气化过程质量与能量平衡计算
质量平衡计算
输入质量 M in 输出质量 M out 质量衡算 M
生物质携带质量、气化剂携带质量 气体携带质量、焦油携带质量、水溶性物质携带质量、灰渣携带质量
M M in M out
气化过程质量与能量平衡计算
能量平衡计算
输入能量 Qin 输出能量 Qout 能量衡算 Q
气化反应动力学
热解过程 固相反应：主要取决于加热速率，反应速率很快 气相或气相与炭反应：包括裂解、重整、变换等反应，主要
取决于温度和停留时间
da = Ae−E / RT (1 − a)n dt
固体生物质气化反应动力学
气化反应动力学
不同生物质在不同温度下的气化反应动力学
样品 白松 白松 白松 橡胶木 橡胶木 橡胶木 橡胶木
上吸式 下吸式 横吸式 开心式
单流化床 循环流化床
双流化床 携带床
固定床式生物质气化炉
生物质 气化剂
生物质 产出气
生物质
生物质 气化剂
气
产
化
出
剂
气
产出气 (a) 下吸式
气化剂 (b) 上吸式
(c) 横吸式
产出气 (d) 开心式
固定床式生物质气化炉
气化炉类型 原料尺寸（mm） 原料湿度（﹪） 原料灰分（干基，wt﹪）
气化反应平衡分析
C 2H2 CH4
制取高热值燃气的重要反应，非均相反应 随着温度的升高，逆反应加快，不利于甲烷的生成 此反应的适宜温度为800℃
气化反应平衡分析
2CO 2H2 CH4 CO2
甲烷化的重要反应，均相反应 温度升高对正反应不利
9.3 生物质气化评价参数与过程计算
气化反应动力学
燃烧过程 焦炭的燃烧速率受温度和时间控制
900℃下不同粒径颗粒的燃烧速率
颗粒尺寸/mm 6.25 0.833 0.074
燃烧速率/g·g-1·min-1 0.648 5.04 55.9
气化反应动力学
还原过程 主要是C、CO2、CO和H2O之间的反应 气化过程速率最慢的步骤
气化基本原理
以下吸式固定床为例
还原区：600-900℃
C＋CO2 2CO－172.43 kJ H2O C CO H2 131.72 kJ 2H2O C CO2 2H2 90.17 kJ H2O CO CO2 H2 41.13 kJ 3H2 CO CH4 H2O 250.16 kJ
温度 700℃ 800℃ 900℃
反应速度与速率比 反应速度/mg•s-1•cm
速率比 反应速度/mg•s-1•cm
速率比 反应速度/mg•s-1•cm
速率比
热分解 3.170 81.3 4.117 40.0 5.893 30.4
炭的燃烧 0.937 24.0 1.063 10.3 1.141 5.9
生物质携带能量、气化剂携带能量 气体携带能量、焦油和水溶物携带能量、灰渣携带能量、系统向外界散热
Q Qin Qout
9.4 生物质气化典型工艺介绍
气化装置的构成 固定床上吸式气化炉 固定床下吸式气化炉 横流式和开心式固定床气化炉 单流化床气化炉 循环流化床气化炉 双流化床气化炉
O2
0.0724T 2 0.622
CO2
O2
11635.1 lg Kr T 2.165 lg T 0.0894T
0.08876T 2 3.394
CO2 2 O2 CO2
29530.5 lg Kr T 2.769 lg T 0.001225T
0.061356T 2 2.15
第九章 生物质热解气化技术
内容
9.1. 生物质热解气化技术概述 9.2. 生物质热解气化原理 9.3. 生物质气化评价参数与过程计算 9.4. 生物质气化典型工艺介绍 9.5. 加压气化
9.1 生物质热解气化技术概述
生物质热解气化技术发展历史 生物质热解气化技术分类
生物质热解气化技术发展历史
气化装置的构成
原料预处理设备 进料设备
气化反应器 气固分离装置 气体冷却净化装置
固定床上吸式气化炉
生物质原料从顶部加入，依靠重力从上向下移动 空气从底部进入，从下向上移动 原料移动与空气流动方向相反，也称为逆流式气化
固定床上吸式气化炉
优点
① 气化效率高（热解层和干燥层充分利用了还原反应气体的余热） ② 燃气热值高（气化气直接混入了具有较高热值的挥发分） ③ 炉排受到进风的冷却，不易损坏
• Qb为生物质原料的热值
气化主要评价参数
碳转化率
C

CCO
12CCO2 CCH4 2.5CCnHm 12 / WCHX OY
GP
• 碳转化率为单位质量的生物质气化后，气化气所含的碳与原料中所 含碳之比
• CCO、CCO2、CCH4、CCnHm分别代表相应的气体在气化气体中所占的 体积百分比
气化反应平衡分析
反应 2H2 O2 2H2O C CO2 2CO C H2O CO H2
平衡常数 Kr
H 2O2 O2 H2 2
CO2
CO2
COH2
H2O
平衡常数计算式
25116.1 lg Kr T 0.9466 lg T 0.087216T
• WCHxOy是指生物质特征分子式的质量
气化主要评价参数
气化强度
P = Wb A
kg / m2 / s
• 气化强度是指单位横截面积的气化反应器在单位时间内气化生物质 原料的能力，其值等于生物质进料速率除以气化炉横截面积
• Wb为生物质进料速率，A为气化器横截面积
气化主要评价参数
气体组分
Qg 126CCO 108CH2 359CCH4 665CCnHm kJ / Nm3
• 低位热值的计算公式 • CCO、CH2、CCH4、CCnHm分别代表CO、H2、CH4和CnHm在气化气
体所占的体积百分比
气化主要评价参数
气化效率
Qg GP 100% Qb
• 气化效率为单位质量的生物质气化之后，气化气体包含的化学能与 气化原料所包含的化学能之比
0.081618T 2 1.714
8947.7 lg Kr T 2.4675 lg T 0.0010824T
0.06116T 2 2.772
6740.5 lg Kr T 1.5561lg T 0.081092T
0.06371T 2 2.554
气化反应平衡分析
0.081858T 2 2.336
2207.2 lg Kr T 0.9115 lg T 0.09738T
0.081487T 2 0.098
3348 lg Kr T 5.957 lg T 0.001867T
0.061059T 2 11.79
气化反应平衡分析
C CO2 2CO
气化反应平衡分析
k1c1c2 k2c3c4
k1 c3c4 K k2 c1c2
K为化学反应平衡常数，是反应温度和压力的函数
气化反应平衡分析
反应 C O2 CO2
2C O2 2CO
2CO O2 2CO2
平衡常数 Kr
平衡常数计算式
20582.8
CO2
lg Kr T 0.302 lg T 0.02143T
炭-水蒸气气化 0.039 1.0 0.103 1.0 0.194 1.0
生物质气化三个反应过程的速率比较
气化反应平衡分析
假设如下反应是一个可逆反应：
A B C D
c1 c2
c3 c4
式中， c1 、 c2 、 c3 、 c4 相应为 A 、 B 、 C 和 D 的浓度。
v1 k1c1c2 v2 k2c3c4
缺点
① 由于气化气中直接混入了挥发分中的焦油，使得气体中的焦油含量较高 ② 一般会高达20g/m3以上
0.137~0.969 200.62
n
0.6354 0.5944 0.6756 0.5829 0.681 0.7501 0.776
E
17.8523 11.994 8.5559 39.7991 24.7075 18.2681 13.2696
R
0.9998 0.9997 0.9994 0.9998 0.9984 0.9989 0.9997
气化主要评价参数 气化主要影响因素 气化过程质量与能量平衡计算
气化主要评价参数
气体产率
GP

Vg Mb
Nm3 / kg
• 气体产率Gp是指单位质量生物质气化后所获得的气体燃料在标准状 态下的体积
• Vg为气化气体在标准状态下的体积，Mb为气体生物质的质量
气化主要评价参数
气体热值
生物质热解气化技术分类
按气化剂分类
不同气化技术比较
气化剂 气体热值/(MJ/m3 锅炉、干燥、动力
氧气
水蒸气
11~19
中热值气
区域供气、合成气
氢气 22~26 高热值气 工艺热源、管网输送气
生物质热解气化技术分类
按设备运行方式分类
生物质气化
固定床 流化床 旋转床
• 可燃气体：CO、H2、CH4和CnHm • 不可燃气体：CO2、N2和O2 • 我国规定民用燃气中CO的含量不能超过15%
气化主要影响因素
当量比ER：气化实际供给的空气量与生物质完全燃烧理 论所需的空气量之比
ER = AR SR
• AR为气化时实际供给的空气量与燃料量之比（kg/kg），简称空燃 比
下吸式 5-100 ＜30 ＜25