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技术文库

生物质转化为清洁燃气的成熟技术支持

1、生物质能简介

生物质能(Biomass Energy),是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,取之不尽、用之不竭,是一种可再生能源,同时也是一种可再生的碳。如图1-1所示:


图1-1 生物质替代石化能源


2、生物质能的分类
生物质能源原料来源广泛,依据来源的不同,可以将适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类。如图1-2所示:



图1-2 生物质能的来源


3、生物质能的特点
3.1、可再生性
生物质能属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生, 与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用。
3.2、低污染性
生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中生成的S0X、N0X很少;生物质作为燃料时,由于它在生长时需要的二氧化碳相当于它排放的二氧化碳的量,因而对大气的CO2净排放量近似于零,可有效地减轻温室效应。
如1-3图示:

图1-3 低碳“零”排放示意图


3.3、广泛分布性
有生物的地方有生物质能源,缺乏化石能源的地域,可充分利用生物质能。

3.4、生物质燃料总量十分丰富
生物质能是世界第四大能源,仅次于煤炭、石油和天然气。根据生物学家估算,地球陆地每年生产1000?1250亿吨生物质;海洋年生产500亿吨生物质。生物质能源的年生产量远远超过全世界总能源需求量,相当于目前世界总能耗的10倍。我国可开发为能源的生物质资源到2010年已达3亿吨。随着农林业的发展,特别是炭薪林的推广,生物质资源还将越来越多。

4、生物质气化技术
4.1、生物质气化原理
生物质气化是指将生物质原料(柴薪、锯末、麦杆、稻草等)压制成型或简单破碎加工处理后,送入气化炉中,在欠氧的条件下进行气化裂解,从而得到的可燃气体,根据应用需要有时还要对产出气经行净化处理从而得到优质的产品气。
生物质气化原理是在一定的热力学条件下,借助于气化介质(空气、氧气或水蒸气等)的作用,使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原、重整反应,热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化成为小分子碳氢化合物,获得CO、H2和CH4等气体。

由于生物质由纤维素、半纤维素、木质素、惰性灰等组成,含氧量和挥发份高,焦炭的活化性强,因此生物质与煤相比,具有更高的气化活性,更适合气化。生物质气化主要包括气化反应、合成气催化变换和气体分离净化过程(直接燃用的不用分离净化)。
生物质气化反应原理如图2-1所示:

图2-1 生物质气化反应原理图


生物质气化化学反应式(以空气为气化介质):
CH1.4O0.6+0.4O2+1.5N2=0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+(1.5N2)
生物质气化的主要参数:
1)风量当量比:
理论佳当量比为0.28,由于原料与气化方式的不同,实际运行中, 控制的佳当量比在0.2?0.28之间。
2)气体产率:
气化炉的气体产率约为1.9?2.3Nm3/kg。
3)气化效率:
生物质燃料气化活性高,气化效率高,可达90%以上。
4)气体热值

表2-1 生物质燃气的成分分析表

燃料 h2 % C02 % o2  % ch4 % CO % CnHm % % n2 % HgkJ/m3
玉米芯 20.0 13.0 0.9 2.3 17.0 0.2 46.6 5317.6
茶壳 13.01 7.9 2.2 3.75 22.4 0.2 50.59 5298.5
木屑 13.76 10.5 0.4 4.04 23.4 1.0 46.9 6085.7
棉柴 11.5 11.6 1.5 1.92 22.7 0.2 50.58 4915.5
花生壳 21.0 17.6 0.8 2.1 15.5 0.9 42.1 5819.4


表2-2 几种典型燃气及燃-空混合气热工性质对比

气体种类 气体低位热值 (kJ/m3) 理论空气量 (m3/m3) 理论燃烧温度 (℃) 燃-空混合气低位热值kJ/m3)
天然气 36586 9.64 1970 3438
焦炉煤气 17615 4.21 1998 3381
混合煤气 13858 3.18 1986 3315
发生炉煤气 5735 1.19 1600 2618
沼气 21223 5.56 3191
秸秆生物质气 5316 0.9 1810 2798


4.2、生物质可燃气的优点
1)环保清洁型气体燃料;
2)燃烧特性好,燃尽率高; .
3)含硫量极低,仅为燃料油的1/20左右,不用采取任何脱硫措施即可达到环保要求;
4)含氧量极低,燃烧时不用采取任何脱硝措施即可达到环保要求;
5)燃气含灰量低;
6)“0”排放:生物质燃烧排放的C02与其在生长过程中吸收的C02相同,且替代了化石能源,减少了净排放,根据《京都议定书》机制,生物质燃料CO2为生态“0”排放。

4.3、生物质可燃气的热值、主要成分、燃烧产物
1)生物质气体燃料的热值:一般为5?8MJ/m3;
2)生物质气体燃料的成分:其主要可燃成份为CO、H2和CH4和一些C2H4高分子碳氢化合物及少量焦油;
3)生物质气体燃料的燃烧产物:生物质气体燃料是一种可再生的环保清洁型能源,硫含量很低,主要燃烧产物为CO2、H2O、N2。

4.4、生物质可燃气的应用
生物质可燃气,即将生物质原料在生物质气化炉中通过高温气化,转化为生物质可燃气,替代燃料油或天然气应用于钢铁窑炉、玻璃窑炉、陶瓷窑炉等。
生物质可燃气的品质优于现在工业用的煤转气(水煤气)基本相当,含尘量和焦油含量更低、更环保。
生物质可燃气是一种非常清洁的生活和工业燃料,未经净化的生物质气体燃料可以直接通过管道输送应用到扎钢加热炉、炼铜反射炉、坩锅炉、工业锅炉及水泥回转炉和耐火材料隧道窑等燃料品质要求较低的工业窑炉上。经过除尘除焦等净化工序后,其应用范围可推广到陶瓷窑炉、玻璃窑炉、热风炉和电厂等燃料品质要求较高的工业窑炉上。

5、工艺简介
生物质气化技术是广东宝杰环保科技有限公司自主开发的新型生物应用技术。

5.1工艺流程
生物质气化系统主要工艺流程如图2-2所示:

图2-2生物质气化炉工艺流程图

5.2、生物质气化炉系统组成
1)上料传送设备:
上料传送设备选择性能稳定的皮带式传送机。
2)储料仓:
储料仓可以储存6小时用量的燃料,确保生产连续进行。
3)进料螺旋给料机:
进料螺旋给料机采用调速电机控制,进料稳定,可以根据锅炉负荷调节进料量。
4)气化炉本体:
气化炉本体是整套系统的核心设备,生物质固体燃料在本体中高温裂解、气化,转变成高温生物质燃气。
5)风机:
风机提供本体生物质高温气化所需的空气。
6)自控仪表:
自控仪表是整个系统的控制神经,用于控制正常运行,生产跟踪,及故障报警分析。
7)旋风除尘设备:
用于处理生物质燃气,确保干净的燃气进入窑炉。

5.3、生物质气化炉工艺简介
1)生物质气化原理:将生物质原料在一定的热力条件下,利用气化介质(空气、氧气或水蒸汽等)的作用,使生物质的高聚物发生热解、氧化、还原和重整反应,热解伴生的焦油进一步热裂化或催化裂化成为小分子的碳氢化合物,获得CO、H2和CH4等可燃气体。
2)生物质气化炉:根据生物质气化原理设计制造而成,将生物质原料压制成型或是简单破碎加工处理后,送入气化炉内,在欠氧的条件下进行气化裂解, 从而得到可燃气体。由于生物质由纤维素、半纤维素、木质素、惰性灰等组成, 含氧量和挥发份高,焦炭的活化性强,因此比煤具有更高的气化活性,更适合气 化。生物质气化简单工艺流程示意图如下所示:
以上流程图是上吸式气化炉的工作过程,原料自上而下,气化过程自下而上。 所产燃气从下而上,经出口将新入炉原料干燥后,自身得以冷却再从炉内引出进入净化装置,从而产生清洁的可燃气体。
3)节能环保,增加企业经济效益的目的
A、生物质气化炉采用的原料一般为农、林业和部分工业企业废弃的生物质 废料,如柴薪、锯末、麦秆、稻草等,达到变废为宝、综合利用和提高企业经济 效益的目的,一吨生物质原料的热值相当于一吨普通煤的热值,经过气化炉转化 为燃气后,燃烧更完全,利用率更高。
B、由于生物质气化活性高,气化率高,可达90%以上原料经过气化炉气化后,残余的部分固定炭可出售给回收公司作为原料,残余的固定炭作是一种紧俏的炭基复合肥添加原料,可以有效提高土壤的肥效,增加农作物的产量和农产品的品质。
C、气化炉在生产过程中无焦油产生,通过独特的设计,将伴生的焦油经二次裂解后全部成为可燃气体,不存在废焦油和废液处理问题及污染物排放。
D、生物质气化产气率约为1.9—2.3Nm3/kg之间,气化后的燃气容易着火、燃烧完全、清洁环保,完全杜绝了直燃生物质原料出现的结焦、颗粒物排放量大和燃烧不完全等热效率低和环保压力大的问题,可显著提高锅炉热效率的同时并大幅度降低锅炉废气中污染物的排放。
E、由于生物质气化燃气中含S02成份少,锅炉排烟温度可以进一步降低,达到有效利用热量,提高锅炉热效率。并且生物质气化燃气体夹带的粉尘颗粒物极少,粉尘颗粒物的环保处理压力大为降低,用常规的水膜除尘器即可以完全满足废气中颗粒物浓度限值的排放要求。
F、生物质气化后的燃气不含任何的S02气体,因此,采用生物质气化炉后的 工业锅炉废气排放完全可以达到S02的浓度限值要求。
G、对于生物质气化炉关于氮氧化物排放处理,通过设计一套烟气再循环系统,将锅炉出口的烟气抽取25%左右,与气化燃气混合后再燃烧,达到抑制氮氧化物产生的目的,完全可以达到环保排放关于氮氧化物的浓度限值要求。

6、使用生物质能的经济性优势
6.1、生物质气化炉的环保特性
1)燃料自动连续进料,不会出现生物质直燃的脏、乱、差现象;
2)生物质气化炉气化过程中,炉内为微正压,安全可靠;
3)正常生产时,气化炉所有设备壁表温度小于80°C,符合国 家相关规定;
4)在气化炉生产时,不会排放任何烟气、废水,产生的炭灰,仍有经济价值,经过密封装袋处理,既可以做蚊香,也可以用来做果园废料等。

6.2、生物质能源经济性优势(见表3—1和3—2)
表3-1  生物质能源技术应用性对比

项目

生物质气化炉

锅炉

燃煤锅炉

优质

燃油锅炉

优质

燃气锅炉

优质

导热油炉

优质

热风炉

塔式烘干炉

优质

回转烘干炉

优质

干燥炉 优质
金属窑炉 熔铝炉 优质
熔铜炉 优质
熔锡炉 优质
钢铁加热炉 优质
钢铁退火炉 优质
陶瓷窑 陶瓷窑 优质
耐火材料烧结窑 优质
砖瓦烧结窑 优质
玻璃窑 干锅窑 优质
马蹄焰玻璃窑 优质
横火焰玻璃窑 优质
玻璃退火窑 优质
表3-2 各种燃料经济性对比表(10t/h蒸汽锅炉)


项目 物质颗粒 天然气 柴油 重油 生物质
气化
燃料热值(kcal/kg; kcal/Nm3) 4100 8,600 10,200 9,640 5500 4100
气化系统效率(%) - - - - - 85
含琉量(%)≤ ≤0.11 ≤0.15 ≤0. 2-0. 3 ≤1.11-1.8 ≤0.5-2.8 ≤0.1
NOx (mg/m3) 220 148 230 300 350 140
S02 (mg/m3) 46 28 120 130 300 18
烟尘 (mg/m3) 64 11 42 47 60 12
价格(元/吨、元/m3) 900 4 4500 •3500 470 420
节约燃料费用(%) 37% 61% 55% 52% -27%
备注:以上数据基于10吨锅炉年生产11个月,年用蒸汽6万蒸吨


研宄结论
综上所述,生物质气化炉不仅节能上有显著效果,而且在环保达标上完全
符合国 家的有关要求,是一项利国利民的新技术,新产品,应大力提倡推广运用。

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