木材气化技术已经有100多年的历史。气化反应器产生于1883年,是一种下吸式气化炉,主要以木炭为原料,气化得到的燃气净化后驱动内燃机,用于汽车或农业排灌设备。在20世纪20年代大规模开发石油以前,气化器与内燃机的结合一直是人们获得动力的有效方法。木材气化技术的快速发展出现在第二次世界大战期间,当时几乎所有的燃油都用于战争,民用燃油供应奇缺,因此德国大力发展民用汽车车载式气化器,并形成气化器与汽车发动机配套的完整技术,装备了100多万辆汽车;主要燃料为木炭,除木炭外也可使用优质干燥的硬木作燃料。中国在石油能源匮乏的50~60年代,使用固定床木材气化器驱动汽车和农业排灌设备,技术水平完善。
木材气化
木材或木质原料在高温下与气化剂反应转化为可燃性气体的过程。
- 英文名称
- wood gasification
- 所属学科
- 林业
木材气化常用的气化剂有空气、氧气或水蒸气。生成的气体产物含有一氧化碳、氢、甲烷和其他低分子烃类等可燃气体,称为木煤气或生物质燃气。木材气化过程主要发生氧化反应、还原反应,并伴随高温热解。用空气、水蒸气作气化剂时,气化区内的高温炭与水蒸气作用生成一氧化碳、二氧化碳、氢和甲烷,其主要化学反应如下:
C+O2→CO2+Q
2C+O2→2CO+Q
C+H2O→CO+H2-Q
C+2H2O→CO2+2H2-Q
CO+H2OCO2+H2+Q
C+CO2→2CO-Q
C+2H2→CH4+Q
CO+3H2→CH4+H2O+Q
CO2+4H2→CH4+2H2O+Q
2C+2H2O→CH4+CO2+Q
式中-Q为反应过程所吸收的热量;+Q为释放的热量。反应所得燃气的发热量因原料种类和大小不同而异。
木材气化技术类型多样,根据气化剂的种类可分为空气气化、氧气气化、水蒸气气化、氢气气化等多种形式。空气气化是以空气为气化剂的气化方式,由于空气廉价易得,因此较为简单经济且容易实现,得到的气体热值较低。水蒸气气化是以水蒸气作为气化剂在高温下与生物质发生反应生成生物质燃气的技术,在反应过程中既可以提供氧气,也可以提供氢供体,是常用的气化方式之一;得到的气体产物可用作燃料,由于H2/CO比值较高,也可作为合成气的原料,是一种将低品质生物质转化为高品质氢能的利用方式。氢气气化是以氢气为气化剂在高温高压条件下与碳和水蒸气反应生成甲烷的气化方法;得到的可燃气热值较高,达22~26兆焦/标准立方米,属于高热值气体,尚处于研究阶段。
木材气化的主要设备分为固定床气化炉和流化床气化炉两大类。①固定床气化炉。又分为上吸式、下吸式和平吸式三种。气化剂由炉底部送入,自下而上通过原料层,生成的煤气从上部导出的称上吸式。炉内气流方向与上吸式相反的称下吸式。气化剂从炉的一侧以水平方向向另一侧出口处流动的称为平吸式(又称横吸式)。②流化床气化炉。以空气等为气化剂,自下而上流动使生物质原料流化并发生热解气化反应的气化设备。优点是在气化区温度分布均匀,传热传质效率高。与固定床气化相比,流化床气化床层内传热传质效果较好,气化效率和气化强度均较高,气化强度为固定床气化的2~3倍;但由于气体出口温度较高,故产出气体的显热损失较大,并且流化床启动和控制较为复杂。
扩展阅读
- 吴创之,马隆龙.生物质能现代化利用技术.北京:化学工业出版社,2003.
- 李建政,汪群慧.废物资源化与生物能源.北京:化学工业出版社,2004.
- 袁振宏,吴创之,马隆龙.生物质能利用原理与技术.北京:化学工业出版社,2016.
- 刘广青,董仁杰,李秀金.生物质能源转化技术.北京:化学工业出版社,2009.
- MOLINOA A, CHIANESE S, MUSMARRA D.Biomass gasification technology: The state of the art overview.Journal of energy chemistry,2016,25(1):10-25.