氣化反應

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提示:本條目的主題不是汽化

氣化反應Gasification)是轉換有機的化石燃料質物料為一氧化碳氫氣二氧化碳的方法。這是通過在高溫下(>700℃)時,物料不燃燒,並與受控量氧氣和/或水蒸氣發生的反應來實現的。所產生的氣體混合物稱為合成氣(syngas),本身是燃料。如果從生物質得到的氣化化合物,氣化反應本身與產生氣體的燃燒所產生的動力被認為是可再生能源的來源[1][2][3][4]

氣化反應的優點在於,使用合成氣可能比原燃料的直接燃燒更有效,因為它可以在較高的溫度被燃燒,甚至在燃料電池中被燃燒,以使由卡諾定理定義效率的熱力學上限更高或(在燃料電池中的情況下)不適用。合成氣可能直接在燃氣內燃機中被燃燒,被用於產生甲醇,或通過費托合成方法被轉化為合成燃料。氣化也可以開始使用本來會將被丟棄的材料,例如生物降解垃圾。另外,高溫工藝精煉出腐蝕性的灰渣元素如氯化物,允許從來自存在問題燃料生產出清潔的合成氣產品。化石燃料的氣化目前被廣泛使用以工業規模生產電力[5]

歷史[編輯]

帶有煤氣氣體發生器的阿德勒外交官英語Adler Diplomat 3汽車(1941年)

採用氣化法生產能源的工藝過程已使用超過180年。在早期,煤炭和泥炭被用來驅動這些工廠。最初是為了在19世紀製造用於照明和烹飪的城鎮煤氣而開發的,它被電力天然氣所取代,它也被用在高爐中,但是自從1920年代在生產合成化學品方面發揮了更大的作用。

在兩次世界大戰中,特別是第二次世界大戰中,由於石油短缺,通過氣化生產燃料的需要再次出現了[6]。被稱為Gasogene或Gazogène的木煤氣發生器英語Wood gas generator被用於驅動歐洲的汽車。到1945年,有由氣化反應驅動的卡車,公共汽車和農業機械。據估計,世界各地有近90萬輛汽車使用發動機燃氣。

當前應用[編輯]

合成氣可以用於熱產生和用於產生機械和電力。與其他氣體燃料一樣,與固體燃料相比,氣化反應煤氣對功率水平的控制更大,從而實現更高效和更清潔的運行。

合成氣還可用於進一步加工成液體燃料或化學品。

供熱[編輯]

氣化器為供熱應用提供了靈活的選擇,因為它們可以改裝到現有的燃氣裝置中,例如烤爐,爐,鍋爐等,其中合成氣可以代替化石燃料。合成氣的熱值通常為約4-10 MJ/m3

電力[編輯]

目前,工業規模氣化主要用於從化石燃料(例如煤)產生電,其中合成氣在燃氣輪機中燃燒。氣化也在工業上用於使用整體煤氣化聯合循環(IGCC)生產電,氨和液體燃料(油),具有為燃料電池產生甲烷和氫的可能性。與常規技術相比,IGCC也是更有效的CO2捕集方法。IGCC示範工廠自1970年代初開始運行,並且在1990年代建造的一些工廠現在正在進入商業服務。

熱電聯產[編輯]

在木材來源可持續的小型企業和建築應用中,250-1000千瓦和在歐洲安裝了新的零碳生物質氣化廠,從木材生產無焦煤合成氣,並在與熱回收發電機連接的往復式發動機中燃燒 。 這種類型的工廠通常被稱為木材生物質熱電聯產(CHP)單元,但是工廠具有七個不同過程:生物質加工,燃料輸送,氣化,氣體清潔,廢物處理,發電,和熱回收[7]

運輸燃料[編輯]

柴油引擎可以使用發生爐煤氣(Producer gas)在雙燃料模式下運行。 很容易實現柴油在高負荷時的80%以上和正常負荷下70-80%的替代率[8]火花點火引擎固態氧化物燃料電池可以使用100%的氣化氣體[9][10][11]。來自發動機的機械能可用於例如驅動用於灌溉的水泵或與用於耦合發電的交流發電機。

雖然小型氣化爐已經存在了100多年,但獲得即用型機器的來源卻很少。 小型設備通常是DIY項目。 但是,目前在美國,有幾家公司提供氣化爐來運行小型引擎。

可再生能源和燃料[編輯]

位於奧地利布爾根蘭州居興市,流化床英語Fluidized bed氣化與費托合成試點工廠,利用木屑生物質(2006年)

原則上,氣化可以從幾乎任何有機材料進行,包括生物質塑料廢物。所得合成氣可以燃燒。或者,如果合成氣足夠乾淨,則其可用於燃氣發動機,燃氣渦輪機或甚至燃料電池中的發電,或通過甲醇脫水有效地轉化為二甲醚(DME),通過薩巴捷反應英語Sabatier reaction(Sabatier reaction)轉化為甲烷,或通過費托合成(Fischer–Tropsch process)轉化為類似柴油的合成燃料。在許多氣化過程中,輸入材料的大多數無機組分,例如金屬和礦物質,保留在灰分中。 在一些氣化過程(成渣氣化)中,該灰分具有低瀝濾性質的玻璃狀固體的形式,但是在成渣氣化中的淨功率產生低(有時是負的)並且成本更高。

目前有幾個工業規模的生物質氣化廠。 自2008年以來,瑞典Svenljunga的一個生物質氣化廠產生高達14 MWth,分別供應在Svenljunga的工業用和民用與過程蒸汽和區域供熱。 氣化爐使用生物質燃料,例如CCA或雜酚油浸漬的廢木材和其他類型的再循環木材,以產生在現場燃燒的合成氣[12][13]。2011年,在Munkfors能源熱電聯產(CHP)工廠安裝了使用相同種類燃料的類似氣化爐。 熱電聯產工廠將產生2 MWe(電力)和8 MWe(區域供熱)[14][15]

示範項目的例子包括:

  • 瑞典哥德堡GoBiGas項目的32兆瓦雙流化床氣化項目,自2014年12月起生產約20MW的替代天然氣,並從森林殘餘物中提煉出來並投入天然氣網[16]
  • 奧地利可再生能源網絡[17]包括一家使用雙流化床氣化裝置的工廠,該裝置為居興鎮提供了由木屑生成的2MW的電力,利用GE Jenbacher往復式氣體引擎[18]和4MW熱量[19],自2003年以來。
  • Go Green Gas在英國Swindon的試驗工廠已經示範了由廢棄原料的甲烷產量為50kW。 該項目促成了建設一座價值2500萬英鎊的商業設施,該設施旨在利用廢木材和垃圾衍生燃料每年產生22GWh的電網質量天然氣,預計將於2018年完工[20]

參閱[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ National Non-Food Crops Centre. "Review of Technologies for Gasification of Biomass and Wastes, NNFCC 09-008" 互聯網檔案館存檔,存檔日期2011-03-18., Retrieved on 2011-06-24
  2. ^ The Clean and Renewable Energy Source 互聯網檔案館存檔,存檔日期2011-09-10., www.biomass.uk.com, accessed 16.05.11
  3. ^ Thermal Gasification of Biomass, International Energy Agency Task 33 互聯網檔案館存檔,存檔日期2011-05-09., www.gastechnology.org, accessed 16.05.11
  4. ^ Clean Renewable Fuel from the Plasma Gasification of Waste 互聯網檔案館存檔,存檔日期2011-04-02., www.waste-management-world.com, Accessed 16.05.2011
  5. ^ Chris Higman and Maarten van der Burgt. Gasification, Second Edition, Elsevier (2008).
  6. ^ Gas Generator Project History of the Gasogene technology
  7. ^ Wood Gasification CHP / Cogeneration Plants 互聯網檔案館存檔,存檔日期2011-07-07., 02.09.09
  8. ^ Gasification Appliances Review[失效連結], 04.02.08
  9. ^ Electricity from wood through the combination of gasification and solid oxide fuel cells, Ph.D. Thesis by Florian Nagel, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, 2008
  10. ^ Characterization of biomass producer gas as fuel for stationary gas engines in combined heat and power production, Ph.D. Thesis by Jesper Ahrenfeldt, Technical University of Denmark March 2007
  11. ^ High temperature electrolyte supported Ni-GDC/YSZ/LSM SOFC operation on two-stage Viking gasifier product gas 互聯網檔案館存檔,存檔日期2008-12-17., Ph. Hofmann et al. in Journal of Power Sources 173 (2007) 357–366
  12. ^ Gasification allows less emissions, less dust and fuel flexibility - News at Elmia Recycling to Energy 2010, 03.03.11
  13. ^ SFC - Soot Free Combustion: large scale biomass gasification, 03.03.11
  14. ^ Biofuel gasification in unique CHP plant, 04.04.11
  15. ^ Munkfors Energy invests in new combined heat and power plant[失效連結], 03.03.11
  16. ^ Göteborg Energi’s biogas plant GoBiGas is now fully operational – GoBiGas. gobigas.goteborgenergi.se. [2015-11-09]. 
  17. ^ RENET – The path to energy autonomy 頁面存檔備份,存於互聯網檔案館
  18. ^ Gussing Biomass Power Plant, www.clarke-energy.com, accessed 17.05.2011
  19. ^ The FICFB-gasification system
  20. ^ Background - gogreengas. gogreengas. [2018-03-07] (美國英語). 

外部連結[編輯]