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技術文庫

生物質轉化為清潔燃氣的成熟技術支持

1、生物質能簡介

生物質能(Biomass Energy),是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式,即以生物質為載體的能量。它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用,可轉化為常規的固態、液態和氣態燃料,取之不盡、用之不竭,是一種可再生能源,同時也是一種可再生的碳。如圖1-1所示:


圖1-1 生物質替代石化能源


2、生物質能的分類
生物質能源原料來源廣泛,依據來源的不同,可以將適合于能源利用的生物質分為林業資源、農業資源、生活污水和工業有機廢水、城市固體廢物和畜禽糞便等五大類。如圖1-2所示:



圖1-2 生物質能的來源


3、生物質能的特點
3.1、可再生性
生物質能屬可再生資源,生物質能由于通過植物的光合作用可以再生, 與風能、太陽能等同屬可再生能源,資源豐富,可保證能源的永續利用。
3.2、低污染性
生物質的硫含量、氮含量低、燃燒過程中生成的S0X、N0X很少;生物質作為燃料時,由于它在生長時需要的二氧化碳相當于它排放的二氧化碳的量,因而對大氣的CO2凈排放量近似于零,可有效地減輕溫室效應。
如1-3圖示:

圖1-3 低碳“零”排放示意圖


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

3.4、生物質燃料總量十分豐富
生物質能是世界第四大能源,僅次于煤炭、石油和天然氣。根據生物學家估算,地球陸地每年生產1000?1250億噸生物質;海洋年生產500億噸生物質。生物質能源的年生產量遠遠超過全世界總能源需求量,相當于目前世界總能耗的10倍。我國可開發為能源的生物質資源到2010年已達3億噸。隨著農林業的發展,特別是炭薪林的推廣,生物質資源還將越來越多。

4、生物質氣化技術
4.1、生物質氣化原理
生物質氣化是指將生物質原料(柴薪、鋸末、麥桿、稻草等)壓制成型或簡單破碎加工處理后,送入氣化爐中,在欠氧的條件下進行氣化裂解,從而得到的可燃氣體,根據應用需要有時還要對產出氣經行凈化處理從而得到優質的產品氣。
生物質氣化原理是在一定的熱力學條件下,借助于氣化介質(空氣、氧氣或水蒸氣等)的作用,使生物質的高聚物發生熱解、氧化、還原、重整反應,熱解伴生的焦油進一步熱裂化或催化裂化成為小分子碳氫化合物,獲得CO、H2和CH4等氣體。

由于生物質由纖維素、半纖維素、木質素、惰性灰等組成,含氧量和揮發份高,焦炭的活化性強,因此生物質與煤相比,具有更高的氣化活性,更適合氣化。生物質氣化主要包括氣化反應、合成氣催化變換和氣體分離凈化過程(直接燃用的不用分離凈化)。
生物質氣化反應原理如圖2-1所示:

圖2-1 生物質氣化反應原理圖


生物質氣化化學反應式(以空氣為氣化介質):
CH1.4O0.6+0.4O2+1.5N2=0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+(1.5N2)
生物質氣化的主要參數:
1)風量當量比:
理論佳當量比為0.28,由于原料與氣化方式的不同,實際運行中, 控制的佳當量比在0.2?0.28之間。
2)氣體產率:
氣化爐的氣體產率約為1.9?2.3Nm3/kg。
3)氣化效率:
生物質燃料氣化活性高,氣化效率高,可達90%以上。
4)氣體熱值

表2-1 生物質燃氣的成分分析表

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
茶殼 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
花生殼 21.0 17.6 0.8 2.1 15.5 0.9 42.1 5819.4


表2-2 幾種典型燃氣及燃-空混合氣熱工性質對比

氣體種類 氣體低位熱值 (kJ/m3) 理論空氣量 (m3/m3) 理論燃燒溫度 (℃) 燃-空混合氣低位熱值kJ/m3)
天然氣 36586 9.64 1970 3438
焦爐煤氣 17615 4.21 1998 3381
混合煤氣 13858 3.18 1986 3315
發生爐煤氣 5735 1.19 1600 2618
沼氣 21223 5.56 3191
秸稈生物質氣 5316 0.9 1810 2798


4.2、生物質可燃氣的優點
1)環保清潔型氣體燃料;
2)燃燒特性好,燃盡率高; .
3)含硫量極低,僅為燃料油的1/20左右,不用采取任何脫硫措施即可達到環保要求;
4)含氧量極低,燃燒時不用采取任何脫硝措施即可達到環保要求;
5)燃氣含灰量低;
6)“0”排放:生物質燃燒排放的C02與其在生長過程中吸收的C02相同,且替代了化石能源,減少了凈排放,根據《京都議定書》機制,生物質燃料CO2為生態“0”排放。

4.3、生物質可燃氣的熱值、主要成分、燃燒產物
1)生物質氣體燃料的熱值:一般為5?8MJ/m3;
2)生物質氣體燃料的成分:其主要可燃成份為CO、H2和CH4和一些C2H4高分子碳氫化合物及少量焦油;
3)生物質氣體燃料的燃燒產物:生物質氣體燃料是一種可再生的環保清潔型能源,硫含量很低,主要燃燒產物為CO2、H2O、N2。

4.4、生物質可燃氣的應用
生物質可燃氣,即將生物質原料在生物質氣化爐中通過高溫氣化,轉化為生物質可燃氣,替代燃料油或天然氣應用于鋼鐵窯爐、玻璃窯爐、陶瓷窯爐等。
生物質可燃氣的品質優于現在工業用的煤轉氣(水煤氣)基本相當,含塵量和焦油含量更低、更環保。
生物質可燃氣是一種非常清潔的生活和工業燃料,未經凈化的生物質氣體燃料可以直接通過管道輸送應用到扎鋼加熱爐、煉銅反射爐、坩鍋爐、工業鍋爐及水泥回轉爐和耐火材料隧道窯等燃料品質要求較低的工業窯爐上。經過除塵除焦等凈化工序后,其應用范圍可推廣到陶瓷窯爐、玻璃窯爐、熱風爐和電廠等燃料品質要求較高的工業窯爐上。

5、工藝簡介
生物質氣化技術是廣東寶杰環??萍加邢薰咀灾鏖_發的新型生物應用技術。

5.1工藝流程
生物質氣化系統主要工藝流程如圖2-2所示:

圖2-2生物質氣化爐工藝流程圖

5.2、生物質氣化爐系統組成
1)上料傳送設備:
上料傳送設備選擇性能穩定的皮帶式傳送機。
2)儲料倉:
儲料倉可以儲存6小時用量的燃料,確保生產連續進行。
3)進料螺旋給料機:
進料螺旋給料機采用調速電機控制,進料穩定,可以根據鍋爐負荷調節進料量。
4)氣化爐本體:
氣化爐本體是整套系統的核心設備,生物質固體燃料在本體中高溫裂解、氣化,轉變成高溫生物質燃氣。
5)風機:
風機提供本體生物質高溫氣化所需的空氣。
6)自控儀表:
自控儀表是整個系統的控制神經,用于控制正常運行,生產跟蹤,及故障報警分析。
7)旋風除塵設備:
用于處理生物質燃氣,確保干凈的燃氣進入窯爐。

5.3、生物質氣化爐工藝簡介
1)生物質氣化原理:將生物質原料在一定的熱力條件下,利用氣化介質(空氣、氧氣或水蒸汽等)的作用,使生物質的高聚物發生熱解、氧化、還原和重整反應,熱解伴生的焦油進一步熱裂化或催化裂化成為小分子的碳氫化合物,獲得CO、H2和CH4等可燃氣體。
2)生物質氣化爐:根據生物質氣化原理設計制造而成,將生物質原料壓制成型或是簡單破碎加工處理后,送入氣化爐內,在欠氧的條件下進行氣化裂解, 從而得到可燃氣體。由于生物質由纖維素、半纖維素、木質素、惰性灰等組成, 含氧量和揮發份高,焦炭的活化性強,因此比煤具有更高的氣化活性,更適合氣 化。生物質氣化簡單工藝流程示意圖如下所示:
以上流程圖是上吸式氣化爐的工作過程,原料自上而下,氣化過程自下而上。 所產燃氣從下而上,經出口將新入爐原料干燥后,自身得以冷卻再從爐內引出進入凈化裝置,從而產生清潔的可燃氣體。
3)節能環保,增加企業經濟效益的目的
A、生物質氣化爐采用的原料一般為農、林業和部分工業企業廢棄的生物質 廢料,如柴薪、鋸末、麥稈、稻草等,達到變廢為寶、綜合利用和提高企業經濟 效益的目的,一噸生物質原料的熱值相當于一噸普通煤的熱值,經過氣化爐轉化 為燃氣后,燃燒更完全,利用率更高。
B、由于生物質氣化活性高,氣化率高,可達90%以上原料經過氣化爐氣化后,殘余的部分固定炭可出售給回收公司作為原料,殘余的固定炭作是一種緊俏的炭基復合肥添加原料,可以有效提高土壤的肥效,增加農作物的產量和農產品的品質。
C、氣化爐在生產過程中無焦油產生,通過獨特的設計,將伴生的焦油經二次裂解后全部成為可燃氣體,不存在廢焦油和廢液處理問題及污染物排放。
D、生物質氣化產氣率約為1.9—2.3Nm3/kg之間,氣化后的燃氣容易著火、燃燒完全、清潔環保,完全杜絕了直燃生物質原料出現的結焦、顆粒物排放量大和燃燒不完全等熱效率低和環保壓力大的問題,可顯著提高鍋爐熱效率的同時并大幅度降低鍋爐廢氣中污染物的排放。
E、由于生物質氣化燃氣中含S02成份少,鍋爐排煙溫度可以進一步降低,達到有效利用熱量,提高鍋爐熱效率。并且生物質氣化燃氣體夾帶的粉塵顆粒物極少,粉塵顆粒物的環保處理壓力大為降低,用常規的水膜除塵器即可以完全滿足廢氣中顆粒物濃度限值的排放要求。
F、生物質氣化后的燃氣不含任何的S02氣體,因此,采用生物質氣化爐后的 工業鍋爐廢氣排放完全可以達到S02的濃度限值要求。
G、對于生物質氣化爐關于氮氧化物排放處理,通過設計一套煙氣再循環系統,將鍋爐出口的煙氣抽取25%左右,與氣化燃氣混合后再燃燒,達到抑制氮氧化物產生的目的,完全可以達到環保排放關于氮氧化物的濃度限值要求。

6、使用生物質能的經濟性優勢
6.1、生物質氣化爐的環保特性
1)燃料自動連續進料,不會出現生物質直燃的臟、亂、差現象;
2)生物質氣化爐氣化過程中,爐內為微正壓,安全可靠;
3)正常生產時,氣化爐所有設備壁表溫度小于80°C,符合國 家相關規定;
4)在氣化爐生產時,不會排放任何煙氣、廢水,產生的炭灰,仍有經濟價值,經過密封裝袋處理,既可以做蚊香,也可以用來做果園廢料等。

6.2、生物質能源經濟性優勢(見表3—1和3—2)
表3-1  生物質能源技術應用性對比

項目

生物質氣化爐

鍋爐

燃煤鍋爐

優質

燃油鍋爐

優質

燃氣鍋爐

優質

導熱油爐

優質

熱風爐

塔式烘干爐

優質

回轉烘干爐

優質

干燥爐 優質
金屬窯爐 熔鋁爐 優質
熔銅爐 優質
熔錫爐 優質
鋼鐵加熱爐 優質
鋼鐵退火爐 優質
陶瓷窯 陶瓷窯 優質
耐火材料燒結窯 優質
磚瓦燒結窯 優質
玻璃窯 干鍋窯 優質
馬蹄焰玻璃窯 優質
橫火焰玻璃窯 優質
玻璃退火窯 優質
表3-2 各種燃料經濟性對比表(10t/h蒸汽鍋爐)


項目 物質顆粒 天然氣 柴油 重油 生物質
氣化
燃料熱值(kcal/kg; kcal/Nm3) 4100 8,600 10,200 9,640 5500 4100
氣化系統效率(%) - - - - - 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
煙塵 (mg/m3) 64 11 42 47 60 12
價格(元/噸、元/m3) 900 4 4500 ?3500 470 420
節約燃料費用(%) 37% 61% 55% 52% -27%
備注:以上數據基于10噸鍋爐,年生產11個月,年用蒸汽6萬蒸噸


研宄結論
綜上所述,生物質氣化爐不僅節能上有顯著效果,而且在環保達標上完全
符合國 家的有關要求,是一項利國利民的新技術,新產品,應大力提倡推廣運用。

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