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生物质气化效率主要影响因素分析

  生物质能转化技术主要包括生物质气化、液化、固化以及直接燃烧技术等几大类。作为能量转化的主要手段之一,生物质气化技术将生物质转化为气体燃料是目前生物质能利用技术研究的热门方向。典型的气化技术有三种:干馏工艺、快速热解工艺、气化工艺。
 
  一、生物质气化的原理
 
  生物质气化是指以固体生物质(秸秆、锯末等)为原料,以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作为气化剂(或称气化介质),在高温条件下通过热化学反应将生物质中可燃的部分转化为可燃气的过程。生物质气化主要可生成CO、H2、CH4等可燃气体。
 
生物质气化效率主要影响因素分析_湖北锐意自控
图1、生物质气化原理
 
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表1、典型生物质燃气热值分析
 
  二、生物质气化效率的主要影响因素
 
  在生物质气化过程中,当气化炉类型确定后,在确定的气化剂气氛下,操作条件诸如空气当量比,生物质气化剂的比率、粒径、温度、压力、气化介质、催化剂和添加等对碳的转化率,产品气的组成,焦油的形成和焦油的减少都有很重要的影响。
 
  1、气化剂的影响
 
  生物质气化时所用的气化剂有空气、水蒸气、二氧化碳、氧等,气化剂不同,气化炉出口产生的气体组分也不同。在工业规模中,气化剂一般是用空气,当量比为0.2、0.3,出口气体包括N2、H2、CO、CH4、C2、C3、CO2、H2O和焦油。这个组成只适用于发电和供热。气体确切的组成随操作条件而变化。
 
  当需要大量的氢气时,用空气作气化剂是不合适的,可以从木质纤维废物的热解液体的催化重整和生物质水蒸气的直接气化得到CO、H2或合成气。水蒸气气化的出口组成和空气气化很不同,出口气不再包括氮气,氢气的浓度高达50-55vol%。大量的CH4、C2、C3和交友与H2,CO和CO2一起得到,另外,水蒸气的二次催化重整,轻的碳氢化合物和大多数的焦油能被转化成H2和CO,H2的量增加至70-75vol%,如果出口气中富含氢气,它可以被用作燃料电池,如果气体富含甲烷,可以被用作热值燃料。
 
  2、气化温度的影响
 
  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、压力的影响
 
  研究发现,温度在700e下,粒径在0.631mm,水蒸气的压力改变,26.35kPa、45.59kPa、53.70kPa、69.91kPa、83.09kPa,气体的产率和转化率随着水蒸气的压力增加而增加,因为增加压力使反应速率加快。在水蒸气气化过程中,水气迁移反应是主要反映,控制着气体的产生,也是产氢气的主要来源。压力增高,氢气的产率也增高。
 
  4、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。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CO2,进而提高气化气的质量。
 
  5、气化反应器的影响
 
  生物质气化技术的核心是气化设备(气化炉)。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、着火困难的细颗粒原料,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,是唯一的恒温床上反应的气化炉,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。由表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。
 
 
类型 下吸式 上吸式 横吸式 鼓泡床 循环床 双流床 携带床
空气    
氧气  
水蒸气          
 
  △为低热值气体;○为中热值气体
  表2、不同气化设备可燃气热值
 
  三、结语
 
  我国生物质能资源极为丰富,每年秸秆产量约7亿吨,相当于4亿吨标准煤,未来生物质能必将成为能源开发与利用的重点。但影响生物质气化效率的因素很多,每个生物质气化工程都应该注意。
 
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  (来源:沼气圈)
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