生物质制燃气在线视频

大家好

今天我们来学习本章最后一节内容

生物质制燃气

生物质燃气(biogas)是以农作物秸秆

林木废弃物 食用菌渣 禽畜粪便等

一切可燃性生物质为原料

经转换制备出的以甲烷

氢气和一氧化碳为主要成分的可燃气体

生物质燃气经净化

和转化后可得到富氢合成气

进一步可制备各种液体燃料和化学品

例如汽油 柴油 煤油 甲醇 二甲醚等

还可直接用于燃气轮机和燃料电池发电

本节我们将重点介绍

两种典型的生物质燃气制备方法

第一种为生物质气化技术

第二种为生物质发酵制沼气技术

生物质气化是在一定的热力学条件下

借助于空气或纯氧

水蒸气的作用

使生物质中的高聚物

发生热解 氧化 还原 重整反应

最终变为一氧化碳

氢气和低分子烃类等可燃气体的过程

生物质的气化原理与煤气化类似

如图所示

固态生物质进入气化炉后

首先会在小于250摄氏度下脱水

随着温度升高

脱水后的生物质发生热裂解反应

形成一氧化碳 甲烷 二氧化碳 氢气 焦油和半焦等产物

半焦进一步与氧气 水蒸气 二氧化碳

发生反应生成大量的一氧化碳和氢气

最后不参与气化反应的

无机组分变为灰渣从气化炉底部排出

因此 在气化炉内生物质

一般要经历干燥区 热裂解区

燃烧区和还原区

其中燃烧区主要发生放热反应

这些热量供给其他三个区域使用

气化炉是生物质发生气化反应的场所

在整个生物质气化工艺中起到主导作用

按照生物质颗粒在床层内的运动状态不同

生物质气化炉可分为

固定床和流化床

一般认为固定床气化炉内

具有明显的区域特征

固定床气化炉

又可根据气化剂与生物质接触方式的不同

分为下行固定床气化炉

上行固定床气化炉和错流固定床气化炉

下行固定床气化炉

是气化剂从床层中下部进入

经过燃烧区

还原区后由气化炉底部侧面流出

下行固定床气化炉中

气化剂向下流动的同时

生物质也缓慢向下流动

气化剂和生物质的流向相同

属于并流接触模式

上行固定床气化炉

是气化剂从底部进入气化炉

依次经过燃烧区 还原区

热解区和干燥区

反应生成的燃气从气化炉上部流出

上行固定床气化炉中

气化剂向上流动的同时

生物质也缓慢向下流动

气化剂和生物质的流向相反

属于逆流接触模式

错流固定床气化炉的气化剂

由筒体侧面延伸一定距离后

与生物质接触

生物质燃料由上而下缓慢移动

由于错流固定床气化炉

有独立的灰筒区

燃烧区和还原区

并且气化燃气出口设置在气化剂

进口对面靠上的侧筒位置

气化剂和生物质的运动方式

接近交叉垂直状态

属于错流接触模式

与生物质固定床气化炉相比

流化床气化炉内

没有明显的区域划分

生物质和气化剂处于全混流状态

流化床气化炉传热效率高

处理能力大 原料适应性强

整个床层的温度均匀

在较低的气化温度下

即可得到较高的转化率

根据流化强度和床层高度不同

流化床可分为鼓泡流化床

和循环流化床两种类型

鼓泡流化床气化炉的操作气速较低

在1m/s左右

生物质大部分在鼓泡区完成转化

少量焦油在鼓泡区上部分解

循环流化床气化炉的操作气速较高

在3~10m/s之间

高速流化气体中夹带的颗粒

经旋风分离器分离后

通过返料装置循环回反应器底部

再次发生反应

因此循环流化床单位体积

的能量输出要高于鼓泡流化床

碳转化率也较高

但循环流化床气化燃气中焦油

和飞灰含量高是比较突出的问题

除了气化炉构型这一主导要素外

影响生物质气化过程的因素

还有气化工艺参数

主要是气化温度 气化压力 气化介质

当量比以及停留时间

气化温度对生物质燃气的组成

燃气中焦油含量

气化反应速率

以及灰渣的形态都有重要影响

一般 气化炉的热效率会

随气化温度的升高而降低

但低气化温度不利于

消除气化燃气中的焦油

从化学平衡角度讲

降低气化压力有利于气化反应进行

但实际工业中为了增加

气化炉的处理能力

并与后续FT合成过程有效衔接

常采用加压气化模式

但生物质气化压力一般都不高

在1MPa以内

低于煤加压气化技术

常见的气化介质有空气

氧气 水蒸气和二氧化碳

通过改变气化介质的种类

和比例可以调节生物质气化燃气的比例

当量比是生物质

发生气化反应所需的空气燃料比率

与完全燃烧时所需的空气燃料比率的比值

高当量比容易损失燃气的热值

一般生物质气化的最优当量比在0.2到0.4之间

生物质气化技术虽然一直受到广泛关注

也一直是学者们研究的重点

过去几十年中

也不断有工业示范装置在投运

但由于生物质固有的特点

导致生物质气化技术存在较多的问题

首先生物质气化的产气量

虽然高达1300到1600立方米每吨

但燃气中一氧化碳含量高

安全性差

氮气含量也高

燃气热值低

其次燃气中的焦油含量高

使燃气净化辅助系统的成本增加

并且燃气净化过程会产生大量的污水

容易造成二次污染

总之与现有煤气化技术相比

生物质气化优势不明显

下面我们简单了解一下

另一种生物质制备燃气的方法

生物发酵制备沼气

生物质发酵是指

微生物在厌氧条件下

将生物质中的有机质分解

而生成的一种可燃性气体

也称为沼气

主要成分是甲烷和二氧化碳

含有少量氢气 氮气 一氧化碳 硫化氢 氨气等

由下表可知

沼气的热值较高

高于煤气

但低于纯甲烷和汽柴油

生物质发酵过程其实属于

生物转化过程

不涉及化学反应

发酵原料既是底物

又是发酵微生物进行

正常生命活动

所需营养和能量的来源

各种农作物秸秆 禽畜粪便

工农业生产的残余物以及水生植物

都可以作为沼气发酵的原料

一般使用总固体

和挥发性固体

料液浓度 产气量 产气率

COD以及BOD来评价发酵原料的优劣

由表可知

不同的生物质原料发酵时

的产气率随发酵时间的变化有很大差异

水葫芦可在很短时间内生成大量沼气

但牛粪却需要很长时间

才可被微生物分解完全

沼气主要在发酵后期生成

沼气发酵的微生物原理

包括以下几个历程

首先是复杂有机物

在发酵性细菌作用下形成可溶性有机物

可溶性有机物在产氢产乙酸菌

和耗氢产乙酸菌的作用下

水解酸化生成氢气 二氧化碳和乙酸等物质

最后在产甲烷菌的作用转化为甲烷

二氧化碳和水

可见 生物发酵过程

涉及到众多种类的细菌

它们在整个发酵阶段相互依赖

互为对方创造良好的生存环境和条件

由于沼气的主要成分是甲烷

经净化和分离后

其利用途径与上一章

所讲的甲烷化工利用类似

这里不再赘述

以上是本节所有内容谢谢大家