当前课程知识点:能源化学工程概论 > 第五章 生物质能 > 第五节 生物质制燃气 > 生物质制燃气
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
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