毕业设计(论文)生物质气化技术的应用现状及其发展趋势.doc
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1、南 京 化 工 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计题 目 生物质气化技术的应用现状及其发展趋势 姓 名 所在系部 机械技术系 专业班级 热能0921 指导教师 2012 年 3 月摘 要能源和环境的双重压力使可再生能源的开发利用越来越重要,生物质能是地球上重要的可再生能源。故生物质能是满足当今世界能源需求的最具潜力的可再生能源。开发和利用生物质能源对于缓解能源、环境和生态问题具有重要的意义。利用生物质气化技术能实现CO2的归零排放,节约常规能源,符合可持续发展的要求。于是怎么合理利用生物质能在当今社会发展具有重要的意义。于是全世界开始了对生物质能的研究。本文介绍了生物质能的种类分类及特点,并
2、介绍了生物质气化技术的原理,生物质气化工艺及气化设备。目前应用较多的气化技术是生物质燃气直接燃烧、生物质气化供暖、生物质气化供气和生物质气化发电技术,并且讲述了生物质气化在我国的应用,并提出了应用过程中存在的问题,提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物质气化技术的发展方向。 关键字:生物质气化;原理与工艺;气化炉;问题解决方法;发展趋势引 言能源和环境问题已成为全球关注的焦点,随着能源消耗的迅速增长,石化燃料的大量使用带来了严重的环境污染和生态破坏,再加上常规能源如煤、石油、天然气等资源量的日益减少,开发洁净的可再生能源成为了可持续发展的迫切需要。与此同时,生物质能在可再生能源中,是地球唯一的
3、能够储存和可运输的清洁能源,资源量大,分布广,开发潜力巨大。生物质能是人类利用最早、最多的能量,蕴含能量巨大,地球上的生物的总产量每年多达1400t1800t,相当于目前世界总能耗的10倍,有极大的开发、 利用潜力。并且由于生物质能有可再生、低污染、分布广的优越性,生物质气化技术已经成为能源生物质能要真正成为矿物燃料的替代能源,其关键是要将能量密度低的低品位的生物质能转化为高品位能源。如何有效地将生物质转化为洁净、高效的高品位能源,是该领域目前的主要研究课题。生物质气化技术包括生物质燃气直接燃烧、生物质气化供暖、生物质气化供气和生物质气化发电技术等,我国主要用于生物质气化供气和生物质气化发电技
4、术。我国生物质气化技术研究始于20世纪80年代初期,在应用过程中也存在一些问题,焦油问题就是其中最显著的问题,有效的解决这些问题为生物质气化技术的发展奠定基础。摘要引言第1章 生物质气化技术1第1.1节 生物质能的概述1第1.2节 生物质气化技术原理及化工工艺3第1.3节 原料对生物质气化的影响6第2章 生物质气化技术常见的系统与设备9第2.1节 生物质气化技术系统设备介绍9第2.2节 固定床气化炉9第2.3节 流化床气化炉12第3章 生物质气化技术应用情况15第4章 生物质气化技术面临的问题及解决方法21第4.1节 制约生物质气化技术发展的主要问题21第4.2节 生物质气化的新技术23第5章
5、 生物质气化技术的发展趋势25结语27参考文献28致谢29第1章 生物质气化技术第1.1节 生物质能的概述能源是经济和社会发展的重要物质基础。随着石油和其他石化能源的日益枯竭和全球对气候变化问题的日益关注,节约能源、提高能源利用率和开发利用可再生能源成为世界能源大战的主要方向。生物质能是地球上丰富的可再生能源,是仅次于煤炭、石油和天然气而居于是世界能源消耗能源总量第4位的能源1,是就有广泛应用价值的清洁能源,是解决能源和环境危机的重要保障。自20世纪70年代开始,生物质能的开发和利用日益受到各国的高度重视,我国于2008年1月18号出台的可再生能源能源发展“十一五”规划确定了生物质能利用的指导
6、方针和发展目标,为我国发展和使用生物质技术指明了方向和道路。我国生物质种类形式繁多,其转化方式也多种多样,其中生物质气化技术是最具实用性的一种。生物质气化技术原理简单,操作方便,成本低,效率高,可在工农业发展的各个领域广泛使用。1.2.1 生物质简介生物质是地球植被在太阳辐射能的作用下,吸收空气中的二氧化碳(CO2)和土壤中的水(H2O),最终合成碳水化合物(CH2O),转化为化学能而固定下来的一种自然资源。用化学方程式表示为:图1-1 光合作用植物合成的碳水化合物以秸秆和果实两种形态存在,这两种形态的物质一部分被人、动物直接利用(粮食、饲料、薪柴),另一部分在自然界中自然氧化,目前只有很少一
7、部分被人工转化成能源,无论何种方式,在这一过程中都消耗氧气,释放二氧化碳。理论上所消耗的氧气和释放的二氧化碳与生成生物质过程释放的氧气量及消耗的二氧化碳量相等。因此可以说,生物质循环过程是二氧化碳“零排放”,这是生物质能的最突出优点之一,即清洁性。图1-2给出了生物质的生成和演化过程示意图。图1-2 生物质的生成和演化1.2.1 生物质的种类作为能源利用的生物质主要有农作物、油料作物、林木、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。1.3.1 生物质能分类根据IEA国际能源署的定义,生物质能分为固体生物质、木炭、城市固体废弃物、生物液态
8、燃料和沼气等,其直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固体燃料、液体燃料和气体燃料。根据是否能大规模代替常规化石能源,可将生物质能分为传统生物质能和现代生物质能。传统生物质能主要包括农村生活用途:薪柴、秸秆、稻草、稻壳和其它农业生产的废弃物和畜禽粪便等;传统生物质能主要限于发展中国家,广义来说它包括所有小规模使用的生物质能。现代生物质能是指那些可以大规模用于代替常规能源的各种生物能。人类通常直接利用的生物质能有秸秆、林木和粪便类。不能作为食物利用的农作物根、茎、叶系统称为秸秆。在农村,秸秆作为能源利用较为普遍,林木类木质燃料作燃料也有几千年的历史,是人类利用最早的能源之一,在农村
9、仍是主要的能源,占农村能源总量的40左右。粪便是动物排泄物,作为农作物的有机肥料有较长的历史,作为燃料利用的历史也较长,但较为有利的是作为有机肥料,如作为燃料则应采用与秸秆混合发酵后产生沼气利用,可使之发挥更大的效能。1.4.1 生物质能的特点生物质能是人类用火以来,最早直接应用的能源。在第二次世界大战前后,欧洲的木质能源应用研究达到高峰,然后随着石油化工和煤化工的发展,生物质能源的应用逐渐趋于低谷。到20世纪70年代中期,由于中东战争引发的全球性能源危机,可再生能源的开发利用研究,重新引起了人们的重视。使用大自然馈赠的生物质能正是由于其独有的优点,所以成为必然的选择:(1)清洁性如前所述,生
10、物质能的使用过程不产生任何污染,几乎没有SO2产生,产生的CO2气体与植物生长过程中需要吸收大量CO2在数量上保持平衡,真正实现了“零排放”。(2)充足性根据国际能源机构的统计,地球上每年形成的生物质总能量相当于目前全世界一年消耗能源总量的20倍以上,这是生物质能的又一突出优点。(3)可再循环在目前地球环境条件下,生物质年复一年,循环再生,生物质能不会枯竭,同时起着保护和改善生态环境的重要作用,所以生物质能就成为了理想的可再生能源之一。(4)可储存和运输在可再生能源中,生物质能是唯一可以储存与运输的能源,从而对其加工转换与连续使用提供方便。(5)易燃性在400左右的温度下,生物质能源大部分挥发
11、组分可释出,炭活性高,将其转化为气体燃料比较容易实现。(6)开发转化技术容易从目前国内外生物质能开发利用的基本形式来看,生物质能的开发较之其他新能源的开发利用相对普及,生物质开发技术上的难题相对较少,人们既可利用生物质能的热能效应,又可将简单的热效应充分转化为化学能后再加以利用。(7)与农林业关系紧密生物质能源直接或间接来自于植物,因而生物质能源产业与农林业的关系非常紧密。在美国,生物质能产业的发展已经为美国农村带来了前所未有的机遇。欧洲也普遍认为,生物质能的发展将为农业带来革命性的变化。在我国,农林生物质工程也将会在社会主义新农村建设中发挥至关重要的作用。第1.2节 生物质气化技术原理及化工
12、工艺1.2.1 生物质气化技术的原理生物质气化是利用空气中的氧气或含有氧气物做气化剂,在高温条件下将生物质燃料中的可燃部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化碳和甲烷)的热化学反应。20世纪70年代,Ghaly 首次提出了将气化技术应用于生物质这种含能密度低的燃料。生物质的挥发分含量一般在76%到86%。生物质受热后在相对较低的温度下就能使用大量的挥发分物质析出。集中常见生物质燃料的工业分析成分见表1-1 。为了提供反应的热力条件,气化过程需要供给空气或氧气,使原料发生部分燃烧,尽可能将能量保留在反应或得到的可燃气中,气化后的产物含有H2、CO及低分子CmHm等可燃气体。整个过程分为:干燥、热解、
13、氧化和还原。表1-1 几种生物质的工业分析工业分析成分种类水分挥发份固定碳灰分低热热值(%)(%)(%)(%)(MJ/kg)杂草5.4368.7716.49.4616.192豆秸5.1174.6517.123.1316.146稻草4.9765.1116.0613.8613.97麦秸4.3967.3619.358.9115.363玉米秸4.8771.4517.755.9315.45玉米芯15.176.67.011.4215.99棉秸6.7868.5420.713.9715.9911. 干燥过程 生物质进入气化炉后,在热量的作用小,析出表面水分。在200300 时为主要的干燥阶段。2. 热解反应当
14、温度到300 以上是开始热解反应。在300400时,生物质可以释放70%左右的挥发组分,而煤要到800才能释放出大约30%的挥发分。热解发硬析出的挥发分主要包括水蒸气、氢气、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳氢化合物。3氧化反应热解剩余木炭与引入的空气发生反应,同时释放大量的热以支持生物的干燥、热解和后续的还原反应,温度可达1000到1200。4. 还原反应还原过程没有氧气的存在,氧化层中的燃烧物及水蒸气与还原层中的木炭发生反应,生成氢气和一氧化碳等。这些气体和挥发分组成了可燃气体,完成了固体生物质向气体燃料的转化过程。生物质气化技术按原理可分为热解气化技术和氧化法气化技术。热解气化技术。热解气化技
15、术是指在没有氧化剂的条件下,快速升温使生物质中的有机高分子(纤维素、半纤维素、木质素)高温裂解成固态炭、可燃气和生物油的热化学转化技术。三种产物的比例跟热解的工艺(升温速率、气相滞留时间、压力等)有关,其生产过程需要外供热源。氧化法气化工艺在生产过程中加入了气化剂,使生物质部分燃烧,从而为气化过程提供了大量的热量属于自然供热工艺。在氧化法气化工艺中,生物质原料基本上要经过氧化、还原、裂解和干燥四各阶段,反方程式如下2:氧化阶段: C+O2=CO2+393.51 kJ 2C+O2=2CO+221.34 kJ 2CO+O2=2CO2+565.94 kJ 2H2+O2=2H2O+483.68 kJ还
16、原反应: C+O2=2CO-162.41 kJ H2O+C=CO+H2-118.82 kJ 2H2O+C= CO2+2H2-75.24 kJ H2O+CO=CO2+H2-43.58 kJ生物质气化原理图如图1-3图 1-3 生物质气化原理图1.2.2 生物质气化化工工艺生物质气化有多种形式,如果按气化介质可以分为使用气化介质和不使用气化介质两种,前者又可以分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等,后者有热分解气化。不同气化技术所得到的热值不同,因而应用领域有所不同。不同气化工艺技术产生可燃性气体的热值及主要的用途见表 1-2。表1-2 不同气化工艺技术的用途气化技术可燃气体热值(标准状态
17、)(kJ/m3)用途空气气化54407322锅炉、干燥、动力氧气气化1088718200区域管网、合成燃料水蒸气气化1092018900区域管网、合成燃料氢气气化2226026040工艺热源、管网热分解气化1087815000燃料与发电、制造汽油与酒精的原料第1.3节 原料对生物质气化的影响1.3.1 原料含水量对气化的影响生物质原料含水量是非常重要的特性参数,对气化过程有重要影响。图1-2给出了含水量对产气热值的影响 由图1-2可知,气体热值随含水量的增加单调下降,且变化显著。原料含水量为10%时气体热值最高为4645kJ/Nm3;当含水量增加到40%时,气体热值降为4291 kJ/Nm3。
18、因为产气中可燃性气体组分CO下降明显,而 H2和CH4变化较小,气体热值总体上是下降的。 图1-4含水量对产气热值的影响原料含水量除对产气热值产生影响外,同时也影响着产气中氢气的含量。这是因为含水量的增加给气化过程带来了两个方面的影响,即原料水分蒸发吸热,一方面增加了气化区水蒸气(H2O(V) )份额;另一方面则降低了反应层的温度。根据气化反应CO+H2O=CO2+H2-43.6kJ/mol 变化反应,C+H2O=CO+H2-118.8 kJ/mol水煤气反应式可知,适当增加水蒸气对氢气的生成是有利的,但同时这两个反应又是吸热反应,气化层温度降低不利于H2的生成。1.3.2 物料粒度对气化的影
19、响颗粒粒度分布的均匀性是影响气流分布的主要因素。如果将未筛分过的原料加入固定床内,会造成大颗粒在床层中的分布不均,形成阻力不均的区域,导致局部强烈燃烧,温度过高造成气化局部上移或烧结形成“架空”现象。严重时,气化层可能越出原料层表面,出现“烧穿”现象,使气化器处于不正常的操作状态。因此,气化器用原料必须经过筛分。原料粒度对生物质气化过程影响较大。在气化过程中,物料的粒度与总反应面的大小有很重要意义。从化学动力学角度分析,较小的物料粒度能够增加物料的反应表面积,但通过气化器的压降大。反应表面愈大,则热交换与扩散过程就愈强烈,因而气化反应也愈快,反应更为完全;反之,较大粒度的物料不但降低了总反应面
20、,其本身温度梯度也较大,而且在炉内驻留时间变短,反应不够完全。因此,原料最大与最小粒度比一般不超过8。1.3.3 原料气化处理对气化的影响生物质原料在进行热解气化之前,有些研究者对原料用酸碱或盐进行前处理,研究实验前处理对反应产物的影响。Encinay等在600下用CO2气化时用不同浓度的硫酸和磷酸对甘蔗渣酸洗 研究表明,酸浓度的增加导致了生物质比表面积的增加。对比同一浓度酸洗前后的产品分布发现,气相组分减少,液相组分增多,焦炭量几乎没有变化,但是焦炭中的固定碳含量增多,灰浓度减少 因为在甘蔗渣中的矿物质溶解于酸溶液中,Claudio等用不同浓度的盐酸液(盐酸液为Na2CL,C,KCL和NaC
21、L,浓度为0.1,0.05,0.01,0.005,0.001gcm3) 浸渍松树碎片,盐的浸渍加强了脱挥发分和在低温下质量损失率的增加,焦油的产率有提高,初始分解温度降低 用不同的溶液浸渍,会产生不同的作用,这可能与盐的催化作用和水解进攻有关,也可能由于浸渍使固体基质溶胀,改变了固体的结构,对气化产生影响。同时,原料的反应性和结渣性也对生物质气化产生一定的影响。反应性好的原料可以在较低温度下操作,气化过程不易结渣,有利于操作,也有利于甲烷的生成。对于反应性和结焦性比较差的原料,应在较高的温度下操作,但不得超过生物质灰分的熔化温度,以促使二氧化碳还原反应加强,提高水蒸气的分解率,从而增加气体中氢
22、和一氧化碳的含量。第2章 生物质气化技术常见的系统与设备第2.1节 生物质气化技术系统设备气化炉是生物质气化反应的主要设备。按气化炉的运行方式不同,可以分为固定床、流化床和旋转床三种。国内目前生物质气化过程所采用的气化炉主要为固定床气化炉和流化床气化炉。固定床气化炉和流化床气化炉又有多种不同的形式,其各种类型见图 2-1 。图2-1 生物质气化炉的分类第2.2节 固定床气化炉固定床气化炉是一种传统的气化反应炉,其运行温度大约在1000。固定床气化炉设备简单、热效率高,处理量小,适合中、小规模的工业化生产。在固定床气化炉中,无聊相对于气流处于静止状态,根据气化剂在炉内的走向,固定床气化炉可分为上
23、吸式、下吸式和横吸式气化炉,目前较为成熟的气化反应设备为上吸式和下吸式气化炉。表2-1是两种炉型的主要特点3。在上吸式气化炉中,生物质原料有炉顶加入,气化剂由炉底部进气口加入,气流流动的方向与燃料运动方向相反,向下流动的生物质原料被向上流动的热气体烘干、裂解、气化。其主要优点是产生在经过裂变层和干燥层时,将其携带的热量传递给物料,用于物料的裂解和干燥,同时降低自身的温度,使炉子的热效率提高,产生气体含灰量少。如图2-2 所示。图2-2 上吸式固定床气化炉图在下吸式气化炉中,生物质有顶部的加料口投入,气化剂可以在顶部加入,也可以再喉部加入。气化剂与物料混合向下流动。该炉的优点是,有效层的高度几乎
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