生物質氣化效率主要影響因素分析

2024年2月21日發(作者：大堰河)

生物質氣化效率主要影響因素分析

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生物質能轉化技術主要包括生物質氣化、液化、固化以及直接燃燒技術等幾大類。作為能量轉化的主要手段之一，生物質氣化技術將生物質轉化為氣體燃料是目前生物質能利用技術研究的熱門方向。典型的氣化技術有三種：干餾工藝、快速熱解工藝、氣化工藝。

一、生物質氣化的原理

生物質氣化是指以固體生物質（秸稈、鋸末等）為原料，以氧氣（空氣、富氧或純氧）、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑（或稱氣化介質），在高溫條件下通過熱化學反應將生物質中可燃的部分轉化為可燃氣的過程。生物質氣化主要可生成CO、H2、CH4等可燃氣體。

圖1、生物質氣化原理

表1、典型生物質燃氣熱值分析

二、生物質氣化效率的主要影響因素

在生物質氣化過程中，當氣化爐類型確定后，在確定的氣化劑氣氛下，操作條件諸如空氣當量比，生物質氣化劑的比率、粒徑、溫度、壓力、氣化介質、催化劑和添加等對碳的轉化率，產品氣的組成，焦油的形成和焦油的減少都有很重要的影響。

1、氣化劑的影響

生物質氣化時所用的氣化劑有空氣、水蒸氣、二氧化碳、氧等，氣化劑不同，氣化爐出口產生的氣體組分也不同。在工業規模中，氣化劑一般是用空氣，當量比為0.2、0.3，出口氣體包括N2、H2、CO、CH4、C2、C3、CO2、H2O和焦油。這個組成只適用于發電和供熱。氣體確切的組成隨操作條件而變化。

當需要大量的氫氣時，用空氣作氣化劑是不合適的，可以從木質纖維廢物的熱解液體的催化重整和生物質水蒸氣的直接氣化得到CO、H2或合成氣。水蒸氣氣化的出口組成和空氣氣化很不同，出口氣不再包括氮氣，氫氣的濃度高達50-55vol%。大量的CH4、C2、C3和交友與H2，CO和CO2一起得到，另外，水蒸氣的二次催化重整，輕的碳氫化合物和大多數的焦油能被轉化成H2和CO，H2的量增加至70-75vol%，如果出口氣中富含氫氣，它可以被用作燃料電池，如果氣體富含甲烷，可以被用作熱值燃料。

2、氣化溫度的影響

溫度對燃氣成分影響很大，一般而言溫度升高時，“CO2降低”，其他成分升高，反應時間縮短，燃氣產量增大。但溫度太高會增加原料氧化量，增加CO2，增加熱損失，增加材料與設備成本。

3、壓力的影響

研究發現，溫度在700e下，粒徑在0.631mm，水蒸氣的壓力改變，26.35kPa、45.59kPa、53.70kPa、69.91kPa、83.09kPa，氣體的產率和轉化率隨著水蒸氣的壓力增加而增加，因為增加壓力使反應速率加快。在水蒸氣氣化過程中，水氣遷移反應是主要反映，控制著氣體的產生，也是產氫氣的主要來源。壓力增高，氫氣的產率也增高。

4、氣化物料性質的影響

物料粒度大小、總表面積及其含水量等對于燃料層中的氣化過程均具有很大的影響，物料粒徑越小，其總表面積越大，熱交換和擴散過程就進行得越激烈。并且物料粒徑小，其熱阻力也小，氣化爐內的溫度分布也就越均勻，氣化結果好。

水分的影響主要體現在兩個方面：一方面蒸發需要消耗氣化過程中燃燒反應所放出的熱量；另一方面，由于水是一種氣化劑，能與C發生水煤氣反應生成H2和CO2，進而提高氣化氣的質量。

5、氣化反應器的影響

生物質氣化技術的核心是氣化設備（氣化爐）。根據爐型的不同，大致可分為固定床氣化爐和流化床氣化爐。固定床氣化爐適用于物料為塊狀及大顆粒原料。它結構簡單，制作方便，具有較高的熱效率，但內部過程難以控制，內部物料容易搭橋形成空腔，且處理量小。流化床氣化爐適合含水分大、熱值低、著火困難的細顆粒原料，原料適應性廣，可大規模、高效率利用。流化床還具有氣固充分接觸、混合均勻的優點，是唯一的恒溫床上反應的氣化爐，反應溫度一般為700~850℃，其氣化反應在床內進行，焦油也在床內裂解。生物質氣化過程中產生的可燃氣的特性受到氣化爐的形式與運行方式等因素的影響。由表2可以看出流化床氣化爐的產氣熱值總體上高于固定床氣化爐。

△為低熱值氣體；○為中熱值氣體

表2、不同氣化設備可燃氣熱值

三、結語

我國生物質能資源極為豐富，每年秸稈產量約7億噸，相當于4億噸標準煤，未來生物質能必將成為能源開發與利用的重點。但影響生物質氣化效率的因素很多，每個生物質氣化工程都應該注意。

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