、效率高和用水少的特点，课题采用将意大

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利生物质气化机组中同类设备通过改进完善使之更具实用性。表3．4为喷淋清洗器的设计参数。

表3．4喷淋器设计参数

3．2．6气水分离器由于生物质物料本身含有水分，在气化过程中不能被完全反应，而且在喷淋塔的净

化过程中又携带有水分，所以出去气体中的水分是比不可少的一部分，常采用气水分离器进行除湿。它利用惯性分离的原理，用于去除产出气中的水分，进而提高气体质量。实验采用挡板式气水分离器除湿，实行6级串联的连接方式，用于去除产出气中携带的微小水滴，每级均设有排污口，根据已经实验的系统的运行情况看，该种分离器的效果是理想的，不足之处是相对于系统中其它设备其流通阻力较大，由于运行环境的改变，一般为600～800mmH20。其设计参数见表3．5。

表3．5气水分离器设计参数

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3．2．7生物质过滤器焦油是生物质气化过程中不可避免的副产物。它的存在对气化有诸多不利的影响，

首先，降低了气化效率，其次液态的焦油容易和水，焦炭等结合在～起，堵塞送气管道，使气化设备运行困难。另外，液态的焦油很难燃尽，燃烧时产生的炭黑等颗粒对燃气设备的损害严重。由于焦油在高温状态下呈气态，与气化产出气完全混合，而在温度低于 200。C时即凝结为液态，所以增加了其分离和处理的难度，特别是在用于家庭和内燃机发电时，燃气需要降温利用的情况下，问题尤为突出。

本实验所采用的生物质过滤器是气体过滤的最后一级设备。以吸附性强的刨花为填料，可更进一步去除产出气中的水分和灰份以及残余焦油，填料定期更换，失效后的生物质经过晾晒还可以再投入气化炉中气化，避免了二次污染。虽然该方法具有除尘和除焦两大功能，但是生物质滤料的使用会增加系统的阻力，增加罗茨风机的功率，从而增加产气成本，因此该种方法只是适合与小型的生物质气化系统，表3．6为生物质过滤器设计参数。

表3．6生物质过滤器设计参数

经过上述设备后的产出气中，灰、炭颗粒、水分都大大降低了，焦油及灰分的含量低于10mg／m3，而且气体也达到了预先要求的温度，完全满足家庭用气和内燃机的使用，并且有效的减少T-次污染。尽管如此，净化效率也不能达到100％，因此在使用过程

中还要考虑到杂质的影响，避免出现故障。

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3．2．8罗茨风机罗茨鼓风机是气化及其净化系统的动力源，是燃气工

程中最常用的燃气加压设备。如图3．5所示，它的工作原理是在壳体中有一对“8”字形的转子，运行时一个转子顺时针旋转，另一个转子逆时针旋转。这种旋转运动使转子与壁面之间包围的空间体积周期性变化，从而对其问的气体产生压缩，提高了燃气压力。

在生物质气化系统中，忽略气体沿转子之间和转子与壁面之间的间隙的回流，把罗茨风机当做一个容积式输送

图3．5罗茨输送机 1转子2外壳

机，也就是说气体流量受压力影响很小，这样有利于保证气化系统的稳定运行。由于容积式输送机不能通过调整出口阀门改变气体流量，必须采用设置回流管路的方法。需要减少气体流量时，打开回流阀使部分产出气体由输送机出口回到入口，需要增加气体产量是，适当关闭回流阀以减少产出气体的回流。

本实验中，所采用的江苏省无锡市贝润风机制造有限公司生产的L20x20NU--1型罗茨

鼓风机，最大流量3．1m3／min，主轴转速960r／min，升压为19．614kp。，配功率为3kW 的电机。并且进出口间配有DgS0回流管和相应尺寸的阀门控制其输出流量。

3．3分析测试方法产生的气体通过取气泵收集在1L的取气袋内，供气体分析之用。实验所用分析仪

CP 器为HP公司生产的Varian 3800气相色谱仪。氦气为载气，色谱柱为新型炭分子筛，

柱温为40。C，一次进样可以得到六种气相(H2、02、N2、CO、CH4、C2H4)组分数值。 3．4实验方法

因为实验是在中式实验台上进行，所以实验过程遵循实际工程应用中的操作规范。

3．4．1实验前准备实验开始前，打开清灰门，加木炭至炉内的扩口位置，以保证产出气体能与还原碳

层充分接触。为了保证实验数据的准确性，采取一次性加料，大约70kg左右。加料完

毕将炉盖扣好，同时连接好热电偶。开启数据采集模块进行预热，保证至少10分钟的时间，以保证数据采集的准确性。

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3．2．8罗茨风机罗茨鼓风机是气化及其净化系统的动力源，是燃气工

在生物质气化系统中，忽略气体沿转子之间和转子与图3．5罗茨输送机 1转子2外壳

壁面之间的间隙的回流，把罗茨风机当做一个容积式输送

本实验中，所采用的江苏省无锡市贝润风机制造有限公司生产的L20x20NU--1型罗茨

3．3分析测试方法产生的气体通过取气泵收集在1L的取气袋内，供气体分析之用。实验所用分析仪

器为HP公司生产的Varian CP 3800气相色谱仪。氦气为载气，色谱柱为新型炭分子筛，柱温为40。C，一次进样可以得到六种气相(H2、02、N2、CO、CH4、C2H4)组分数值。3．4实验方法

因为实验是在中式实验台上进行，所以实验过程遵循实际工程应用中的操作规范。

3．4．1实验前准备实验开始前，打开清灰门，加木炭至炉内的扩口位置，以保证产出气体能与还原碳

层充分接触。为了保证实验数据的准确性，采取一次性加料，大约70kg左右。加料完毕将炉盖扣好，同时连接好热电偶。开启数据采集模块进行预热，保证至少10分钟的时间，以保证数据采集的准确性。

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在此期间，检查罗茨风机传动轴能否用手盘动，如若不能，预先处理，直到能盘动为止。打开罗茨风机回流阀门至适当位置，启动喷淋水泵，为冷态气密性检查做好准备。

3．4．2气密性检查气密性是整个实验顺利进行和数据准确性的重要保证。因此，每次实验前都要检查

系统的气密性是否完好。在实验前准备好的前提下，启动罗茨风机，调整回流阀至流量在低、中、高三个位置，分别对系统设备逐一进行检验。如果发现气化炉的清灰门、炉盖，旋风除尘器等有漏气想象，由于它们在运行时的温度较高，所以要及时更换耐高温的石棉绳垫圈。后续的净化设备可用常用的玻璃胶做常规密封。

3．4．3实验操作过程确定系统气密性完好后，打开点火口阀门，并启动罗茨风机，调整回流阀使流量保

持在20m3／h左右。将废旧报纸卷成合适大小的筒状点着火后由点火口送入，通过计算机的Labview软件的温度监视窗口观察温度变化，当氧化区测点的温度曲线上升很快时，证明炉内物料已被点燃，此时关闭点火口阀门。

随着温度的升高，炉内各反应层也逐渐建立，当温度上升至200。C时已经开始产气，’但是由于反应还未稳定，产出气虽然能够点燃，但是不能持续稳定，大约10～15分钟后，炉内还原区的温度以达到350～450。C，此时产出气可以持续稳定燃烧，表明系统已经稳定运行。在进行用空气做气化剂的实验时，便可以按照实验方案，调整不同工况进行实验。当进行富氧气化实验时，当产出气稳定燃烧时，便可打开氧气瓶阀门，通过阀门调节其流量来控制合适的浓度进行实验。

气体样品通过在罗茨风机后面排空管道上的取气管连接取气泵进行收集。取样时间间隔为5min，每个工况取样3个，实验结果取平均值。

在系统运行过程中要注意观察炉内的温度变化，如果温度过高，则会出现烧穿或搭桥现象，隔段时间要摇动炉上的摇把拨动物料，但拨动物料时不宜过重过频，因为已碳化的物料极易被摇碎，造成喉口堵塞，气流不畅，使产出气体质量下降，严重时可能会出现明火及喷火现象。

3．4．4停机

正确停机是确保系统安全的重要手段。首先，通过两个出气管道的切换，将点燃的产出气火焰熄灭，防止在停止罗茨风机时，发生回火现象。然后，在停止罗茨风机的同

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时，关闭进气口总阀和出气口总阀，停止罗茨风机，并且将气化炉周围的可燃物清扫干净。等喷淋器的表面温度降到接近环境温度时，关闭喷淋水泵。待到气化炉内物料完全熄灭至冷却后，打开进料121盖和清灰门，将所剩残料、木炭和灰清空，同时检查炉内设备情况。若无异常，封闭清灰门，为下次实验做好准备。最后，切断所有电源，放掉净化设备内的污水，关闭所有阀门。

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第4章固定床生物质富氧气化的行为研究

4．1 引言生物质是一种重要的可再生能源，由于它的广泛性、可再生性、清洁性而受到人们

的广泛关注【77】-【81l。

生物质气化是热化学转化中最主要的方式之一。生物质原料气化是一个相对古老的技术，早在1830年的二战期间达到鼎盛时期，但是随着化石燃料的大量开发、利用，导致生物质气化技术走入低潮阶段。近年来，由于能源紧张、环境污染程度加剧，急需有效解决这些问题的途径，而生物质能源恰恰具有这样的优势，所以在1999年世界第 15次能源大会上生物质气化技术被确定为优先开发的,fja匕t源技术之一[82】。[83】。

相对于燃烧而言，生物质气化有以下优点：热释放速率高、较高的燃烧效率、能源输出和调节方便，燃烧器结构简单，没有颗粒排放，较低的污染物排放。产出气体可直接用于炊事和在内燃机中燃烧。此外，较低的运行温度，可有效避免灰熔聚和结渣现象的发生以及可将有毒、有害物质固留在残渣中而容易除去。由于，生物质气化是一种高效、清洁的生物质转化形式，在提高生物质利用率和减少污染方面起着重要作用。至今已有不少研究者在该领域进行了广泛的研究，虽然有些气化炉已经投入工业运作，但是对于其气化特性，气化过程的优化，产品气的净化与利用、气化过程原理还不是十分清楚。

近年来，许多研究人员对固定床生物质气化进行了实验研究，但是由于实验条件、气化炉结构以及不同生物质原料、不同气化介质等因素的影响，不同研究者的研究结果存在这很大的差别。本文采用下吸式气化炉进行生物质的空气气化和富氧气化特性研究，旨在探讨固定床生物质富氧气化机理，研究气化炉参数、运行条件等对产出气体质量的影响。并根据研究结果优化生物质气化炉的设计参数，确定最佳工艺条件。

4．2生物质气化过程固体物料的热化学分解、气化是其燃烧的特殊形式。物料的完全燃烧是在空气充足

的条件下实现的，它的最终产物是C02和H20。在空气(氧气)不足的情况下，物料也36

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会燃烧，但这种燃烧属于不完全燃烧，它的燃烧产物是C0、H2和CmHn。对完全燃烧来说，它们是中间产物，而这些产物都是可燃气体。

生物质气化是在一定的热力学条件下，将组成生物质的大分子碳氢化合物转化为含一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。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。气化过程和常见的燃烧过程的区别是燃烧过程中供给氧气量的不同，完全燃烧的目的是直接获取热量，燃烧后的产物是二氧化碳和水蒸气等不可再燃烧的烟气；而气化过程只供给热化学反应所需的那部分氧气，而尽可能将能量保留在反应后得到的可燃气体中，气化后的产物是含氢、一氧化碳和低分子烃类的可燃气体。

生物质气化过程的两大关键过程是氧化和还原。氧化的份量太大就接近燃烧，显热成分过高，炉体过热，气化炉就变得象是燃烧炉；相反的情况，如果空气太少，氧化的份量太小，反应温度过低，只冒油烟和水汽，气化装置类似炭化炉，还原的条件(温度) 不够，达不到气化条件，两者都不能产气。

为讨论方便，常将生物质气化过程分解成干燥、热解、氧化、还原等阶段。

4．2．1

干燥过程干燥区位于气化炉内物料的最上层，是比较简单的一个物理过程。湿物

料在这里吸

收裂解区、氧化区和还原区三个反应区生成的热气体携带的热量，将原料中的水份蒸发出去，使生物质物料由含有一定水分的原料转变为干物料。干燥区的产物为干物料和水蒸气，温度大约为100。C～250。C。

4．2．2热解过程热解过程是一个十分复杂的热化学过程，其真实的反应包括若干沿着不同路线的一

次、二次乃至高次反应，不同的反应路线得到不同的产物。它是高分子有机物在高温下吸热所发生的不可逆裂解反应。其总的结果是大分子的碳氢化合物的链被打碎，析出生物质中的挥发物，留下木炭构成迸一步反应的床层。高温时，生物质的热解产物是非常复杂的混合气体，其中至少包括数百种碳氢化合物。有些可以在常温下冷凝形成焦油，有些不冷凝气体可以直接作为气体燃料使用。总的来说，热解反应是一个吸热过程，但由于生物质原料中含较多的氧，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，从而加速完成热解。工艺条件如温度和加热速率等的不同，反应产物得率有所变

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会燃烧，但这种燃烧属于不完全燃烧，它的燃烧产物是C0、H2和CmHn。对完全燃烧来说，它们是中间产物，而这些产物都是可燃气体。

为讨论方便，常将生物质气化过程分解成干燥、热解、氧化、还原等阶段。

4．2．1

干燥过程干燥区位于气化炉内物料的最上层，是比较简单的一个物理过程。湿物

料在这里吸

4．2．2热解过程热解过程是一个十分复杂的热化学过程，其真实的反应包括若干沿着不同路线的一

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化，如缓慢裂解可以得至IJ40％～50％的木炭，这是典型的木炭生产工艺；而快速裂解 (500K／s)可以将生物质的70％转换成蒸汽，冷却后得到裂解油——一种目前国际上很关注的新

能源产品。生物质气化工艺的目的是得到可燃气体，不必过多考虑这些中间反应过程，但在热解反应中产生的焦油影响燃气使用，需要抑制其产生并从燃气中去除。 4．2．3氧化反应

热解反应和后面叙述的还原反应都是吸热反应，为维持反应必须供应足够的热量，最简单的方法是向反应层供入空气，通过燃烧获得热量。参与燃烧的主要是碳和空气。主要的反应有：

C+02=C02 (4．1) (4．2) (4．3) (4．4)

2C+02=2CO

2CO+02=2C02

2H2+Oz=2H20

氧化层的反应主要是碳和空气的两相反应，其化学反应速度可以用所消耗的氧量表述为：

K=if,(Coo-Cn) (4．5) (4．6)

K=k Cn

其中 K：单位面积单位时间碳表面消耗的氧量； Ⅸ：传质系数； Coo：远处的氧浓度，对气化器就是空气中的氧浓度； Cn：碳表面的氧浓度； k：化学反应常数。

燃烧需要消耗大量的氧，而这些氧是从周围空气中扩散到碳表面的，碳表面氧消耗以后浓度降低，周围的氧就在浓度差的作用下向碳表面移动，式(4．5)表述了空气中的氧向碳表面的传输速度。式(4-6)表述了碳与氧的化学反应速度。这两个速度应该是相等的，合并两式并消去Cn，得到：

K：刍 1／a+1／k

(4．7)

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因此，实际控制燃烧反应的是1／仪表征的氧扩散阻力和1／k表征的化学反应阻力。化学反应常数(k)随着温度升高而迅速增加。但传质系数仪受温度影响很小。温度较低时，化学反应速度(k)很小，当1／k>>1／or，可以忽略扩散阻力的影响，燃烧速度由化学反应速度控制，称作动力反应。在气化器中，实际燃烧温度超过1500K，这时化学反应速度gNk值很大，1／k<<1／cz，可以忽略化学反应阻力的影响而认为燃烧速度完全由空气中的氧向碳表面的扩散速度所控制，称为扩散反应。式(4—7)变为

K≈仪Coo

(4．8)

在扩散反应时，化学反应速度大大超过了氧的扩散速度，燃烧得十分剧烈，以至于空气中的氧刚达到碳的表面，立刻被消耗光，碳表面气体中的氧含量几乎等于零。因此氧化层的厚度很小，只有3～4个原料颗粒的当量直径。增加通风强度，只会使燃烧更加剧烈，氧消耗得更快，而不会增加氧化层的厚度。 4．2．4还原反应

还原层位于氧化层的后方，燃烧后的水蒸气和二氧化碳与碳反应生成氢和一氧化碳等，从而完成了固体生物质原料向气体燃料的转变。主要的反应有：

C+H20=CO+H2 (4-9) (4．10) (4-11)

C+C02=2CO

C+2H2=CH4

还原反应是吸热反应，温度越高反应越强烈。温度低于600。C时，反应己相当缓慢。因此还原层与氧化层的界面是氧含量等于零的界面，还原层结束的界面大致为温度等于 600℃的界面。还原层的反应受扩散和动力反应的共同控制，其高度应是反应机制和供热机制平衡的结果。反应机制包括二氧化碳向碳粒表面的扩散，一氧化碳自表面的解析，炭表面的反应活性，温度等因素。供热机制包括气固两相的热容量，气相的流速，以及两相间的传热和传质等。在燃烧学中，已经对焦炭的还原反应进行过较为透彻的研究，但由于生物质物理性质的多变性，还未能有令人信服的计算方法。

4．3

固定床生物质空气气化的行为研究

4．3．1不同产气流量的影响本实验的气化系统为负压运行系统，通过罗茨风机的抽力保证整个气化过程的运

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K≈仪Coo

(4．8)

还原层位于氧化层的后方，燃烧后的水蒸气和二氧化碳与碳反应生成氢和一氧化碳等，从而完成了固体生物质原料向气体燃料的转变。主要的反应有：

C+H20=CO+H2 (4-9) C+C02=2CO (4．10) C+2H2=CH4 (4-11)

4．3

固定床生物质空气气化的行为研究

4．3．1不同产气流量的影响本实验的气化系统为负压运行系统，通过罗茨风机的抽力保证整个气化过程的运

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行。不同的产气流量，必然影响到空气量的变化，而空气流量对气化质量有很大的影响。如表4．1所示。

表4．1不同空气流量下的气体组分和热值

实验表明，产气流量是固定床运行的重要因素之一。罗茨风机的负荷增加，会使产气流量增大，同时必然会增大进入气化炉的空气流量，空气量过大时，使炉内的反应加快，这样虽然有利于产气量的增加，但是由于空气量的变大，携带的氧气会相应增加，氧化层变厚，容易造成过氧燃烧，导致炉内温度升高，产生的CO和过量的氧气发生反应，使CO 的量减少，C02会增加增加，导致气体热值降低，气化质量下降；同时，如果罗茨风机的工作负荷过高时，会使抽气量过大，炉内的负压过高，有可能使设备发生漏气现象从而降低气体的热值和气体的组分；空气流量过大，会相应加大气体的流速，必然在一定程度上减少气体在反应区内的滞留时间，在反应不完全的同时，还会带出较多的灰渣，增加后续处理的难度。反之，空气量不足时，氧化层变薄，造成缺氧燃烧，反应温度较低，氧化反应、还原反应均不充分，燃气中可燃成分少，焦油含量多，从安全性上来讲，如果罗茨风机的工作负荷过低，炉内的气体排出不畅，可能会导致炉内压力升高，压力过大时容易产生明火、喷火等不利于安全生产的现象，有可能造成危险。

从图4．1和图4．2可以看出，在空气流量从17．8Nm3／h增至46．4Nm3／h时，C02基本呈先下降后升高的趋势，在28．6Nm3／h和37．7Nm3／h处，基本在最低点，而CO和气体的热值恰好和C02呈相反的趋势。出现这种情况的原因，除了上面分析的原因而外，也可能是因为在做实验的时候为了实验数据的准确性，采取了一次性加料的方式，使反应层发生的变化与间歇性加料时反应层的变化有所不同，对实验结果会产生一点影响，但是可以肯定的是罗茨风机在合适的负荷下的气体流量会对应合适的空气量，对气体品质有一定的影响。对于该气化炉来说产气量在60Nm3／h时，气体品质较为理想。

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图4．1不同空气流量对产出气体中C02和CO的影响

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图4．2不同空气流量对产出气体热值的影响

4．3．2还原区温度的影响气化温度是影响气化反应过程的重要因素之一，对产出气体的组成、分布、气体热

值有相当大的影响。还原反应是吸热反应，在还原区发生的主要反应[781有：

C+C02=2CO．162．41KJ (1) (2) (3)

C+H70=CO+H2-118．82KJ

C+2H20=C02+2H2-75．24KJ

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H20+CO=C02+H2—43．58KJ (4)

要使还原反应顺利地进行，提高产出气体的质量，必须对还原区提供足够的热量。试验初期，产生的气体无法点燃，这是因为在气化器内建立的氧化层，尚不能提供足够的热量来建立稳定的还原层。当还原层的温度达到400。C时，气体能够点燃，但是燃烧不稳定。图4．3给出了还原区温度对气体组分含量的影响情况。

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图4．3温度对产出气组分的影响

当还原区温度低于400℃时，生物质中的挥发分已大量析出，在氧化区反应生成大量的C02，虽然此时供氧量不足，挥发分不能完全燃烧，也会产生一定量的CO，但由于还原区的温度不够高，导致反应(1)进行缓慢，因此，此时产出气中C02占有很大的比例。随着还原区温度的升高，反应(1)的速率呈略为下降趋势。当温度升高到700℃ 以后，此时的热量使反应(1)的速率加快，C02的含量迅速下降；同时反应(2)的速率也开始加快，CO的体积分数随温度升高而迅速增加。当还原区温度达到900℃以后，焦油和固定碳的含量随反应的进行逐渐降低，C02的含量会有所增加，CO的含量反而会减少。还原区温度为850℃时，CO含量最高。

还原区温度达到500℃以后，产出气中H2的体积分数开始逐渐增加。随着还原区温度的升高，物料产生的挥发分发生热解产生H2，当温度达到800℃时，部分热解残留的固定碳也开始与水蒸气发生反应，反应(2)的速率明显加快，H2的体积分数迅速增加。随后H2与02发生燃烧反应，使得还原区温度高于900。C，H2的体积分数随温度升高而逐渐降低。还原区温度接近900℃时，产出气中H2含量最高。

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还原区温度对气体产率和气化效率的影响见图4．4。从图4．4中可以看出，随着还原区温度的升高，气体产率和气化效率逐渐增大，当温度为500～900。C时，气体产率为I．70

～2．14 m3／kg，气化效率为40．3％～76．5％。

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图4．4温度对气体产率及气化效率的影响

4．3．3还原炭层的影响在生物质气化过程中，产出气体中的大部分可燃成分来自于还原反应，因此还原反

应进行的程度决定了产出气体的品质。为强化还原反应过程，在气化器底部加设木炭层。在相同工况下，在气化器底部未加设和加设木炭层的产出气成分分析结果见表4．2和表

4．3。

表4．2未加木炭层的气体样品分析数据

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由表4．2和表4．3的数据可以看出，产出气中C2H4，02，N2，CH4等组分的含量未见变化，但在加设木炭层气化器的产出气体中，CO含量略有增加，C02含量略有减少， H2含量也有一定程度的降低。在气化器还原区内发生的主要反应： C+C02=2CO．162．41KJ，由吉布斯自由能计算得知，当还原区温度达到714℃以上时，该反应才‘能向正反应方向进行。本试验中还原区温度为840℃，加设的木炭层的温度明显低于还原区温度，因此反应C+C02=2CO并不能进行，但在还原层和木炭层的过度区的温度能够满足生成CO的温度要求，使少量碳与C02发生反应，导致气化气中CO含量略有增加，反应前后木炭质量和品质没有明显变化也说明了这一点。产出气H2含量略微降低还缺乏合理的解释，H2含量略微降低抵消了CO含量略微增加对气体热值的贡献。

从布置在气体出口处的热电偶的温度变化可以看出，在气化器底部加设了木炭层，可以降低产出气体的温度。未加木炭层时，产出气体的最高温度可达300。C左右，加设木炭层后，产出气的最高温度为180。C左右。这是因为产出气在经过木炭层时的阻力增大，延长了气体的滞留时间，所携带的热量被木炭层吸收用于加强还原区的反应。产出气体温度的降低减少了热量损失，提高了气化器的热效率。

4．4 固定床生物质富氧气化行为研究

生物质富氧气化的化学原理与空气气化相同，都是利用生物质和氧的部分燃烧为热解反应及还原反应提供热量，从而使固体原料转化为气体燃料，其主要优点是降低气化过程中惰性气体N2的含量，从而减少用于加热N2所需的热量和气化反应所需的体积，能明显地提高气化效率，达到较理想的气化效果。更重要的是它能减少可燃气中N2的含量，提高气体的热值，有利于气体的进一步加工和变换，比低热值气更适合作化工原料气。

富氧气化相对空气气化来说是一种特殊的气化方法，用于大型工业生产的富氧气化系统要求有相应的制氧设备，且电耗较高，成本也较高。但在特殊场合，它仍可带来显著的效益，使总成本反而降低。例如对集中供气系统，低热值气需要庞大的储气设备和供气管道，而富氧气化所得的中热值气体能减少这方面的投资，取得更好的效益；又如对大型的 IGCC系统，富氧气化能减小设备体积，燃气热值的提高又能有效地提高燃气轮机的效率，因而在很多燃煤IGCC示范电站都有应用№8|。

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正因为富氧气化具有较大的发展潜力，国外有关这方面的研究很多，从实验室规模到中试设备都有，最大的处理量每小时达几吨【84】，其共同特点是：氧气气化在高压下进行，大部分气化炉都采用流化床，氧气浓度高达99％以上。例如瑞典的MINO生物质气化项目就是其中的典型代表，它运行在30个大气压下，采用两段式流化床结构，处理量为500kg／h，具有较高的水平。但国内有关生物质富氧气化的研究不是很多，只有吴创之【80】、蒋剑春

【70】、李延吉[85]等做过这方面的研究，但是都是在流化床或者实验室的小型设备上进行的，本文是通过中式下吸式固定床，利用富氧空气作为气化剂，研究了气化温度、氧气浓度等对气化产气特性的影响。

4．4．1纯氧气化的影响实验时，采用氧气厂生产的浓度为99．5％的工业用氧气作为气化介质，采用三个氧

气瓶并联的方式，保证充足的氧气供应，并在气化炉和氧气瓶之间加设了氧气联箱，使气体在箱体中得到缓冲，基本保证压力为常压状态，为了保证足够的体积流量，并对所加氧气在进炉前进行了加热。实验证明，采用这种方式能够使整个富氧气化过程安全、稳定运行。

在用氧气浓度为99．5％的工业用氧作为气化剂的近似纯氧的气化实验中，气体分析结果见表4．4。

表4．4不同氧气流量下的气体成分及其热值

从表4．2中可以看出，以浓度为99．5％的工业用氧作为气化剂的产出气体的热值相对于以空气作为气化剂的气化产出气体的热值有了近1倍的提高。虽然在产出气体当中依然存在着N2成分，但是含量较空气气化有很大的减小，并且其变化范围不大，基本保持在一个相对稳定的水平，这说明此时氧气气体带进的N2只占了很小的份额，这也和吴创之[80】的生物质富氧气化特性研究的结论相印证。

富氧气化产出气体的热值较空气气化有较大程度的提高是由于气体成分中可燃成

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4．4．1纯氧气化的影响实验时，采用氧气厂生产的浓度为99．5％的工业用氧气作为气化介质，采用三个氧

在用氧气浓度为99．5％的工业用氧作为气化剂的近似纯氧的气化实验中，气体分析结果见表4．4。

表4．4不同氧气流量下的气体成分及其热值

富氧气化产出气体的热值较空气气化有较大程度的提高是由于气体成分中可燃成

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分的增加。表4．1所提供的空气流量和表4．4所提供的氧气流量折合成空气量基本一致，因此可以对气体成分做出比较，由图4．5和图4．6可以看出，纯氧气化的产出气中CO 和H2在气体中所占的百分含量基本是空气气化的2倍，这是因为在纯氧气化过程中，由于氧气的通入，大大减少了气化剂中不可燃成分N2的成分，这样可以使气化剂与物料的接触更加完全，反应温度得到提高，为还原反应提供了足够的热量，加速了如下反应：

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图4．5不同流量、不同气化介质的产出气中CO百分含量的对比

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图4．6不同流量、不同气化介质的产出气中H2百分含量的对比

C+C02=2C0-162．41KJ， C+2H20=C02+2H2-75．24KJ， C+H20=CO+H2—118．82KJ，

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H20+CO=C02+H2．43．58KJ向正向进行，使CO、H2的量有明显增加。同样，因为温度的增加，促进热解区产生的焦油发生二次反应，进一步裂解为氢、轻烃等产物，这也是 CH4、C2H4有所增加的原因，如图4．7，4．8所示。但是，图4．9也反映出氧气作为气化剂虽然有利于气化反应的正向进行，但也因此导致了C02量较之空气气化有所增加，因为温度升高使炉内的燃烧份额加大，反应的较充分，充足的氧气量也使C02的量有所增加。但是从热值和气体的组分分析，气化剂的改变对提高气化质量有利。

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图4．7不同流量、不同气化介质的产出气中CH。百分含量的对比

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图4．8不同流量、不同气化介质的产出气中c2H4百分含量的对比

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4．4．2不同氧气浓度的气化结果

如表4．5所示，为不同氧气浓度下的气体分析及其热值计算的实验结果。由于氧气浓度不同，带入的N2数量也不同所以导致气化结果必然发生相应的变化。首先，从气体

成分来分析，随着氧气浓度的增加，气化过程中生成的气体中N2逐渐降低，其可燃

成分中的CO和H2呈现增加的趋势，C02的变化却没有明显的变化趋势，这些趋势和气化过程有着密切的关系。对于N2而言，氧浓度越低，由于气化剂中空气的成分明显的

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图4．9不同流量、不同气化介质的产出气中C02百分含量的对比

99．5％降至31．81％时，气化剂中空气所占的成分增长了60％多，富氧空气中带进的N2必然增加，所以气化结果中N2增加也就成为必然。

表4．5不同氧气浓度实验结果

但值得注意的是，当氧浓度增加到一定90％左右时，N2浓度的变化不再明显，这说明

增多，从表中可以看出在氧气浓度从

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此时富氧气体带进的N2只占很小的份额，产出气体中N2主要来自加料时带进的空气和原料本身所含有的N，或者是因为设备本身存在微小漏气点所致。影响C02变化的因素比较复杂。首先，在空气气化过程中，由于气化剂中存在了79％

的惰性气体，因此在反应过程中，会有部分热量被N带走，产生热损失，这就需要通过增加燃烧份额来弥补这部分热量，必然会产生相对较多的C02，而富氧气化过程，气化剂本身所携带的N2较空气气化会有一定程度的下降，所损失的热量也会随N2的减少而减少，所以氧浓度越高，单从理论上来讲，产出气体中的C02应越低。但另一方面，富氧空气取代空气作为气化剂，在其他条件相同的情况下，气化炉的内的温度必然会相应升高，气化当量比也会随之增加，炉内原料的燃烧份额也会变大， C02则又相应增加，所以C02的浓度不仅仅只与富氧浓度有关系，而且和气化当量比有着密切的联系，因此， C02的的浓度不仅仅只与富氧浓度有关系，而且和气化当量比有着密切的联系，含量的多少是这两方面的综合反应所确定的。

产出气体热值与气化剂中氧气浓度的关系如图4．10所示，显然，氧气浓度越高，产出气热值相应增加。但是在氧气浓度达到90％以上时，对热值的影响变化不大，在本实验所用气化炉所得的气体产出气热值基本保持在IOMJ左右。

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图4．10不同氧气浓度下的气体热值变化

4．4．3气化温度的影响

无论是空气气化还是富氧气化，气化温度都是一个重要的参数，因为温度的高低不

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但影响物料的反应速率，同时也起到了控制吸热、放热的可逆反应的作用，从而可以改变最终产物的质量。在整个气化反应中，气化层中的燃烧速度较快，同时热解速度也要比还原反应的速度快，所以限制整个气化反应速度的是还原层中的反应速度，因此C02 还原成CO的量，主要取决于还原层的化学反应速度。因为还原反应是一个明显的吸热过程，根据吉布斯自由能，只有所提供的能量足够，才能使反应向正向进行，所以升高反应温度有利于C02的还原，有利于制得富含CO的气化产出气；温度的升高，将促进气化过程中产生的焦油在高温下发生裂解反应，生成小分子气体；气化温度的升高，会导致物料表面产生更多的能量大于气化反应所需活化能的碳分子，这些碳分子将和气相的其它生成物发生更激烈的碰撞，从而加快气化反应的速率；气化温度的升高也会加快物料中心水分及挥发分的析出，导致物料破碎，增加了反应物料的表面积，提高了产气

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但是单纯的追求升高气化温度来提高气体品质的方法并不可取。首先，对于物料而言，它的物理化学热性本身就限制了气化温度的最高值，本实验所用的木块，它的灰熔点为1385℃，如果气化温度超过了木块的灰熔点的值，灰分将变成熔融状态从而形成渣，结在气化炉内壁上或黏结成难以清除的大渣块，实验用的下吸式气化炉，温度最高的部分位于喉部，而喉部又是炉膛内最为狭窄的部分，由于物料重力的左右，所结成的渣块极易堆积于此，势必会影响气化层的稳定，进而影响产出气的品质。其次，对于设备本身而言，每一个气化炉都有一个承受最高温度的设计值，气化温度超过了它的设计值，就要对设备的安全使用年限造成影响，严重的可能导致设备毁坏。因此，在实际生产中要综合考虑，找到一个合适的温度，既提高了气体的品质，又不至于上升上述不利情况的发生。当然，针对设备、物料的特性、运行环境的不同，其最优的气化温度也不尽相同，只有在实际生产中慢慢摸索，就本实验所用气化炉来说，用富氧空气作为气化剂，其合适的反应温度在1100 oC为最佳。

在整个实验过程中由于设备原因只有改变进气量这个工艺参数，能实现温度的改

变，所以在实验中不断改变空气量，来测定温度。实验使用的是为空气气化设计的炉型，作为富氧气化实验，其进气流量必然要小于空气气化时的进气流量，所以温度不会太高，但是也可以反应出气化温度的变化趋势。图4．11是不同流量下气化区温度随时间的变化趋势。在反应开始初期5分钟内，燃烧区的温度不够高，所提供的热量不能使还原反应

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开始，还原层的温度比较低，随着热解反应及氧化反应的进一步进行，还原层的温度在 5分钟内急剧上升，达到1000。C左右。由图4．1l可以得出不同流量下还原层的温度基本处于1000 oC至1200℃之间，随进气量流量的变化变化幅度不大。

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图4．11’不同流量F气化区温度随时I司变化

4．4．4不同当量比的影响

当量比是气化过程中重要的控制参数【771。它反应的是气化过程燃烧份额的高低，当量比大，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C02量增加，使气体质量下降。由于气化中热解过程和还原过程需要一定的温度环境和热量，所以保持一定的温度和提供足够的热量是决定燃烧份额的主要依据【86|。对热解过程来说，温度越高反应越充分，主要在热解反应产生的焦油会发生二次反应，对气体品质和后续净化都有好处，但当量比太高，原料中用于燃烧的能量太多，气化效率反而下降，反映在气化结果中就是温度太高，C02含量增多，反而气体热值降低。

另一方面，从能量和质量平衡上考虑，在相同的碳转化率前题，当量比越低，热效率越高，所以各种气化形式和各种原料都有合适的当量比【8刀。如图4．12所示，富氧气化中当量比与气化炉中燃烧区温度基本成正比关，说明当量比较高有利于热解过程的进行，但当量比与热值成反比关系，而且变化明显，这主要因为富氧气化不同于空气气化，在高当量比下，在C02增加的同时，N2也会随之增加，由于产出气中惰性气体的增多，

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从而使气体热值急剧降低。值得注意的是，低当量比工况下气体热值很高并不意昧着气化的综合效果就好，相反，此时由于炉内的温度相对较低，气化过程主要发生的反应为热解反应，导致碳转化率较低，所以气体产量较少，导致气化的效率下降。所以，只有当量比应和碳转化率同时考虑，才能评价出气化过程质量的好坏。

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图4．12气化当量比与气化温度、气体热值的关系

4．5本章小结

本章利用中式白供热型下吸式固定床，分别研究了在空气气化和富氧气化两种介质条件下，不同气化条件对气化行为的一些影响，得出一下结论：

(1)在固定床生物质气化实验中，得出产气流量是调节固定床运行的比较重要的量，产气流量增加会导致气体品质的变化，实验得出本实验所用气化炉的最优产气流量在50～70Nm3／h之间。

(2)在空气气化中，还得出了还原区温度对气体组分和气化效率的影响，并得出本实验空气气化的温度为900。C左右时，H2的含量最高。

(3)通过还原碳层的设置，优化了气体组分，降低了气化炉出口的气体温度。 (4)氧气气化和空气气化在不同流量下的对比，得出氧气化可使气化产出气

中的可燃成分大量增加，对于本实验所用气化炉，其热值均在10MJ左右。 (5)富氧浓度的不同虽然影响产气组分和热值，但是并不明显，而且在富氧浓度超过90％时，基本没有变化。

利用

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(6)通过对气化温度的考察，证明本实验中的富氧气化时的气化温度明显高于空气气化时的温度，在保证气体质量、防止物料结焦和设备安全性的前提下，得出富氧气化温度在1100℃左右为最佳。

(7)当量比是衡量气化过程优劣的重要指标。对其在富氧气化的影响做了充足的分析。无论是空气气化还是富氧气化，当量比在O．25～0．3的范围之内，可以得到较好的气体品质。

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第5章生物质富氧气化技术的工程应用分析

5．1 引言生物质气化技术是一项古老的、跨世纪的技术，早在

1664年托马斯·谢尔利

(THEMAS SHIRLY)就进行过气化试验[83】。【86】，直至第二次世界大战的爆发，主要能

源大部分投入战事需要，能源价格高涨，民用能源因此紧缺，所以人们利用生物质气化产物来代替油料开动内燃机，代替煤、天然气等燃料来为人民的生活供气、供热。

但是，随着后来的化石燃料的大量开采，石油等化石能源已经不是什么奢侈品，并广泛地被应用于经济建设的各个领域，从此，气化技术在欧美等发达国家，便基本上失掉市场。至七十年代初，石油危机使人们认识到化石能源有两个无法克服的致命弱点： 1)、它终将枯竭而成为过去，疯狂开采，无限制消费的结果，加速了这一过程。2)、地理分布和多变的政治风云，使化石能源随时可能被用做一种武器来制约其政敌，具有明显的不稳定性。因此，寻找稳定的。可靠的能源和开发技术，则成了一项紧迫的任务。于是生物质气化技术与其它新能源开发技术一起又被提到日程上来。

目前，国外的生物质气化气的应用主要分为两大类：一是生物质转化为电力，二是将生物质转化为优质燃料，主要集中在制取液体燃料和氢燃料方面。美国环保署(EPA)和加州大学合作进行了Hynol Process的研究，将生物质和氢气转化为合成气，从而合成醇醚燃料，在实验室规模中生物质碳转化率达到75％，并建立了中试规模的示范工厂【82】、[841。日本三菱重_T_(MHI)由NEDO项目资助的一个生物质合成醇醚液体燃料示范工程，已于年2月启动，预计将于2004年完成，之后进入商业化运行[85】。美国能源部(DOE) 所属的国家可再生能源实验室(NREL)，已成功完成了通过生物质气化及随后的燃料合成制备甲醇、二甲醚、甲烷、汽油和柴油等技术。NREL的目标是建立一套整体的生物质制备燃料工业化装置，最终商业化【引。

我国的生物质气化技术的研究起步较晚，但是也取得了一些可喜的成果，1993年第一台循环流化床氧气气化装置，由中国科学院广州能源研究所在海南三亚木材厂建成，投料量40kg可为400户居民提供中热值燃气。1998年第一台循环流化床气化装置与

2002

／h，

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内燃机发电机组配套，出力1MW的稻壳气化发电机组，在福建莆田华港米业公司的碾米厂成功运行。

尽管，一些生物质气化技术得到了推广和应用，但是大部分是用空气作为气化剂和流化床的富氧气化所得产出气的应用。利用富氧空气作为气化剂的下吸式固定床的生物质气化的应用研究相对少些。本章就固定床的富氧气化所得的富氧产出气的应用做了实用性分析。

5．2设备改造分析由于目前，我国无论是在实验室还是实际应用中的固定床设备，都是用来做空气气

化，因此，如果要想利用固定床富氧气化产出气体在实际中得到应用，首先要对所用设

备进行改造。 5．2．1喷嘴的改造

设备在设计的过程中，气化强度是个重要的先决因素，因为气化强度是单位时间内每单位反应炉截面积处理原料的能力，过高的气化强度不利于气化炉内反应的控制，容易出现喉部反应层烧穿的现象，并且保证炉内的反应温度不至于使原料结焦。实验用的气化炉额定产气量为100m3／h，在富氧气化时，最高产气量只做到了额定产气量的一半，就是因为如果产气量过大，会使炉子的气化强度增加太多，而导致气化温度过高，烧坏炉胆。

喉部是下吸式固定床的关键部件，它的喉部截面积缩小，目的是为了保证均匀的还原层和温度的一致性，同时也强化了该反应区的反应。为了增强喉部的作用效果，在喉部均匀的布置了喷嘴，各喷嘴并不是和其所在的位置的切面垂直布置的，而是沿轴线相切于一个半径为30mm的虚拟圆。这种配风方式增加了气体的扰动，在喉部形成空气动力场，保证了空气与物料的良好混合、较高的气化强度以及反应的完全性。

喷嘴的气体流速要有～个合适的值，才能保证空气与物料的良好混合，并且有较高的气化强度和反应的完全性。

本实验所用的下吸式气化炉的喉部直径为300mm，且均匀的布置了5个喷嘴，喷嘴的直径为1lmm。如果以空气为气化剂时，原料处理量为50Kg／h，取其最佳当量比为 0．28，利用公式V流速=Q流量／S，带入数据得

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内燃机发电机组配套，出力1MW的稻壳气化发电机组，在福建莆田华港米业公司的碾米厂成功运行。

5．2设备改造分析由于目前，我国无论是在实验室还是实际应用中的固定床设备，都是用来做空气气

化，因此，如果要想利用固定床富氧气化产出气体在实际中得到应用，首先要对所用设备进行改造。 5．2．1喷嘴的改造

喷嘴的气体流速要有～个合适的值，才能保证空气与物料的良好混合，并且有较高的气化强度和反应的完全性。

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V流速=50kg／hx4．52m3／kgxO．28／[3．14x(11／2xlO。3)2 m2x3600sx5]

=37．04m／s

通过计算可以知道，该气化炉的喷嘴设计流速为37．04 m／s，也就是说，在这个流速下，物料可以很好的气化，即为理论的最大流速，在这个流速下，进入炉内的气流，能够穿透物料，使反应层稳定的建立，在喷嘴偏下位置形成稳定的燃烧区，为热解反应和还原反应提供足够的热量，提高产出气体的质量。同时，可以很容易的控制进气量和产气量。

在用该设备进行富氧气化实验时，由于气化剂中的惰性成分减少，在满足气化过程所需氧气量的前提下，会明显感觉到，气化温度升高的较慢，并且即使增加罗茨风机的负荷，依然无法使产出气体的流量达到空气气化时的值，由于管道内没有足够的气体，以至于罗茨风机提高负荷后，只能将管道的气体变的越来越稀薄，造成罗茨风机过热，甚至出现停机。这也是在做富氧气化实验时，只是在中式的实验台上了做了些低流量实验的原因之一。

在实验过程中，通过点火口观察喷嘴附近的火焰颜色，采用空气气化作为气化剂时，火焰的颜色呈现黄色，但是当通如富氧空气作为气化剂是，会明显的发现火焰发出耀眼的白光。这可能是由于采用富氧空气时的流速过低，不能穿透料层，氧气只能和喷嘴附近的原料发生氧化反应，由于局部氧气过量导致火焰颜色发生明显变化

因此，如果在实际应用中进行下吸式固定床的富氧气化的工业生产，首先要对气化器的喷嘴进行改造，要使气化炉能够正常运行并达到设计的产气量，至少保证相同的流速，由于所配给的气化剂减少，在喉部面积不变的情况下，只有对改变喷嘴的直径来保证上述条件的实现。

即d=2×[50 kg／hx4．52 m3／kg×21％×0．28／(3．14x3600s×5×37．04m／s)]1陀

=5．04mm

从上式计算知道，理论上喷嘴的直径为5．04mm时，可以实现与空气气化相同负荷和总产气量的工况。但是与此同时，会增大设备运行的阻力，可以考虑加热富氧空气的作用，加大其体积流量。

5．2．2炉喉尺寸及炉膛容积的改造气体产率描述的是单位质量的原料气化后所产生的气体燃料在标准状况下的体积。

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不同的气化介质，不同的物料特性，不同的操作环境，都会使物料的气体产率发生变化。表5．1给出了空气气化和氧气气化的产气率的对比。从表中可以看出，空气气化的气体产率基本是富氧气化的两倍。一般来说，空气气化的物料和产出气的比值基本为1：2，而富氧气化的物料和产出气体的比值基本为1：1。也就是说如果要产生相同体积的产出气体，富氧气化所需的原料基本是空气气化的2倍。

表5．1 空气气化与富氧气化的气体产率的对比

萎釜c。z(％)需H2(％)。z(％)N2(％)cH4(％)器(器)气体产率

。，。 16．80 0．76 21．64 2．16 17．60 3．96 37．07 8934．89 1．08

二j．。 l 3．03 O．29 28．38 2．09 1 7．8 1 2．54 35．86 8687．87 0．99 气乞

114．65 0．29 32．97 0．36 2．85 2．14 46．74 1041 1．11 0．95

，。

10．62 0．13 16．40 0．76 48．40 1．51 22．18 5194．07 1．93

至气．气。0

11．10 0．14 18．04 0．74 46．08 1．82 22．09 5474．95 2．23

也

111．28 0．15 17．06 O．75 47．22 1．76 21．78 5315．26 1．96

如果不改变炉喉的截面积，还要达到设计要求的产气量，必然会增加炉子的气化强度，气化强度的加强必然会使炉温升高，尽管炉温升高有利于热解区生成的焦油的二次反应，但是温度的升高也会使燃烧区的反应加强，会增加产出气体中的C02，导致气体品质的下降。有可能会因为温度超过物料的灰熔点使物料结渣，如果温度过高可能会导致炉子损坏。所以，在设计改造的过程中，可以在所用原料灰熔点的允许范围内适当调高气化强度，考虑喷嘴的流速，适当增大炉喉的面积。这样可以延长气体的停留时问，有利于提高气体的品质。

另外，使用富氧空气作为气化剂，炉内的反应速度会加快，如果不增加炉膛的容积，对于间歇性加料的下吸式固定床来说，由于容积没变，而气化的反应速度加快，产生相同体积的气体所需的物料量加倍，势必要增加司炉工的劳动强度，但是也要注意，增加炉膛容积的同时会增加设备的运行阻力。所以，设计富氧气化的固定床气化炉，合理的设计炉膛的容积是不可忽视的问题。

5．2．3喉部材料的选择

在实际生产的固定床气化炉其喉部所先用的材料多是普通的碳钢，这是由于空气气化的温度最高在1000。C～1200℃之间，普通的碳钢就能满足要求。如上面所说，适当增加气化强度，会导致温度的升高，使用现在常用的普通碳钢虽然能满足使用要求，但是

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可能会缩短气化炉的使用年限，为了延长气化炉的使用年限，更换强度更大的喉部材料

也是必不可少的设计环节。总之，在设计改造气化炉时，要综合考虑气化强度、温度、设备阻力等决定因素，

才能设计出适合富氧气化的固定床气化器。 5．3富氧气化气的应用分析

5．3．1 车载燃料

随着世界能源危机和环保问题的日益突出，汽车工业面临着严峻的挑战。一方面，石油资源短缺，汽车又是油耗大户，由于汽车内燃机的使用效率较低，燃料燃烧产生的热能大约只有35％～40％用于实际汽车行驶，现在每年我国的汽车保有量的增加加剧了这一矛盾；另一方面，汽车的大量使用加剧了环境污染，城市大气中CO的82％、NO。的 48％、THC(总碳氢)的58％和微粒的8％来自汽车尾气，而且，汽车排放的大量C02加剧了温室效应，汽车噪声是环境噪声污染的主要内容之一。我国作为石油进口国和第二大石油消费大国，污染严重，世行认定的20个污染最严重的城市有16个在中国。

上个世纪末以来，世界各国各大汽车公司以及国内各大科研机构和高等院校纷纷致力于开发清洁节能汽车，新能源汽车获得了长足发展。汽油和柴油是传统内燃机汽车的能源，利用除此以外的能源提供汽动力的汽车均可称为新能源汽车。正在开发的新能源包括天然气、液化石油气、醇类、二甲醚、氢、合成燃料、生物气、空气以及电荷燃料电池等。

对于各大汽车制造商而言，研发出可替代燃油的新能源无疑为汽车工业又打开了一扇窗户，制造了一个汽车工业新的增长点。对于消费者来说，燃料开支无疑是养车的最大支出，如果燃料的价格下降，对于有车一族会是个天大的好处。对于环境来说，开发清洁能源对环境有好提供了新的出路。

使用富氧气化的产出气体作为汽车的燃料满足了以上新能源燃料的优点。本实验虽然为富氧气化行为研究，但是对其产出气体的应用性也做了测试。此次测试是和营口市公交公司联合进行的，利用公交公司现在正在运行的公交车作为实验用车，该车可以用天然气，也可以用柴油作为燃料。车上本身已经预装了燃气系统，并且气化气和天然气的性质基本相似，所以用该车测试气化产出气时无需加装其他设备，可直接利用天然气

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可能会缩短气化炉的使用年限，为了延长气化炉的使用年限，更换强度更大的喉部材料

也是必不可少的设计环节。总之，在设计改造气化炉时，要综合考虑气化强度、温度、设备阻力等决定因素，

才能设计出适合富氧气化的固定床气化器。 5．3富氧气化气的应用分析

5．3．1 车载燃料

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的清洁能源，从能源使用的长远角度分析，生物质富氧气化产出气的可再生性对于属于一次能源的天然气而言，其优势不言而喻。

目前，如果用于长途运输，无论是从气体的生产能力、加气站的密集程度，车内气瓶的容积等方面考虑，还没是可实际操作的必要，但是如果对与一个城市的公交系统来说，车辆每天只是运行在固定的范围内，比较适合使用富氧气化的产出气体作为燃料。尽管城市公交系统适合使用富氧气化其作为动力燃料，但是前期建设中，富氧设备、生物质气化系统、气体压缩设备、加气站的建设等都需要大量的资金投入，但是生物质气化所需原料对我们这个农业大国而言，在价格上具有一定的优势，只要合理考虑气化站的运行年限、规模，供应多少车辆的运行以及加气站点的城市布局等方面的问题，在

运行的经济性方面不会存在大的问题。化石能源的短缺和环境污染的加剧，已经威胁到人类的生存环境，使用可再生能源

是世界各国都在追求的目标，所以用生物质富氧气化气作为车载燃料还是可行的。 5．3．2液体燃料

国内在生物质气化技术上已经积累了较为丰富的经验，并逐步扩大了商业化运作的规模，但生物质能利用形式多集中在农村生物质管道煤气、生物质气化发电等技术上。富氧气化产出气除了直接用作车载燃料，还可以通过生物质问接液化技术，定向合成洁净的液体燃料。生物质能源是可再生能源中唯一可被用来生产液体燃料和化学品的碳资源，利用热化学的方法从生物质中获取液体燃料的研究得到国内外众多学者的关注，与生物法技术相比较，其具有高效率、低成本和易于大规模生产的优点。

目前，利用生物质热化学方法主要用来合成甲醇币LJ--甲醚液体燃料。二甲醚具有较高的十六烷值，液化后可以直接作为汽车燃料，二甲醚易压缩，存储压力为1．35MPa，小于液化石油气的存储压力(1．92 MPa)，因而可替代煤气液化石油气作为民用燃料【8 7l。美国有关专家论证后认为，二甲醚是21世纪新型合成燃料中之首选品种。它是一种极具发展潜力的有机化工产品和洁净燃料。生物质气化合成甲醇／z．甲醚系统，主要由生物质预处理、气化、气体净化、气体重整、H，／CO比例调节、甲醇／二甲醚合成及分离步骤构成。生物质合成甲醇首先要将生物质转换为富含H2和CO的合成气。生物质是碳水化合物，由于生物质中碳含量偏低，氧含量较高，生物质的气化就与煤的气化明显不同，生物质气化后产物中CO和C02的含

合成

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量较高，而H2则明显不足。图5．2是典型的生物质气化合成甲醇／z．甲醚的工艺流程图。

瓤，水蒸纛篙

水蒸气

图5．2生物质气化合成甲醇／Z．甲醚工艺流程图

生物质气化气中含有大量甲烷和其他轻烃化合物，通过重整可以使气体中的H2／CO 比调节到甲醇合成所需的比率。重整方式有水蒸气重整和自热重整。大多数情况下采用前者。通常甲醇合成所需的H2／CO比约为1：2，生物质气化气中的H2／CO比约为1左右，如采用日本JFE淤浆床一步法工艺可直接将生物质气化气合成二甲醚，因H2／CO比为1 的生物质气化气正好适合于合成二甲醚，但气体中的C02气必须脱除。

目前，合成二甲醚的主要工艺有两步法和一步法。两步法合成二甲醚工艺是首先应用比较成熟的固定床工艺合成甲醇，生成的甲醇经过进一步脱水而合成二甲醚，该法无技术难点。

利用生物质气化一步法合成二甲醚，主要考虑的是组分调整工艺。二甲醚为含氧化合物，富CO的合成气有利于含氧化合物的合成。由生物质空气．水蒸气气化得到的气化气中H2／CO值过高，而且还含有较多的C02和CH4气体。虽然合成二甲醚的合成气中需含有约3％～5％的C02气体方能达到较高的单程转化率，但合成气中C02含量过多会大大降低其单程转化率[881。因此，必须通过对生物质气化气化学组分的调整，来满足二甲醚合成化学当量比的要求，对于提高生物质的碳转化率、降低二甲醚制造成本至关重

i哥 o jr

生物质气化产出气的化学组分调整的工艺主要有中国科学院广州能源研究所采用

的空气一水蒸气组分调整工艺；德国太阳能和氢能研究中心与意大利环境研究所合作研

究采用的电解水供氧气化组分调整工艺、变压吸附供氧气化组分调整工艺【85,86】。

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这里主要分析与富氧气化相关的化学组分调整工艺。电解水供氧气化工艺主要是通过成熟的电解水技术提供氧气和氢气，电解出的氧气用于生物质气化，可以降低制氧成本，氢气被直接混合到气化气中，同时约61％的C02被分离，该种化学组分调整工艺的碳转化率较低，只达到了46％左右。

另外还有一种工艺也采用成熟的电解水技术提供氧气和氢气，但是为了避免生物质的碳转化率低的缺点，增大了电解水的数量，没有C02被分离，达到了75％的碳转化率，但提高碳转化率是以提高了近3倍的用于电解水的电耗为代价。

变压吸附供氧组分调整工艺为了降低电耗，而采用变压吸附技术提供氧气供生物质气化，为调节化学当量比，95％的C02被分离，生物质碳转化率也仅获得约40％[851。

利用生物质空气气化制取用于生活、发电的低热值燃气在我国已经是很普遍的技术了，但将其用于合成燃料甲醇或二甲醚却是不行的。气化气中的H2／CO比达不到甲醇或二甲醚合成的要求，H2含量过低，C02含量过高，需脱除或部分变换为CO。空气中含有79％的氮气，气化后的合成气体中含氮量仍在50％左右，导致H2、CO和C02等气体的浓度比例大大降低，系统效率低下。

因此，采用氮气含量少的富氧空气作为气化剂是较为合适的选择，这样，在生物质气化过程中就需要增加制氧设备，通常采用变压吸附(PSA)空分系统制备氧气。采用PSA 空分系统制氧，无疑要增加设备投资和运行成本，但好处是气化后的气体中H2、CO的浓度高，有利于二甲醚的合成，并且氮气浓度很低，使系统效率得到提高。

在二甲醚的合成过程中，有着这样或那样的困难，但是毕竟富氧气化气为其提供了可实现的前提，为后续的利用提供了研究基础。 5．4本章小结

本章就生物质富氧气化技术在工程上及其富氧气化器的应用做了分析，得出如下结论：

(1)由于目前固定床的生物质富氧气化在实际工程中的应用相对较少，必须对现有的气化设备进行重新设计和改造。

(2)通过对气化过程的分析，给出了气化炉的喷嘴直径、炉喉尺寸、炉膛容积和喉部材料的选择上的相应的合理化建议，但是具体该如何设计，还需根据实际工

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程需要全盘考虑。 (3)由于富氧气化产出气体具有的特性，通过实地的车载实验，证明其产出气完全

可以应用于负责城市交通的公交车的运行。

(4)由于生物质富氧气化气具有合成液体燃料的优势，经过适当的组分调整工艺可以实现燃料的合成。为合成液体燃料提供了优质原料。

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结论

气化技术是目前生物质能利用技术研究的热门方向，无论从可持续发展的角度还是从经济性的角度分析，生物质气化技术都是一项富有前景的技术，本研究在前人的基础上，对生物质富氧气化进行了比较深入的研究。气化实验是在一个中式自供热型的下吸式固定床上进行的，主要考察了不同的气化介质对气体品质的影响；主要研究了富氧气化时，不同的气化条件对气化设备和产出气的影响；并对富氧气化技术的应用做了详尽的分析。通过实验研究和分析，主要得到如下结论。

全文的主要工作及其主要结论总结如下：

1．实验所用设备为中式设备，对实际工程应用有很大的指导意义，所以本文在实验设各给予了大量的介绍，对气化炉及其后续净化设备的工作原理和设计参数做了详尽的介绍。

2．以空气为气化剂的生物质气化实验中，通过不同产气流量的控制，分析了产出气体的质量和热值，得出了在产气量为60Nm3／h左右时，气化质量和热值较为理想。

3．论证了还原区温度在生物质气化过程中的重要作用，温度的升高有利于产出气体中可燃成分的增加，并确定了空气气化时的还原区温度为900。C时，产出气中的H2含量取同o

4．在气化炉的底部加设还原碳层，可以明显降低气化炉产出气体出口的温度，在未加碳时，出口温度为300℃，加设碳层后，温度降为180。C，提高气体品质，减少了热损失，降低后续的降温处理过程。这是本文的创新点之一。

5．用富氧空气作为气化剂，与空气作为气化剂最对比，可使热值有近1倍的提高，充分体现了不同气化剂对产出气体热值的贡献。

6．着重对不同氧气浓度对生物质气化过程中的反应过程的影响进行了分析，随着浓度的增加，气化剂所携带的N大量减少，产出气的CO、H2明显增加。但是当富氧浓度达到90％以上时，对气体的热值影响不大，在一定程度上给出了富氧的经济性分析。

7．富氧气化使气化温度升高，加速了物料的反应，也是气体热值升高的主要原因，

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因素，在富氧气化中依然保持在0．25\"--'0．3时有利

于气化的进行。 9．在富氧气化技术的应用分析中，着重提出了设备改造的相关建议，尤其是通过理

论计算给出下吸式固定床的喷嘴的直径由适合空气气化的①1lmm减小到适合富氧气化的①5．04ram，这是本文的又一个创新点；同时也对设备的炉喉尺寸及材料、炉膛的容积给了相应的分析。

10．通过公交车的路面测试，证明在理论上用富氧气化产出气作为车载燃料是完全可行的；同时，也为生物质合成液体燃料做了相应分析。

使用富氧空气的生物质气化，其温度在1100。C时为最佳状态。 8．当量比作为气化的一个重要考察

对今后工作的建议

尽管本文对固定床生物质富氧气化的行为特性方面做了大量的研究，也取得了一定的成果和进展，但还存在些许问题。以下是作者对下一步研究工作的建议。

1．由于设备较大，在气化炉上取样较为困难，未对产出的粗燃气中的焦油做研究，作为生物质气化技术的一个难点，下一步研究要对产出的粗燃气的焦油的测量和去除方法做详细研究。

2．由于实验室没有特别针对喷淋器的喷淋废水的处理设备，只能存放在容器内，沉淀后排出下水系统，引起二次污染，在以后的研究中，首先要对喷淋废水进行无害处理后，再排放。

3．本实验只针对木块做了相应研究，相对单一，无法体现下吸式气化炉的原料适应性和气化过程的对比，建议在以后的实验中，增加原料种类。

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沈阳航空工业学院硕士学位论文

致

谢

本文的全部工作是在导师张大雷研究员的悉心指导和亲切关怀下下完成的，从论文的选题、研究方案的设计、实验结果的分析总结到论文的撰写，无不凝聚着张老师的心血，只是由于时间仓促和作者学识的浅薄，不能将导师的学识和见解完全体现，在此向导师的关怀和帮助致以深深的谢意。

感谢辽宁省能源研究所的任永志研究员。课题的每个实验方案的制定细节和每个数据的分析，都离不开您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，使我能够很快的融入能源所新能源一室的集体之中。

感谢沈阳航空工业学院清洁能源与环境工程研究所的李润东所长，对我在研究生期间的实验和生活的关心。

感谢沈阳航空工业学院清洁能源与环境工程研究所的任课老师兢兢业业的传授我理论知识。

感谢辽宁省能源所新能源一室的崔亨哲研究员、肖艳京副研究员、李晓伟工程师以及王贵路工程师，感谢他们在百忙的工作中，对我的实验的帮助和支持，并给予中肯的建议。

感谢孟凡彬同学在实验过程中与我的团结合作。感谢辽宁省能源研究所工厂的张强厂长及其员工在设备改造方面的大力支持。感谢我的研究生同学在学习和生活上的帮助。在论文完成之际，尤其要感谢我的父母、兄长和女友，正是他们深切的期望和无尽

的支持使我得以顺利完成学业。再次向在生活、学习、工作上给予我帮助的人们致以最崇高的敬意!

作者：

沈阳航空工业学院硕士学位论文

攻读硕士期间发表(含录用)的学术论文

1刘建坤，孟凡彬，李晓伟等．Imbert式气化器生物质气化综合试验研究．可再生能源，2008，26(5)：24．26

2孟凡彬，杨天华，刘建坤等．秸秆成型燃料气化气作为车载燃料的试验研究．可再生能源，2008，26(6)：48-51

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固定床生物质富氧气化行为分析