7.1 氣化的基本原理 7.2 生物質氣化設備 7.3 生物質燃氣 7.4 秸桿氣化集中供氣系統 7.5 生物質氣化發電技術 生物質氣化技術 7.1 氣化的基本原理 7.2 生物質氣化設備 7.3 生物質燃氣 7.4 秸桿氣化集中供氣系統 7.5 生物質氣化發電技術

7.1 氣化的基本原理 7.1.1 氣化原理 為了方便描述生物質氣化過程，將結合生物質下吸式爐的氣化過程（圖7.1）說明生物質氣化的基本原理。

圖7.1 生物質氣化原理

1. 乾燥層 2. 熱解層（乾餾層） 3. 氧化層 熱解的剩餘物木炭與被引入的空氣發生劇烈反應，同時釋放出大量的熱，以支持其他區域反應進行。氧化層的反應速率較快，高度較低。在氧化層，温度可以達到1000～1200℃，揮發分參與燃燒後進一步降解。主要化學反應為 C＋O2→CO2 2C＋O2→2CO 2CO＋O2→2CO2 2H2＋O2→2H2O

4. 還原層 還原層中沒有氧氣存在，氧化層中的燃燒產物及水蒸氣與還原層中木炭發生還原反應，生成了氫氣和一氧化碳等。這些氣體和揮發分等形成了可燃氣體，完成了固體生物質向氣體燃料轉化的過程。因為還原反應為吸熱反應，温度相應的降低到700～900℃，所需的熱量由氧化層所提供，反應速率較慢，因此還原層的高度超過氧化層。主要化學反應為 C＋H2O→CO＋H2 C＋CO2→2CO C＋2H2→CH4

7.1 氣化的基本原理 7.1.2 氣化過程的指標 1. 氣體產率 2. 氣化强度 3. 氣化效率 7.1 氣化的基本原理 7.1.2 氣化過程的指標 1. 氣體產率 2. 氣化强度 3. 氣化效率 又稱冷氣體熱效率，指單位質量生物質氣化所得到的燃氣在完全燃燒時放出的熱量與氣化使用的生物質發熱量之比，是衡量氣化過程的主要指標 氣化效率(%)＝

7.1 氣化的基本原理 4. 熱效率 5. 燃氣熱值 燃氣的熱值可用氣體燃料量熱計測定。由於氣體燃料是由若干可燃和不可燃氣體混合而成，這些可燃氣體的 已由試驗精確測定（參見表7.1），因此如果已知氣體燃料的體積成分ri，可用以下公式進行計算

7.1 氣化的基本原理 7.1.3 氣化的分類 對於生物質氣化過程的分類有多種形式。如果按照製取燃氣熱值的不同可分為：製取低熱值燃氣方法（燃氣熱值低於8374kJ/m3），製取中熱值燃氣方法（燃氣熱值為16747～33494kJ/m3），製取高熱值燃氣方法（燃氣熱值高於33494kJ/m3）；如果按照設備的運行方式的不同，可以將其分為固定床、流化床和旋轉床。如果按照氣化劑的不同，可以將其分為乾餾氣化、空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、水蒸氣－空氣氣化和氫氣氣化等，如圖7.2所示。

7.1 氣化的基本原理 圖7.2 生物質氣化技術的分類

7.1 氣化的基本原理 表 7.1 各種氣體的低位發熱量（25℃） 氣體名稱 低位發熱量 kJ/kg kJ/m3 氫氣 一氧化碳 甲烷 乙烷 7.1 氣化的基本原理 表 7.1　各種氣體的低位發熱量（25℃） 氣體名稱 低位發熱量 kJ/kg kJ/m3 氫氣 一氧化碳 甲烷 乙烷 120036 10111 50049 47520 10743 12636 35709 63581 丙烷 乙烯 丙烯 乙炔 64886 47194 45812 — 91029 59469 86407 56451

7.2 生物質氣化設備 生物質氣化反應發生在氣化爐中，是氣化反應的主要設備。在氣化爐中，生物質完成了氣化反應過程並轉化為生物質燃氣。針對其運行方式的不同，可將氣化爐分為固定床氣化爐和流化床氣化爐，而固定床氣化爐和流化床氣化爐又分別具有多種不同的形式，如圖7.3所示。

7.2 生物質氣化設備 圖7.3 生物質氣化爐的分類

7.2 生物質氣化設備 7.2.1 固定床氣化爐 固定床氣化爐的氣化反應一般發生在相對静止的床層中進行，生物質依次完成乾燥、熱解、氧化和還原反應。根據氣流運動方向的不同，固定床氣化爐可分為下吸式、上吸式和横吸式。 1. 上吸式固定床氣化爐[見圖7.4(a）] 2. 下吸式固定床氣化爐[見圖7.4(b）] 3. 横吸式固定床氣化爐

圖7.4 固定床氣化爐原理示意圖

圖7.5 下吸式固定床氣化爐結構示意圖

圖7.6 橫吸式固定床氣化爐工作原理示意圖

7.2 生物質氣化設備 7.2.2 流化床氣化爐 流化床氣化爐可分鼓泡床氣化爐、循環流化床氣化爐、雙床氣化爐和携帶床氣化爐。

1. 鼓泡床氣化爐 圖7.7

2. 循環流化床氣化爐 圖7.8

3. 雙床氣化爐 圖7.9

7.2 生物質氣化設備 4. 携帶床氣化爐 表7.2 特性 上吸式固定床 下吸式固定床 鼓泡流化床 循環流化床 原料適應性 燃氣特性 7.2 生物質氣化設備 4. 携帶床氣化爐 表7.2 特性 上吸式固定床 下吸式固定床 鼓泡流化床 循環流化床 原料適應性 適用不同形狀尺寸原料，含水率15%～45% 大塊原料不經預處理可直接使用 原料尺寸要求較為嚴格＜10mm 適應不同種類原料，要求細顆粒 燃氣特性 焦油含量高，需要複雜浄化處理 焦油經高温區裂解，含量少 焦油含量較少，燃氣成分穩定 焦油含量少，產氣量大，氣體熱值高 設備特點 結構簡單 氣流速度受到限制 單位容積的生產能力最大

7.3 生物質燃氣 7.3.1 生物質燃氣特性 生物質燃氣是由若干可燃氣體、不可燃成分以及水蒸氣組成的混合氣體。與固體生物質相比，易於運輸和儲存，提高了燃料的品質。 不同氣化技術可燃氣熱值的區別見表7.3，空氣氣化下吸式氣化爐的燃氣成分見表7.4。

7.3 生物質燃氣 表7.3 不同氣化技術可燃氣熱值的區別 類型 下吸式 上吸式 横吸式 鼓泡床 循環床 雙流床 携帶床 空氣 氧氣 蒸汽 7.3 生物質燃氣 表7.3 不同氣化技術可燃氣熱值的區別 類型 下吸式 上吸式 横吸式 鼓泡床 循環床 雙流床 携帶床 空氣 氧氣 蒸汽 △ ○ 注：△為低熱值氣體；○為中熱值氣體。

表7.4 空氣氣化下吸式氣化爐的燃氣成分(按體積計) 7.3 生物質燃氣 表7.4 空氣氣化下吸式氣化爐的燃氣成分(按體積計) 原料種類 CO2/% O2/% CO/% H2/% CH4/% CmHn/% N2/% 低位熱值/(kJ/m3) 玉米芯 玉米桿 棉柴 稻草 麥桿 12.5 13.0 11.6 13.5 14.0 1.4 1.6 1.5 1.7 22.5 21.4 22.7 15.0 17.6 12.3 12.2 11.5 12.0 8.5 2.32 1.87 1.92 2.1 1.36 0.2 0.1 48.78 49.68 50.58 55.60 56.74 5120.0 4808.8 4915.5 4001.8 3663.6

7.3 生物質燃氣 1. 燃氣的分子量 單質或化合物的分子量等於這個分子的所有原子量的總和。生物質燃氣是由多種氣體組成的混合物，其分子量可由下式進行計算 式中 xi--燃氣中各組成氣體的體積百分數，%； mi--燃氣中各組成氣體的分子量（見表7.5）。

7.3 生物質燃氣 表7.5 燃氣中組成氣體的分子量 名稱 分子量 氫氣 氧氣 二氧化碳 乙烯 2.016 31.999 44.01 7.3 生物質燃氣 表7.5 燃氣中組成氣體的分子量 名稱 分子量 氫氣 氧氣 二氧化碳 乙烯 2.016 31.999 44.01 28.054 氮氣 一氧化碳 甲烷 水蒸氣 28.013 28.019 16.043 18.015

7.3 生物質燃氣 2. 燃氣密度和相對密度 燃氣的密度是指單位體積燃氣的質量，一般是指在標準狀態下（温度為0℃，壓力為1標準大氣壓的狀態）的密度，可按下式計算 式中 --生物質燃氣在標準下的密度，kg/m3； xi--燃氣中各組成氣體的體積百分數，%； --燃氣中各組成氣體在標準狀態下的密度（見表7.6），kg/m3。

7.3 生物質燃氣 表7.6 燃氣中各組成氣體在標準狀態下的密度 名稱 密度/（kg/m3） 氫氣 氧氣 二氧化碳 乙烯 0.090 7.3 生物質燃氣 表7.6 燃氣中各組成氣體在標準狀態下的密度 名稱 密度/（kg/m3） 氫氣 氧氣 二氧化碳 乙烯 0.090 1.429 1.977 1.261 氮氣 一氧化碳 甲烷 水蒸氣 1.250 1.251 0.717 1.293

7.3 生物質燃氣 3. 理論空氣量 與固體燃料不同，燃氣的理論空氣量一般用單位標準體積來表示，單位為m3/m3。對已知組分的混合可燃氣體，可按下式計算 式中，H2、CO、CnHm、H2S和O2分別為燃氣中各成分的體積含量，%。 以玉米結桿為例，其燃氣在標準狀態下所需的理論空氣量為0.955 m3/m3。

7.3 生物質燃氣 4. 華白指數 式中 WS--華白指數； QGW--在標準狀態下乾基的高位發熱量，kJ/m3； S--燃氣的相對密度。 7.3 生物質燃氣 4. 華白指數 華白指數是代表燃氣特性的一個參數。在燃氣工程中，對於不同類型的燃氣互換時，需要考慮衡量熱流量大小的特性指數。可按下式計算 式中 WS--華白指數； QGW--在標準狀態下乾基的高位發熱量，kJ/m3； S--燃氣的相對密度。

7.3 生物質燃氣 5. 爆炸極限範圍 氣體燃料中某些氣體成分，當它與空氣達到一定的混合比例時，就可能達到爆炸極限範圍，表7.7給出了一些氣體與空氣混合後的爆炸濃度範圍。

7.3 生物質燃氣 表7.7 一些氣體與空氣混合後的爆炸濃度範圍 氣體 爆炸濃度範圍/% 甲烷 2.5～15 一氧化碳 12.5～80 乙烷 7.3 生物質燃氣 表7.7 一些氣體與空氣混合後的爆炸濃度範圍 氣體 爆炸濃度範圍/% 甲烷 2.5～15 一氧化碳 12.5～80 乙烷 乙烯 2.75～35 氫氣 4～80 硫化氫 4.2～45.5

7.3 生物質燃氣 6. 對人的毒性 在氣體燃料中有可能含有H2S、HCN、CO、SO2、NH3和C6H6等有毒成分，當其超過毒性極限時可能會使人致死，在使用含有這些成分的燃氣時必須注意這一問題，表7.8給出了一些氣體的毒性極限。

7.3 生物質燃氣 表7.8 一些氣體的毒性極限 氣體 短時間內 致死的 極限濃度/% 30～60min 有危險 的濃度/% 7.3 生物質燃氣 表7.8 一些氣體的毒性極限 氣體 短時間內 致死的 極限濃度/% 30～60min 有危險 的濃度/% 60min內無 嚴重危險 的濃度/% 長時間可允許的 最高濃度/% 硫化氫 0.1～0.2 0.05～0.07 0.02～0.03 0.01～0.015 氫氰酸 0.3 0.012～0.015 0.0005～0.006 0.0002～0.0034 二氧化硫 0.04～0.05 0.005～0.02 0.001 一氧化碳 0.5～1.0 0.2～0.3 0.05～0.10 0.04

7.3 生物質燃氣 生物質燃氣與幾種氣體燃料的特性對比可參見表7.9和表7.10。從表中可以看出生物質燃氣在理化及燃燒特性上與其他氣體燃料相比有較大的不同，如生物質燃氣的氮含量較高、熱值較低以及需要的理論空氣量較少等。

7.3 生物質燃氣 表7.9 幾種氣體燃料的成分(按體積計) 名稱 CO2/% O2/% CO/% H2/% CH4/% CmHn/% 7.3 生物質燃氣 表7.9 幾種氣體燃料的成分(按體積計) 名稱 CO2/% O2/% CO/% H2/% CH4/% CmHn/% N2/% H2S/% 低位熱值 /(kJ/m3) 天然氣 0.2 — 97.9 0.1 1.8 35100 焦爐煤氣 2.3 0.8 6.8 57.5 22.5 0.9 7.8 0.4 16600 水煤氣 6.5 37.0 50.0 0.5 5.5 0.3 10300 發生爐煤氣 5.0 26.5 13.5 51.9 5870 高爐煤氣 10.2 28.0 2.7 58.5 4000 液化石油氣 100.0 109000 生物質燃氣 12.0 1.4 20.0 12.5 51.6 4818

7.3 生物質燃氣 焦爐煤氣是煉焦時的副產品，1t煤在煉焦過程中大約可得到730～780kg焦炭，25～45kg焦油及300～350m3焦爐煤氣。 水煤氣是以水蒸氣為氣化劑，煤發生氣化反應產生的煤氣，屬於吸熱反應。生產設備和工藝複雜，主要作為化工原料使用。 發生爐煤氣一般指以空氣和水蒸氣為氣化劑，煤發生氣化反應產生的煤氣。製氣工藝比較簡單，投資少，得到了廣泛的應用。 高爐煤氣是煉鐵時的副產品，在高爐中通常每消耗1t焦炭約可產生3800～4000m3高爐煤氣。 液化石油氣是一種在石油煉製過程中的副產品，其主要成分為丙烷、丙烯、丁烷和丁烯等輕烴類，在常溫下加壓（約1.6MPa）液化而儲存於高壓罐內，經減壓轉變為氣態後使用。既是一種優質的工業及民用燃料，也是一種重要化工原料。

表7.10 生物質燃氣與幾種氣體燃料的特性對比(標準狀態下) 7.3 生物質燃氣 表7.10 生物質燃氣與幾種氣體燃料的特性對比(標準狀態下) 名稱 密度 /（kg/m3） 相對 密度 低位熱值 /（kJ/m3） 華白數 理論 空氣量 爆炸 範圍 相對 分子量 天然氣 0.743 0.5750 36442 53282 9.64 15.0～5.0 16.654 混合煤氣 0.670 0.5178 13858 21418 3.18 42.6～6.1 14.997 發生爐煤氣 1.162 0.8992 5744 6332 27.37 67.5～21.5 52.651 液化石油氣 2.350 1.8180 113730 87475 9.0～1.9 生物質燃氣 1.183 0.915 4818 5396 0.955 80.4～16.9 26.465

7.3 生物質燃氣 7.3.2　生物質燃氣的淨化 氣化爐中出來的可燃氣（稱為粗燃氣）中含有一定的雜質，不能直接使用。如果不經處理就直接應用的話，會影響用氣設備正常運轉，所以需對粗燃氣作進一步的淨化處理，使之符合有關燃氣質量標準。粗燃氣中雜質是複雜和多樣的，一般可分為固體雜質和液體雜質兩大類。固體雜質中包括灰分和細小的炭顆粒，液體雜質則包括焦油和水分。粗燃氣中各種雜質的特性見表7.11。

7.3 生物質燃氣 表7.11 粗燃氣中各種雜質的特性 雜質種類 典型成分 來源 可能引起的問題 固體顆粒 灰分、炭顆粒 7.3 生物質燃氣 表7.11 粗燃氣中各種雜質的特性 雜質種類 典型成分 來源 可能引起的問題 固體顆粒 灰分、炭顆粒 未燃盡的炭顆粒、飛灰 設備磨損、堵塞 焦油 苯的衍生物及多環芳烴 生物質熱解的產物 堵塞輸氣管道及閥門，腐蝕金屬 鹼金屬 鈉和鉀等化合物 農作物結桿 腐蝕、結渣 氮化物 NH3和HCN 燃料中含有的氮 形成NOx 硫和氯 HCl和H2S 燃料中含有的硫和氯 腐蝕以及污染環境 水分 H2O 生物質乾燥及反應產物 降低熱值，影響燃氣的使用

7.3 生物質燃氣 去除生物質燃氣中焦油的主要技術有水洗、過濾、靜電除焦和催化裂解。 1. 水洗 2. 過濾 3. 靜電除焦 7.3 生物質燃氣 去除生物質燃氣中焦油的主要技術有水洗、過濾、靜電除焦和催化裂解。 1. 水洗 2. 過濾 3. 靜電除焦 4. 催化裂解：催化劑多採用木炭、白雲石和鎳基催化劑，它們的主要性能參見表7.12。

7.3 生物質燃氣 表7.12 幾種催化劑的主要性能 名稱 反應溫度/℃ 接觸時間/s 轉化效率/% 特點 鎳基催化劑 750 約1.0 7.3 生物質燃氣 表7.12 幾種催化劑的主要性能 名稱 反應溫度/℃ 接觸時間/s 轉化效率/% 特點 鎳基催化劑 750 約1.0 97 反應溫度低，轉化效果好，成本高 木炭 800 900 約0.5 約0.5 91 99.5 木炭為氣化自身產物，成本低；隨反應進行，木炭減少 白雲石 95 99.8 轉化效率高，材料分佈廣泛

7.3 生物質燃氣 7.3.3 生物質燃氣主要用途 生物質燃氣的用途主要分為以下幾個方面。 1. 提供熱量 2. 集中供氣 3. 氣化發電 7.3 生物質燃氣 7.3.3　生物質燃氣主要用途 生物質燃氣的用途主要分為以下幾個方面。 1. 提供熱量 2. 集中供氣 3. 氣化發電 4. 化工原料氣 通過生物質氣化得到的合成氣可用來製造一系列的石油化工產品，包括甲醇、二甲醚及氨等，見圖7.10。

7.3 生物質燃氣 圖7.10 生物質合成氣的主要產品示意圖

7.4 結桿氣化集中供氣系統 生物質燃氣是一種高品質的能源，可以暫時儲存起來，需要使用時才透過輸氣管網送至最終用戶。 7.4 結桿氣化集中供氣系統 生物質燃氣是一種高品質的能源，可以暫時儲存起來，需要使用時才透過輸氣管網送至最終用戶。 7.4.1 集中供氣系統 集中供氣系統中包括原料前處理（切碎機）、上料裝置、氣化爐、淨化裝置、風機、儲氣櫃、安全裝置、管網和用戶燃氣系統等設備，結桿氣化集中供氣系統如圖7.11所示。

圖7.11 結桿氣化集中供氣系統示意圖

圖7.12 XFF系列固定床氣化集中供氣系統工藝流程示意圖 7.4 結桿氣化集中供氣系統 7.4.2 典型應用實例 1. 工程技術路線 圖7.12　XFF系列固定床氣化集中供氣系統工藝流程示意圖

表7.13 XFF系列固定床氣化集中供氣系統技術指標 7.4 結桿氣化集中供氣系統 2. 技術指標 表7.13　XFF系列固定床氣化集中供氣系統技術指標 機組型號 XFF-1000 XFF-2000 輸出功率/ （MJ/h） 1000 2000 氣化效率/% 72 產氣量/ （m3/h） 200 400 氣體焦油含量 /（mg/m3） 20 燃氣熱值/ （kJ/m3） 5000 用戶數量 100～130 130～250

7.4 結桿氣化集中供氣系統 7.4.3 經濟效益評價 系統選用XFF-2000型氣化機組和250m3容積的儲氣櫃。200戶系統初投資和年運行費用分別見表7.14和表7.15。 表7.14　200戶規模集中供氣系統初投資（1997年價） 供氣系統初投資 估算值/萬元 所占證比例/% 土地費 0.84 1.8 土建費 6.40 14.4 機組設備及安裝 11.3 25.4 儲氣櫃 12 27.0

表7.14 200戶規模集中供氣系統初投資（1997年價）（續） 7.4 結桿氣化集中供氣系統 表7.14　200戶規模集中供氣系統初投資（1997年價）（續） 供氣系統初投資 估算值/萬元 所占證比例/% 管網及附件 7.62 17.1 戶內設備 4.7 10.6 其他 1.65 3.7 合計 44.51 100 平均每戶投資 0.223

7.4 結桿氣化集中供氣系統 表7.15 200戶規模集中供氣系統年運行費用（1997年價） 項目 數值 年產氣量/km3 365 7.4 結桿氣化集中供氣系統 表7.15　200戶規模集中供氣系統年運行費用（1997年價） 項目 數值 年產氣量/km3 365 年原料費/萬元 1.10 年人工費/萬元 1.46 年運行費合計/萬元 2.93 年動力費/萬元 0.37

7.4 結桿氣化集中供氣系統 7.4.4 使用時應注意的問題 生物質氣化集中供氣系統在使用時，應注意以下幾個問題。 1. 防止一氧化碳中毒 7.4 結桿氣化集中供氣系統 7.4.4 使用時應注意的問題 生物質氣化集中供氣系統在使用時，應注意以下幾個問題。 1. 防止一氧化碳中毒 2. 二次污染問題 3. 減少燃氣中的焦油含量

7.5 生物質氣化發電技術 生物質氣化發電技術是生物質清潔能源利用的一種方式，幾乎不排放任何有害氣體。生物質氣化發電系統從發電規模可以分為小規模、中等規模和大型規模等三種，見表7.16。

7.5 生物質氣化發電技術 表7.16 不同規模生物質氣化發電技術的對比 性能參數 小規模 中等規模 大型規模 裝機容量/kW ＜200 7.5 生物質氣化發電技術 表7.16　不同規模生物質氣化發電技術的對比 性能參數 小規模 中等規模 大型規模 裝機容量/kW ＜200 500～3000 ＞5000 氣化技術 固定床、流化床 常壓流化床 常壓流化床、高壓流化床和雙床氣化爐 發電技術 內燃機、微型燃氣輪機 內燃機 整體氣化聯合循環、 系統發電效率/% 11～14 15～20 熱空氣氣輪機循環 主要用途 適用於缺電且生物質豐富地區的照明或驅動小型電機 適用於山區、農場、林場的照明或小型工業用電 35～45 電廠、熱電聯產

7.5 生物質氣化發電技術 7.5.1 內燃機氣化發電系統 內燃機是一種動力機械，它是使燃料在機器內部燃燒，將燃料釋放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機。內燃機以往復活塞式最為普遍，自19世紀60年代問世以來，經過不斷改進和發展，已經是比較完善的機械。

7.5 生物質氣化發電技術 7.5.2 燃氣輪機氣化發電系統 燃氣輪機是以連續流動的氣體作為工質驅動葉輪高速旋轉，將燃料的能量轉變為有用功的熱力發動機。燃氣輪機的工作過程是，壓氣機連續不斷地從大氣中吸入空氣並將其壓縮；壓縮後的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合後進行燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹做功，推動透平葉輪帶動壓氣機葉輪一起旋轉；加熱後的高溫燃氣做功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有餘量作為燃氣輪機的輸出機械功。

7.5 生物質氣化發電技術 7.5.3 整體氣化聯合循環 對於燃氣輪機氣化發電系統，發電後排放的尾氣溫度為500～600℃。從能量利用的角度看，尾氣仍然攜帶大量的可用能量，應該加以回收利用。

7.5 生物質氣化發電技術 所以，在使用燃氣輪機發電基礎上，增加餘熱鍋爐和過熱器產生蒸汽，再利用蒸汽循環進行發電，可有效的提高發電效率（系統效率大於40%），稱為生物質整體氣化聯合循環（B/IGCC），是大規模生物質氣化發電系統國際上重點研究的方向。整體氣化聯合循環由空分制氧和氣化爐、燃氣淨化、燃氣輪機、餘熱回收和汽輪機等組成，典型的工程流程見圖7.13。

圖7.13　生物質整體氣化聯合循環工程流程

7.5 生物質氣化發電技術 7.5.4 整體氣化熱空氣循環 整體氣化熱空氣循環（IGHAT）是正處於開發階段的氣化發電技術，其流程見圖7.14。

圖7.14 整體氣化熱空氣循環流程