1000m3吸式固定床气化炉的研制
生物质能课件——第八章 生物质气化
4. 能源植物
糖类能源植物 如甘蔗、甜高粱、甜菜等； 淀粉类能源植物 如木薯、玉米、甘薯等； 纤维素类等能源植物 如速生林木和芒草等； 油料能源植物 如油菜、向日葵、棕榈、花生等； 烃类能源植物 提取含烃汁液，可产生接近石油成分的
燃料，如续随子、绿玉树、银胶菊、西谷椰子和西蒙 得木等。
表示气化炉生产能力大小 的指标；
气化实际需要的空气量值 与生物质燃料完全燃烧所
固定床气化炉的气化强度 需要的空气量值之比。
为100～250 kg/(m2∙h)，
流化床约为2000
kg/(m2∙h)；
49
燃气质量
评价燃气质量的主要指标包括燃气的低位热值、焦油含 量以及含灰量。
燃气成分
还原区反应
C + 2H2 = CH4。
热裂解区反应
CxHyOz = CO + CO2 + CaHb + H2O + H2 + Tar
CO2 + C = 2CO； H2O + C = CO + H2； 2H2O + C = CO2 + 2H2； H2O + CO = CO2 + H2；
7
光合作用
internal leaf structure
outer membrane inner membrane
chloroplasts
植物 水 + 二氧化碳 -----> 有机体 + 氧
太阳能
8
自然界碳循环与生物质能利用
9
四、生物质能的利用途径？
10
1. 直燃和热化学转化
过量空 气，直 接供 热；
鲁奇气化炉工艺流程
鲁奇气化炉工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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煤化工工艺学课件5.2 气化炉的基本原理
思考：煤的反应活性对气化有什么影响？
5.煤质对气化的影响 气化用煤的性质包括反应活性、粘结性、结渣性、 热稳定性、机械强度、粒度组成、以及煤的水分、灰分 和硫分等。 ⑴ 煤的反应活性 这是指在一定的条件下，煤炭与不同气化介质（如 二氧化碳、氧、水蒸气和氢）相互作用的反应能力。 反应活性又称为反应性。反应性的强弱直接影响煤 在气化时的有关指标：产气率、灰渣或飞灰含碳量、氧 耗量、煤气成分及热效率等。不论何种气化工艺，煤活 性高总是有利的。
★
⑵几种床层状态的气化炉 ①固定床(移动床)气化炉
原料：6~50㎜块煤或者煤焦 加料方式：上部加料 排灰方式：固态或者液态 灰渣和煤气出口温度：不高 炉内情况:煤焦与产生的煤气、 气化剂与灰渣都进行逆向热 交换
②流化床气化炉 原料：3~5mm 加料方式：上部加料 排灰方式：固态排渣 灰渣和煤气出口温度：接近炉 温 炉内情况:悬浮沸腾
§ 5、煤的气化
§ 5．2 气化炉的基本原理
§ 5．2 气化炉的基本原理
1.气固反应器类型 ⑴几种床层状态 床层：若是在一个圆筒形的容器内安装一个多孔的水平分布板, 并将固体颗粒堆放在分布板上,形成一层固体层,工程上称为”床 层”,简称”床”. ①固定床： 气流速度不致使固体颗粒的相对位置发生变化,即固体颗粒处于 固定状态,床层高度基本上维持不变. ②流化床： 气流速度提高,固体颗粒全部浮动起来,但是仍逗留在床层中不 被流体带出. ③气流床： 进一步提高流速,固体颗粒不能继续逗留在床层中,开始被流体 带出容器外,固体颗粒和分散流动与气体质点的流动类似.
气化温度°C 优点
>1500 煤种适应性广 *气化效率高
固定床 缺点 不适于焦结性 强的煤 *低温干馏产 生煤焦油、沥 青等 *单段炉不易 大型化， 1200吨/日
生物质气化发电 气化反应器
下吸式气化炉的结构原理图
生物质从气化炉的上部加入，新生物质落在物质最上层，处在干燥 区内，在这里由于受内胆的热辐射，生物质内的水分吸收热量被蒸发， 变成干物料。之后随着下部物料的氧化消耗向下移动到热分解区，热分 解区的温度高到可以让热分解反应发生干生物质开始发生热分解反应生 成炭、气体和焦油等。生成的炭随着物料的消耗而继续向下落入氧化区 。作为气化剂的空气，一般在氧化区加入。在该区，由热分解区生成的 炭与气化剂中的氧进行燃烧反应生成一氧化碳、二氧化碳，并放出大量 的热能，这是生物质气化全过程的保证。没有反应的炭继续下落进入还 原区。在还原区内二氧化碳被还原成一氧化碳；炭还与水蒸气反应生成 氢气和一氧化碳，灰渣则排入灰室中。生成的可燃气流过炉栅进入外腔 后被导出。炉体中温度分布大致为：干燥区温度为100~300，裂解区温度 为500~700，氧化区温度达1000~1200，还原区的温度为700~900。 在干燥区和热分解区生成的一氧化碳、二氧化碳、氢气、焦油等产 物一起通过下面的氧化和还原区。由于氧化区温度高，焦油在通过该区 时发生裂解，变为可燃气体，因而下吸式气化炉产出的可燃气热值相对 较高，而焦油含量相对较低。
6.5.2.5增压流化床气化炉
增压循环流化床气化炉的炉膛压力可以 高达0.5~2MPa。与常压循环流化床气化炉相 比，增压循环流化床气化炉的炉腔截面热强 度可提高10倍左右，在炉容量相同时，增压 循环硫化床炉的尺寸课显著减小，产生的高 压可燃气体无需升压可直接进入燃汽轮机发 电。
固定床气化炉结构特征是有一个容纳原料的炉膛和一个 承托反应料层的炉栅。根据气化炉内气流运动的方向，固定 床气化炉又可分为下吸式气化炉、上吸式气化炉、横吸式气 化炉及开心式气化炉四种类型。
6.5.1.1 下吸式气化炉
气化炉原理和构造
气化炉原理和构造
构造：定床式气化炉是将切碎的生物质原料通过炉顶加料口送入定床式气化炉，物料在炉内基本分层气化反应，反应产生的气体通过炉内的风扇排出。
固定床气化炉的炉膛反应速度较慢，根据炉膛内气体的流动方向，可以把固定床气化炉划分为下吸式、上吸式、横吸式和开心心型。
原理：上吸式气化炉的气态一般都是固态，在运转过程中，物料自顶入，被上升的热气流干燥，排除水蒸气，干燥的物料下降，被气流加热分解，然后释放挥发性物质。
剩下的炭在继续下降时与上升的CO2以及水蒸气发生反应，CO2和H2O等也可以是CO和H2等，剩下的炭在底部进入的空气中被氧化，释放的热量为整个气化过程提供热源。
(生物科技行业)生物质气化技术的应用状态及其发展方向
（生物科技行业）生物质气化技术的应用状态及其发展方向生物质气化技术的现状及其发展杨坤冯飞宋小斌董尊久陈光猛（南京化工职业技术学院，南京210048）摘要：介绍了生物质气化的基本原理及有关气化工艺，阐述了常见的生物质气化反应器（气化炉）工作原理及其优缺点，解释了气化剂、原料粒径、温度、压力等操作条件对生物质气化的影响，最后讨论了目前生物质气化技术存在的问题且进行展望。
亟待解决的问题.关键词：生物质；气化；应用现状；发展趋势；流化床；双流化床生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有的动植物和微生物。
生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，以生物质为载体的能量。
化石燃料的使用带来了壹系列的环境、社会和政治问题，而生物质能具有清洁性、充足性、可再循环、易于储存和运输、便于转换等优点，因此被认为是21世纪最具发展前景的新能源之壹。
生物质气化是生物质能化学转化利用的重要方面。
1生物质气化技术1.1生物质气化简介生物质气化是指固态生物质原料在高温下部分氧化的转化过程。
该过程直接向生物质通气化剂，生物质在缺氧的条件下转变为小分子可燃气体。
所用气化剂不同，得到的气体燃料也不同。
目前应用最广的是用空气作为气化剂，产生的气体主要作为燃料，用于锅炉、民用炉灶、发电等场合。
通过生物质气化能够得到合成气，可进壹步转变为甲醇或提炼得到氢气。
生物质热解气化技术最早出现于18世纪末期，首次商业化应用能够追溯到1833年，当时以木炭作为原料，经过气化器生产可燃气，驱动内燃机。
第二次世界大战期间，生物质气化技术达到顶峰。
20世纪70年代世界能源危机后，发达国家为减少环境污染，提高能源利用效率，解决矿物能源短缺提供新的替代技术，又重新开始重视开发生物质气化技术和相应的装置。
人们发现，气化技术非常适用于生物质原料的转化。
生物质气化反应温度低，可避免生物质燃料燃烧过程中发生灰的结渣、团聚等运行难题。
在1992年召开的世界第15次能源大会上，确定生物质气化利用作为优先开发的新能源技术之壹。
煤的气化工艺
煤的气化工艺煤炭气化技术虽有很多种不同的分类方法，但一般常用按生产装置化学工程特征分类方法进行分类，或称为按照反应器形式分类。
气化工艺在很大程度上影响煤化工产品的成本和效率，采用高效、低耗、无污染的煤气化工艺(技术)是发展煤化工的重要前提，其中反应器便是工艺的核心，可以说气化工艺的发展是随着反应器的发展而发展的，为了提高煤气化的气化率和气化炉气化强度，改善环境，新一代煤气化技术的开发总的方向，气化压力由常压向中高压（8.5 MPa）发展；气化温度向高温（1500～1600℃）发展；气化原料向多样化发展；固态排渣向液态排渣发展。
1、固定床气化固定床气化也称移动床气化。
固定床一般以块煤或焦煤为原料。
煤由气化炉顶加入，气化剂由炉底加入。
流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化，即固体颗粒处于相对固定状态，床层高度亦基本保持不变，因而称为固定床气化。
另外，从宏观角度看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣自炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动，因而又称为移动床气化。
固定床气化的特性是简单、可靠。
同时由于气化剂于煤逆流接触，气化过程进行得比较完全，且使热量得到合理利用，因而具有较高的热效率。
固定床气化炉常见有间歇式气化（UGI）和连续式气化（鲁奇Lurgi）2种。
前者用于生产合成气时一定要采用白煤（无烟煤）或焦碳为原料，以降低合成气中CH4含量，国内有数千台这类气化炉，弊端颇多；后者国内有20多台炉子，多用于生产城市煤气；该技术所含煤气初步净化系统极为复杂，不是公认的首选技术。
（1）、固定床间歇式气化炉（UGI）以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或燃料气。
该技术是30年代开发成功的，投资少，容易操作，目前已属落后的技术，其气化率低、原料单一、能耗高，间歇制气过程中，大量吹风气排空，每吨合成氨吹风气放空多达5 000 m3，放空气体中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰；煤气冷却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物，造成环境污染。
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1000m3吸式固定床气化炉的研制
资源分布广，成本低，主要有4种原料：棉柴、玉米秸、麦秸、棉花秸、稻草。
因此，设计中选取这几种常见生物质秸秆的参数平均值作为设计依据。
4种秸秆原料的干燥基元素分析及热值见表1，工业分析见表2[8-9]。
不同类型的气化炉，燃气成分会有所差异，同一气化炉不同的工况、不同的生物质原料时，燃气成分也不同。
燃气主要包含CO、H2、CH4、CO2、N2和少部分未裂解完全的焦油。
2.3下吸式气化炉各主要参数设计计算
2.3.1
空气当量比ER。
当量比是指生物质在气化过程中所消耗的空气量（氧量）与完全燃烧所需要的理论空气量（氧量）之比，是影响燃气品质的重要因素，图2为气化气成分与ER的关系[10]。
ER 增大，物料燃烧加快，为气化过程提供更多热量，有利于气化反应，气化效率提高，但是容易使得炉内温度过高出现烧结现象。
此外，ER的增大还会导致燃气中CO2、N2含量的增加，从而降低燃气热值。
ER过小会直接导致气化过程中氧化反应释放热量不足，气化反应不完全，使得可燃气焦油含量增加，可燃气体产率减小。
从图2可知，一般气化系统ER取值为0.2～0.4，可使得气化反应良好进行。
考虑到该气化炉采用水蒸气-空气作为气化剂，由于水蒸气的因素，比单纯空气气化需要更多热量，可以取ER为0.25。
2.3.2
气化强度Φ。
气化强度是指气化炉单位截面积单位时间内气化的生物质量，kg/（m2·h）。
固定床气化炉由于其床层不稳，反应不平均易烧穿等的反应特性，气化强度一般为100～300kg/
（m2·h）[10-11]。
笔者取气化强度Φ=250kg/（m2·h）。
2.3.3理论空气量VL。
理论空气量VL是指每公斤原料完全燃烧所需的空气量，m3/kg。
式中，VL为物料完全燃烧理论空气量，m3/kg；C为每千克物料中碳元素含量，%；H为每千克物料中氢元素含量，%；S为每千克物料中硫元素含量，%；O为每千克物料中氧元素含量，%。
笔者将
农村4种常见秸秆的元素含量取平均值，C：43.00%，H：5.38%，O：38.7%，N：0.93%，S：0.10%。
代入式（1）可得，理论空气量VL=3.96m3/kg。
2.3.4
2.4.2
气化炉高度设计计算。
秸秆在气化炉内有一系列复杂的化学反应过程与热力过程，要使得这些关键过程能正常进行就必须保证各种挥发物与气化剂在炉内高温区有足够的滞留间。
挥发物以焦油等大分子化合物为主，因此以焦油裂解的停留时间为参照，在900～1200℃时停留时间一般为0.5～4.0s[13-14]，该研究气化炉滞留时间t=1.5s。
式中，β为混合气体体积膨胀系数，取β≈1273；υt为温度为T时混合气体体积流速；υc 为燃气在标准状态下的体积流速；S为炉膛内截面积；T为炉内反应区温度，取T=1000℃。
将数据代入式（7），可得v=0.66m/s。
炉内挥发物的主要反应区域为氧化区和还原区，这两个反应区的高度为H1。
为了使原料能充分干燥，挥发物能在裂解区充分析出，以及保证炉内的原料能够在一定的压力作用下稳定地向下移动，干燥、裂解区应有足够厚度，取这两层厚H2=0.8m。
同时料层顶部需要预留压实抚平机构的运动空间，取高度为H3=0.4m。
由于该气化炉的灰渣是实时排出，因此不需要很大的储灰空间，只需要保证出灰机构有足够的运行空间。
因此气化炉灰处理部分的高度以实际设计为准，笔者设计其高度为H0=1m。
该气化炉总高度H=H0+H1+H2+H3=3.2m，其中反应区炉膛高度H=H1+H2+H3=2.2m。
2.5气化炉结构
根据下吸式气化炉原理以及上述设计计算，笔者设计的1000m3下吸式固定床气化炉结构如图3所示。
采用空气-水蒸气为气化剂，从气化炉中部和顶层通入，使得气化剂在炉内分布均匀。
进料口设在顶层，出灰口和燃气出口设在底层，同时中心设有破穿孔机构，底层设有余热蒸气发生器。
2.6气化炉辅助结构与功能
2.6.1
中心破穿孔机构。
下吸式固定床气化炉在运行时容易出现炭层穿孔，气化剂直接与气化气燃烧
影响燃气品质，造成温度升高，如不处理会造成炭层崩塌导致反应不能进行。
目前大部分气化炉的
处理方式是从秸秆原料入手，通过秸秆原料的切碎或成型压块处理，使其尺寸变小更均匀，堆积密
度变大，从而减少穿孔的出现几率。
但仍然会出现穿孔，而且成本较高，出现穿孔后也没有相应处
理措施。
因此笔者设计一套可升降式破穿孔装置，其结构原理图与实体模型见图4。
此装置可以相
互独立进行升降和旋转，从而对不同炭层的穿孔进行处理。
出现穿孔时，通过升降机构下降到相应
位置，T型杆旋转进行破穿孔操作，完成后返回上部低温区。
通过实际运行测试，其效果明显。
2.6.2
余热蒸气发生器。
蒸气发生器利用气化炉底层灰室的余热加热底层夹套内的水来产生蒸气，避
免了额外增加一套蒸气发生器导致成本增加，实现能量的回收利用。
其结构简图见图5。
3结语
该气化炉结构简单，便于操作，运行成本低，产气量合适，采用空气-水蒸气为气化剂，避免了
N2对燃气品质的影响，专门设计了余热利用装置产生蒸气，同时加装可升降破穿孔装置，结构简单，效果明显，提高了气化炉运行稳定性与燃气品质。
通过8h连续运行测试，该气化炉点火20min后开
始产气，运行期间每隔1h取气检测，通过5次检测，燃气热值平均达到5.5MJ/m3，且期间运行平稳。
该气化炉主要面向中小规模商业使用，相对于其他大型气化设备的投资运行成本高与小型设备
产气量不足稳定性差等问题，该气化炉可以很好综合产气量与成本低的要求，适用于乡镇一级供气，对秸秆气化的推广有很好的推动作用。
参考文献
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