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生物质气化原理

秸秆气化包括热解、燃烧和还原反应。在以空气为介质的气化器中，总的反

应式可写作：CH1.4O0.6+0.4O2+(1.5N2)Õ0.7CO+0.3CO2+0.6H2+0.1H2O+(1.5N2)

上式中，以空气为气化介质意味着同时加入氧气和氮气。因为氮气不参加反

应，反应后留在燃气中冲淡了可燃成分，所以以空气为介质的气化只能得到低发

热值的燃气，发热值一般在5~6MJ/m3。

热解反应

原料进入气化器后，在热量的作用下，首先被干燥，当温度升高到250℃时

开始发生热解反应。热解是高分子有机物在高温下吸热所发生的不可逆裂解反应。

其总的结果是大分子的碳氢化合物的链被打碎，析出生物质中的挥发物，留下木

炭构成进一步反应的床层。高温时，生物质的热解产物是非常复杂的混合气体，

其中至少包括数百种碳氢化合物。有些可以在常温下冷凝形成焦油，有些不冷凝

气体可以直接作为气体燃料使用，是相当不错的中热值干馏气，发热值可达

15MJ/m3。热解是一个十分复杂的过程，其真实的反应包括若干沿着不同路线的

一次、二次乃至高次反应，不同的反应路线得到不同的产物。

总的来说，热解反应是一个吸热过程，但由于生物质原料中含较多的氧，当

温度升高到一定程度后，氧将参加反应而使温度迅速提高，从而加速完成热解。

工艺条件如温度和加热速率等的不同，反应产物得率变化有变化，如缓慢裂解可

以得到40~50%的木炭，这是典型的木炭生产工艺；而快速裂解（500K/s）可以

将生物质的70%转换成蒸汽，冷却后得到裂解油-–一种目前国际上很关注的新

能源产品。秸秆气化工艺的目的是得到可燃气体，不必过多考虑这些中间反应过

程，但在热解反应中产生的焦油影响燃气使用，需要抑制其产生并从燃气中去除。

加热速率是影响热分解结果的主要因素之一。按加热速率快慢可分为慢速分

解、快速热分解及闪蒸热分解等，温度与加热速率是相互关联的，低温热分解相

应是慢速热分解，高温热分解通常伴的较快的加热速率。

慢速热分解

低温（低于500oC），慢加速率（小于100C）及原料的长停留时间（可以分小

时或天计）是慢速热分解的主要标志。焦油及炭为其主要产物。在理论研究上，

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慢慢热分解有助于研究热分解过程机理及了解热分解的全过程。在实际应阶段用

上，慢速热分解多发生在固定床反应器中。

闪蒸热分解

闪蒸热分解是在中等反应温度（400~600oC）下，加热速率达到10~1000oC/s，

挥发物的停留时间少于2s，主要产物为焦油（油）。

快速热分解

非常高的加热速率（1000~10000oC/S），高反应温度（600oC以上），及挥

发物很短的停留时间（少于0.5S）为快速热分解的区别，其主要产物为高质量

的气体，很少焦油及炭形成，在很高的加热速率下，甚至没有一产次炭、气体中

含较多的烯烃与碳氢化合物，可作合成汽油或其他化工产品的原料，快速分解是

气化研究中渴望达到的目标，在气化炉的设计中，力求加快热解过程的速率，快

速流化床在气化技术中的应用，就是快速热分解在气化实践中的具体体现。

氧化（燃烧）反应热解反应和后面叙述的还原反应都是吸热反应，为维持反

应必须供应足够的热量，最简单的方法是向反应层供入空气，通过燃烧获得热量。

参与燃烧的主要是碳和空气。主要的反应有：

C＋O2＝CO2

2C＋O2＝2CO

2CO＋O2＝2CO2

2H2＋O2＝2H2O

氧化层的反应主要是碳和空气的两相反应，其化学反应速度可以用所消耗的氧量

表述为：

K=a（C¥－Cn）

K=kCnN

其中K：单位面积单位时间碳表面消耗的氧量；

a：传质系数；

C¥：远处的氧浓度，对气化器就是空气中的氧浓度；

Cn：碳表面的氧浓度；

k：化学反应常数。燃烧需要消耗大量的氧，而这些氧是从周围空气中扩散到碳

表面的，碳表面氧消耗以后浓度降低，周围的氧就在浓度差的作用下向碳表面移

动，式5-9表述了空气中的氧向碳表面的传输速度。

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式5-10表述了碳与氧的化学反应速度。这两个速度应该是相等的，合并两式并

消去Cn，得到：

因此，实际控制燃烧反应的是1/a表征的氧扩散阻力和1/k表征的化学反应

阻力。化学反应常数（k）随着温度升高而迅速增加。但传质系数a受温度影响

很小。