一、生物質(zhì)氣化原理

1.生物質(zhì)氣化概念

生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換的一種技術(shù)，其是在不完全燃燒條件下，將生物質(zhì)原料加熱，使大分子的有機(jī)碳?xì)浠衔镦溋呀?，變成較小分子的一氧化碳（CO）、氫氣（H₂）、甲烷（CH₄）等可燃性氣體。轉(zhuǎn)換過(guò)程中必須加入汽化劑，如空氣、氧氣或水蒸氣，其產(chǎn)品主要為可燃性氣體與氮?dú)獾鹊幕旌蠚怏w（簡(jiǎn)稱(chēng)為生物質(zhì)燃?xì)饣蛉細(xì)猓?/p>

對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱化學(xué)轉(zhuǎn)換的技術(shù)還有干餾和快速熱裂解，它們?cè)谵D(zhuǎn)換過(guò)程中是加不含氧的汽化劑或不加汽化劑，得到的產(chǎn)物除燃?xì)庵膺€有液體和固體物質(zhì)。

（1）生物質(zhì)氣化所用的原料生物質(zhì)氣化所用原料主要是原木生產(chǎn)及木材加工的殘余物、薪柴、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物等，包括板皮、木屑、枝杈、秸稈、稻殼、玉米芯等。原料來(lái)源廣泛，價(jià)廉易取。它們揮發(fā)組分高，灰分少，易裂解，是熱化學(xué)轉(zhuǎn)換的良好材料。按具體轉(zhuǎn)換工藝的不同，在添入反應(yīng)爐之前，根據(jù)需要應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母稍锖蜋C(jī)械加工處理。

（2）生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用途徑生物質(zhì)氣化產(chǎn)出的可燃?xì)獾臀粺嶂?，主要隨汽化劑的種類(lèi)和氣化爐的類(lèi)型不同而有較大差異。我國(guó)生物質(zhì)氣化所用的汽化劑大部分是空氣，在固定床和單流化床氣化爐中生成的燃?xì)獾臒嶂低ǔＴ?200~7560kJ/m³，屬低熱值燃?xì)?。采用氧氣或水蒸氣乃至氫氣作為汽化劑，在不同?lèi)型的氣化爐中可產(chǎn)出中等熱值（10920~18900kJ/m³），甚至高熱值（22260~26040kJ/m³）的燃?xì)狻?/p>

（3）生物質(zhì)燃?xì)庵饕猛局饕猛緸椋孩俟┟裼么妒潞腿∨?；②烘干谷物、木材、果品、炒茶等；③發(fā)電；④區(qū)域供熱；⑤工業(yè)企業(yè)用蒸汽等。

2.生物質(zhì)氣化的基本反應(yīng)過(guò)程

生物質(zhì)氣化都要通過(guò)氣化爐完成，其反應(yīng)過(guò)程非常復(fù)雜，且隨著氣化爐的類(lèi)型、工藝流程、反應(yīng)條件、汽化劑的種類(lèi)、原料的性質(zhì)和粉碎粒度等條件的不同，其反應(yīng)過(guò)程也不盡相同。但不同條件下生物質(zhì)氣化過(guò)程基本上包括下列反應(yīng)：

C+O ₂=CO ₂（6-1）

CO ₂+C=2CO₂（6-2）

2C+O2=2CO（6-3）

圖6-15　生物質(zhì)氣化機(jī)理示意圖

2CO+O₂＝2CO₂　?。?-4）

H₂O+C＝CO+H₂　?。?-5）

2HO₂O+C＝CO₂+2H₂　　（6-6）

H₂O+CO＝CO ₂+H₂　?。?-7）

C+2H₂＝CH₄8）

以氣體在爐內(nèi)自下而上流動(dòng)的上流式氣化爐的工作過(guò)程，來(lái)說(shuō)明生物質(zhì)氣化機(jī)理，如圖6-15所示。

工作中，原料（如鍘碎的薪柴）在氣化爐內(nèi)自下而上分為四個(gè)區(qū)域（層）：氧化層、還原層、熱分解層和干燥層。爐內(nèi)溫度自氧化層向上遞減。原料從爐頂落人爐內(nèi)，空氣由下方供給，產(chǎn)出的燃?xì)饨?jīng)上方管道輸走，其氣化過(guò)程是：

（1）氧化層（燃燒層）氧氣在這里燒完，生成大量二氧化碳，同時(shí)放出大量熱量，溫度最高可達(dá)1200~13 000℃或更高。其反應(yīng)式為：

C+O₂＝CO₂+408 860J　　（6-9）

同時(shí)，有一部分碳由于氧氣（空氣）的供應(yīng)量不足，便生成一氧化碳，放出一部分熱：2C+O₂ 2C+O₂＝2CO+246447J　　（6-10）

在燃燒層內(nèi)主要是產(chǎn)生二氧化碳，一氧化碳的生成量不多，在此層內(nèi)已基本沒(méi)有水分。

（2）還原層在無(wú)氧氣存在的情況下，二氧化碳及水在這里被還原成一氧化碳和氫氣，進(jìn)行吸熱反應(yīng)，溫度開(kāi)始降低，一般在700~900℃。

C+CO₂＝2CO—162297J（6-11）

H₂O+C＝CO+H₂—1188742J　?。?-12）

2H₂O+C＝CO₂+2H₂—75186J　　（6-13）

H₂O+CO＝CO₂+H₂—43555J　?。?-14）

C+2H₂＝CH₄　　　　　　?。?-15）

（3）熱分解層（干餾層）燃料中揮發(fā)物進(jìn)行蒸餾，溫度保持在450℃左右。蒸餾出的揮發(fā)物混入燃?xì)庵小?/p>

（4）干燥層燃料中的水分蒸發(fā)，吸收熱量，全燃?xì)鉁囟冉档?00~ 300℃。

氧化層及還原層總稱(chēng)為氣化層（或稱(chēng)有效層），因?yàn)闅饣^(guò)程主要反應(yīng)在這里進(jìn)行。干餾層和干燥層總稱(chēng)為燃料準(zhǔn)備層。值得注意的是，上述清楚地劃分在實(shí)際上是觀察不到的，因?yàn)閷优c層之間是參差不齊的，這個(gè)層的反應(yīng)也可能在那個(gè)層中進(jìn)行。因此，上述燃料層的劃分只是指氣化過(guò)程的幾個(gè)大的區(qū)段。

通常認(rèn)為燃?xì)庵幸谎趸己蜌錃獾暮坑嘤茫ǖ谧鲬?hù)用燃料時(shí)，從安全角度考慮。其一氧化碳含量就≤20%），而它們主要產(chǎn)生在還原層內(nèi)，因此還原層是影響燃?xì)馄焚|(zhì)和產(chǎn)量最重要的地區(qū)。試驗(yàn)表明，溫度愈高，則二氧化碳還原成一氧化碳的過(guò)程進(jìn)行得愈順利，還原區(qū)的溫度應(yīng)保持在700~900℃。另外，使二氧化碳與熾熱的碳接觸時(shí)間愈長(zhǎng)，則還原作用進(jìn)行得愈完全，得到的一氧化碳量也愈高。