生物質(zhì)氣化技術(shù)及其研究進(jìn)展

摘要 生物質(zhì)能源是一種理想的可再生能源，由于其在燃燒過程中對大氣的二氧化碳凈排放量近似于零，可有效地減少溫室效應(yīng)，因而越來越受到世界各國的關(guān)注。對生物質(zhì)能的概念及其轉(zhuǎn)化方式進(jìn)行了簡單介紹，著重介紹了生物質(zhì)氣化技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了我國在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。 　　1前言 　　生物質(zhì)能源是一種理想的可再生能源。具有以下特點(diǎn)：(1)可再生性；(2)低污染性(生物質(zhì)硫含量、氮含量低，燃燒過程中產(chǎn)生的SO2、NO2較低，生物質(zhì)作為燃料時(shí)，二氧化碳凈排放量近似于零，可有效地減少溫室效應(yīng))；(3)廣泛的分布性。缺乏煤炭的地域可充分利用生物質(zhì)能。所以，利用生物質(zhì)作為替代能源，對改善大氣酸雨環(huán)境。減少大氣中二氧化碳含量從而減少“溫室效應(yīng)”都有極大的好處。生物質(zhì)能的低硫和CO2的零排放使生物質(zhì)成為能源生產(chǎn)的研究熱點(diǎn)。 　　20世紀(jì)70年代，Gahly等首次提出了將氣化技術(shù)用于生物質(zhì)這種含能密度低的燃料。生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程最新的技術(shù)之一。生物質(zhì)原料通常含有70℃～90℃揮發(fā)分，這就意味著生物質(zhì)受熱后，在相對較低的溫度下就有相當(dāng)量的固態(tài)燃料轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分物質(zhì)析出。由于生物質(zhì)這種獨(dú)特的性質(zhì)，氣化技術(shù)非常適用于生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)化。不同于完全氧化的燃燒反應(yīng)，氣化通過兩個(gè)連續(xù)反應(yīng)過程將生物質(zhì)中的碳的內(nèi)在能量轉(zhuǎn)化為可燃燒氣體，生成的高品位的燃料氣既可以供生產(chǎn)、生活直接燃用，也可以通過內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的高效清潔利用。生物質(zhì)氣化的一個(gè)重要特征是反應(yīng)溫度低至600～650℃，因此可以消除在生物質(zhì)燃料燃燒過程中發(fā)生灰的結(jié)渣、團(tuán)聚等運(yùn)行難題。 　　生物質(zhì)氣化采用的技術(shù)路線種類繁多，可從不同的角度對其進(jìn)行分類。根據(jù)燃?xì)馍a(chǎn)機(jī)理可分為熱解氣化和反應(yīng)性氣化，其中后者又可根據(jù)反應(yīng)氣氛的不同細(xì)分為空氣氣化、水蒸氣氣化、氧氣氣化、氫氣及其這些氣體的混合物的氣化。根據(jù)采用的氣化反應(yīng)器的不同又可分為固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化。另外，還可以根據(jù)氣化規(guī)模的大小、氣化反應(yīng)壓力的不同對氣化技術(shù)進(jìn)行分類。在氣化過程中使用不同的氣化劑、采取不同的運(yùn)行方法以及過程運(yùn)行條件，可以得到三種不同質(zhì)量的氣化產(chǎn)品氣。三種類型的氣化產(chǎn)品氣有著不同的熱值(CV)：低熱值(LowCV)4～6MJ／Nm3(使用空氣和蒸汽／空氣)；中熱值(MediumCV)l2～18MJ／Nm3(使用氧氣和蒸汽)；高熱值(HighCV)40MJ／Nm3(使用氫氣或者是氫化)。 　　2生物質(zhì)氣化反應(yīng)爐 　　生物質(zhì)氣化按照使用的氣化器類型不同分為固定床氣化和流化床氣化兩種。氣流床氣化對于入爐顆粒粒度要求細(xì)(一般要求小于0．4mm)，對于生物質(zhì)而言，要滿足氣流床的氣化的粒度要求還有許多技術(shù)及經(jīng)濟(jì)難題需要解決。 　　2．1生物質(zhì)固定床氣化爐 　　固定床是一種傳統(tǒng)的氣化反應(yīng)器，其運(yùn)行溫度一般在1000C左右。固定床氣化爐分為逆流式(Counter～current)、并流式(Concurrent)。如圖1、2所示。逆流式氣化爐是指氣化原料與氣化介質(zhì)在床中的流動(dòng)方向相反。而并流式氣化爐是指氣化原料與氣化介質(zhì)在床中的流動(dòng)方向相同這兩種氣化爐按照氣化介質(zhì)的流動(dòng)方向不同又分別稱為上氣式、下氣式氣化爐。下面對上氣式固定床生物質(zhì)氣化爐的運(yùn)行工藝作簡單介紹。 　　在上氣式固定床氣化爐中，生物質(zhì)原料從氣化爐的上部的加料裝置送入爐內(nèi)，整個(gè)料層由爐膛下部的爐柵支撐。氣化劑從爐底下部的送風(fēng)口進(jìn)入爐內(nèi)，由爐柵縫隙均勻分布并滲入料層底部區(qū)域的灰渣層，氣化劑和灰渣進(jìn)行熱交換，氣化劑被預(yù)熱，灰渣被冷卻。氣化劑隨后上升至燃燒層，在燃燒層氣化劑和原料中的碳發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的熱量?？墒?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到1000℃，這一部分熱量可維持氣化爐內(nèi)的氣化反應(yīng)所需熱量。氣流接著上升到還原層，在燃燒層生成的CO2還原成CO；氣化劑中的水蒸氣分解，生成H2和CO2這些氣體與氣化劑中未反應(yīng)部分一起繼續(xù)上升，加熱上部的原料層，使原料層發(fā)生熱解，脫除揮發(fā)分，生成的焦炭落人還原層。生成的氣體繼續(xù)上升，將剛?cè)霠t的原料預(yù)熱、干燥后，進(jìn)入氣化爐上部，經(jīng)氣化爐氣體出口引出。 　　2．2流化床生物質(zhì)氣化爐 　　流化床燃燒是一種先進(jìn)的燃燒技術(shù)，應(yīng)用于生物質(zhì)燃燒上已獲得了成功，但是用于生物質(zhì)氣化仍是一個(gè)新課題。與固定床相比。流化床沒有爐柵，一個(gè)簡單的流化床由燃燒室、布風(fēng)板組成，氣化劑通過布風(fēng)板進(jìn)人流化床反應(yīng)器中。按氣固流動(dòng)特性不同，將流化床分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床，如圖3所示。鼓泡流化床氣化爐中氣流速度相對較低，幾乎沒有固體顆粒從流化床中逸出。而循環(huán)流化床氣化爐中流化速度相對較高，從流化床中攜帶出的顆粒在通過旋風(fēng)分離器收集后重新送人爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)。流化床氣化爐有良好的混合特性和較高的氣固反應(yīng)速率。 　　在生物質(zhì)氣化過程中，流化床首先通過外加熱到運(yùn)行溫度，床料吸收并貯存熱量。鼓人氣化爐的適量空氣經(jīng)布風(fēng)板均勻分布后將床料流化，床料的湍流流動(dòng)和混合使整個(gè)床保持一個(gè)恒定的溫度當(dāng)合適粒度的生物質(zhì)燃料經(jīng)供料裝置加入到流化床中時(shí)，與高溫床料迅速混合，在布風(fēng)板以上的一定空間內(nèi)激烈翻滾，在常壓條件下迅速完成干燥、熱解、燃燒及氣化反應(yīng)過程，使之在等溫條件下實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，從而生產(chǎn)出需要的燃?xì)?。床料本身的較高的熱容量像一個(gè)熱量詞速器，可使生物質(zhì)氣化爐在停爐一整夜后無需外在熱量情況下重新開車。由于床料熱容大，即使水分含量較高的燃料也可直接氣化。通過控制運(yùn)行參數(shù)可使流化床床溫保持在結(jié)渣溫度以下，床層只要保持均勻流化就可使床層保持等溫，這樣可避免局部燃燒高溫。流化床氣化爐氣化強(qiáng)度高，人爐的燃料量及風(fēng)量可嚴(yán)格控制，非常適合于大型的工業(yè)供氣系統(tǒng)，且燃?xì)獾臒嶂悼稍谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)任意調(diào)整。因此，流化床反應(yīng)器是生物質(zhì)氣化轉(zhuǎn)化的一種較佳選擇，特別是對于灰熔點(diǎn)較低的生物質(zhì)。 　　2．3固定床氣化爐與流化床氣化爐性能比較 　　固定床氣化爐與流化床氣化爐有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)和一定的適用范圍。例如，逆流式固定床氣化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、操作便利，運(yùn)行模式靈活，但是只能適用于中小規(guī)模生產(chǎn)；而流化床氣化反應(yīng)器雖然適合于工業(yè)化、大型化．但設(shè)備復(fù)雜、投資大，而且需要一個(gè)相對穩(wěn)定的對產(chǎn)品氣的市場需求。下面主要從工業(yè)技術(shù)及運(yùn)行情況、使用的原料、能量利用和轉(zhuǎn)換、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)性五個(gè)方面對流化床和固定床氣化爐進(jìn)行比較。 　　2．3．1工業(yè)技術(shù)及運(yùn)行情況 　　從目前情況來看，固定床和流化床氣化爐的設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間一般都小于5000h。前者結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用；后者比較而言．結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，安裝后不易移動(dòng)，但占地較小，容量一般較固定床的容量大。啟動(dòng)時(shí)，固定床加熱比較緩慢，需較長時(shí)間達(dá)到反應(yīng)溫度；流化床加熱迅速?？深l繁起停。 　　運(yùn)行過程中，固定床床內(nèi)溫度不均勻，固體在床內(nèi)停留時(shí)間過長，而氣體停留時(shí)間較短，壓力降較低；流化床床溫均勻，氣固接觸混合良好，氣固停留時(shí)間都較短，床內(nèi)壓力降較高。固定床的運(yùn)行負(fù)荷可以在設(shè)計(jì)負(fù)荷的20％～110％之間變動(dòng)，而流化床由于受氣流速度必須滿足流化條件所限，只能在設(shè)計(jì)負(fù)荷的5O％～120％之間變化。 　　2．3．2使用的原料 　　流化床對原料的要求較固定床低。固定床必須使用特定種類、形狀和尺寸盡可能一致的原料；流化床使用的原料不限定種類，進(jìn)料形狀不限，顆粒尺寸可不一致。前者顆粒尺寸較大(>100mm)，后者顆粒尺寸較小(>50ram)。 　　固定床氣化的主要產(chǎn)物是低熱值煤氣，含有少量焦油、油脂、苯、氮等物質(zhì)，需經(jīng)過分離、凈化處理。流化床產(chǎn)生的氣體中焦油和氮的含量較低，氣體成分熱值穩(wěn)定，出爐燃?xì)庵泄腆w顆粒較固定床多，燃?xì)獬鰻t溫度和床溫基本一致。 　　2．3．3能量利用和轉(zhuǎn)換 　　固定床中由于床內(nèi)溫度不均勻，導(dǎo)致熱交換效果較流化床差，但由于固體在床中停留時(shí)間長，故碳轉(zhuǎn)換效率高，一般達(dá)90％～99％。流化床由于出爐燃?xì)庵泄腆w顆粒較多，造成不完全燃燒損失，碳轉(zhuǎn)換效率一般只有90％。兩者都具有較高熱效率。 　　2．3．4環(huán)境效益 　　固定床燃?xì)怙w灰含量低，而流化床燃?xì)怙w灰含量高。其原因是固定床中溫度可高于灰熔點(diǎn)，從而使灰熔化成液態(tài)，從爐底排出；而流化床中溫度低于灰熔點(diǎn)(否則熔成結(jié)渣，無法正常運(yùn)行)，飛灰被出氣帶出一部分。所以流化床對環(huán)境影響比固定床大，在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須對燃?xì)膺M(jìn)行除塵凈化處理。 　　2．3．5經(jīng)濟(jì)性 　　在設(shè)計(jì)制造方面。由于流化床的結(jié)構(gòu)較固定床復(fù)雜．故投資多于后者。但在運(yùn)行方面，固定床對原料要求較高，流化床對原料要求不高，故固定床運(yùn)行投資高于流化床。固定床氣化爐內(nèi)溫度分布較寬，這可能產(chǎn)生床內(nèi)局部高溫而使灰熔聚，并存在比容量低、啟動(dòng)時(shí)間長以及大型化較困難等問題；流化床具有氣化強(qiáng)度大、綜合經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。綜合考慮設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程，流化床比固定床具有更大的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該成為我國今后生物質(zhì)氣化研究的主要方向。 　　3生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)應(yīng)用及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 　　3．1生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)在國外的發(fā)展及現(xiàn)狀 　　生物質(zhì)氣化及發(fā)電技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已受到廣泛重視，如奧地利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和美國等國家生物質(zhì)能在總能源消耗中所占的比例增加相當(dāng)迅速。奧地利成功地推行了建立燃燒木材剩余物的區(qū)域供電站的計(jì)劃，生物質(zhì)能在總能耗中的比例由原來大約2％～3％增到目前的25％。到目前為止，該國已擁有裝機(jī)容量為1～2MWe的區(qū)域供熱站80～90座。瑞典和丹麥正在實(shí)施利用生物質(zhì)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的計(jì)劃，使生物質(zhì)能在轉(zhuǎn)換為高品位電能的同時(shí)滿足供熱的需求，以大大提高其轉(zhuǎn)換效率。一些發(fā)展中國家，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展也逐步重視生物質(zhì)的開發(fā)利用，增加生物質(zhì)能的生產(chǎn)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，提高其利用效率。菲律賓、馬來西亞以及非洲的一些國家，都先后開展了生物質(zhì)能的氣化、成型固化、熱解等技術(shù)的研究開發(fā)，并形成了工業(yè)化生產(chǎn)。 　　生物質(zhì)氣化的發(fā)電技術(shù)主要有以下三種方法：帶有氣體透平的生物質(zhì)加壓氣化、帶有透平或者是引擎的常壓生物質(zhì)氣化、帶有Rankine循環(huán)的傳統(tǒng)生物質(zhì)燃燒系統(tǒng)。傳統(tǒng)的BIGCC技術(shù)包括生物質(zhì)氣化、氣體凈化、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電及蒸汽輪機(jī)發(fā)電。由于生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?約5021kJ／m3)，爐子出口氣體溫度較高(800℃以上)，要使BIGCC具有較高的效率，必須具備兩個(gè)條件．一是燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前不能降溫，二是燃?xì)獗仨毷歉邏旱?。這就要求系統(tǒng)必須采用生物質(zhì)高壓氣化和燃?xì)飧邷貎艋瘍煞N技術(shù)才能使BIGCC的總體效率較高(40％)目前歐美一些國家正開展這方面研究，如美國Battelle(63MWe)和夏威夷(6MWe)項(xiàng)目．歐洲英國(8MWe)、瑞典(加壓生物質(zhì)氣化發(fā)電4MWe)、芬蘭(6Mwe)以及歐盟建設(shè)3個(gè)7～12Mwe生物質(zhì)氣化發(fā)電BIGCC示范項(xiàng)目，其中一個(gè)是加壓氣化，兩個(gè)是常壓氣化。但由于焦油處理技術(shù)與燃?xì)廨啓C(jī)改造技術(shù)難度大．存在的許多問題(如系統(tǒng)未成熟，造價(jià)很高)限制了其應(yīng)用推廣。以意大利12Mwe的BIGcC示范項(xiàng)目為例，發(fā)電效率約為31．7％但建設(shè)成本高達(dá)25000元／kW，發(fā)電成本約1．2元／(kW·h)．實(shí)用性很差。近利用了生物質(zhì)原料固有的高反應(yīng)特性。生物質(zhì)的氣化強(qiáng)度超過l46000kg／(h·m)．而其他氣化系統(tǒng)的氣化強(qiáng)度通常小于1000kg／(h·1TI)。Battelle氣化工藝的商業(yè)規(guī)模示范建在弗蒙特州的柏林頓McNeil電站，該項(xiàng)目的一期工程．用Battelle技術(shù)建造日產(chǎn)200t燃料氣的氣化爐，在初始階段生產(chǎn)的燃料氣用于現(xiàn)有的Mc—Neil電站鍋爐。二期工程安裝一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)來接受從氣化爐來的高溫燃?xì)?，組成聯(lián)合循環(huán)。該氣化設(shè)備于1998年完成安裝并投入運(yùn)行。 　　大型生物質(zhì)氣化循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括原料預(yù)處理、循環(huán)流化床氣化、催化裂解凈化、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、蒸汽輪機(jī)發(fā)電等設(shè)備，適合于大規(guī)模處理農(nóng)林廢物。 　　除了將生物質(zhì)氣化用于發(fā)電之外，歐共體進(jìn)而開展了生物質(zhì)氣化合成甲醇、氨的研究工作。1998年，歐共體建立了四個(gè)規(guī)模在4．8～12．1t／d之間不等的生年歐美開展了其它技術(shù)路線的研究，如比利時(shí)(2．5MWe)和奧地利(TINA，6MWe)開展的生物質(zhì)氣化與外燃式燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，美國的史特林循環(huán)發(fā)電等，但技術(shù)仍未成熟，成本較高。 　　美國在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位美國建立的Battelle生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程代表生物質(zhì)能利用的世界先進(jìn)水平，生產(chǎn)一種中熱值氣體，不需要制氧裝置，此工藝使用兩個(gè)實(shí)際上分開的反應(yīng)器：(1)氣化反應(yīng)器，在其中生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成中熱值氣體和殘?zhí)浚?2)燃燒反應(yīng)器，燃燒殘?zhí)坎闅饣磻?yīng)供熱。兩個(gè)反應(yīng)器之間的熱交換載體由氣化爐和燃燒室之間的循環(huán)沙粒完成。圖4的工藝流程圖表明了兩個(gè)反應(yīng)器以及它們在整個(gè)氣化工藝中的配合情況。 　　這種Battelle工藝與傳統(tǒng)的氣化工藝不同，它充分物質(zhì)氣化合成甲醇的示范工廠。其生物質(zhì)氣化裝置均為流化床氣化爐，使用氧氣或者水蒸氣作氣化劑，產(chǎn)出中熱值燃?xì)?。在濾出焦油和雜質(zhì)，脫除c02、N2、cH．以及其他碳?xì)浠衔镏螅谝欢▔毫ο?，使CO和H20反應(yīng)生成H2，再將c0和H2以1：2的比例混合導(dǎo)人合成塔，加入催化劑，合成甲醇德國已廣泛使用含1％～3％甲醇的混合汽油，內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)無須進(jìn)行較大改動(dòng)，其輸出功率近似于燃用純汽油的內(nèi)燃機(jī)的輸出功率。目前，生物質(zhì)氣化合成甲醇的技術(shù)已經(jīng)成熟，只是其產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性還不能與石油、煤化工相競爭芬蘭的一家化肥廠在世界上首次采用生物質(zhì)氣化燃?xì)夂铣砂比〉贸晒?。干生物質(zhì)(木屑)氣化產(chǎn)出的氣體經(jīng)凈化后可得到CO和H2的混合氣，再將此混合氣與N2反應(yīng)合成氨。 　　3．2生物質(zhì)氣化技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展與現(xiàn)狀 　　我國對生物質(zhì)氣化技術(shù)的深入研究始于上世紀(jì)8O年代。經(jīng)過2O年的努力，我國生物質(zhì)氣化技術(shù)日趨完善。目前已經(jīng)成功開發(fā)出將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w的技術(shù)，大多采用固定床氣化，如河北的ND系列、山東的XFL系列、廣州的GSQ－110型和云南QL50、60型；建成的多個(gè)生物質(zhì)氣化的供熱、傳熱系統(tǒng)，應(yīng)用在不同場合取得了一定的社會(huì)、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。 　　與發(fā)達(dá)國家生物質(zhì)氣化技術(shù)相比，國內(nèi)生物質(zhì)氣化裝置基本上是以空氣為氣化劑的常壓固定床氣化技術(shù)，其技術(shù)上的問題主要是：燃?xì)赓|(zhì)量不穩(wěn)定且燃?xì)鉄嶂档?；CO含量過多，不符合城市居民使用燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)；燃?xì)鈨艋敖褂偷奶幚碛写诟倪M(jìn)，國內(nèi)已建成的生物質(zhì)氣化系統(tǒng)，對燃?xì)獾膬艋敖褂偷奶幚泶蠖嗖捎盟次锢矸椒?，凈化效率不高，氣體中焦油含量較高，既造成能源浪費(fèi)，又加快設(shè)備損耗；整套裝置尚缺乏長時(shí)間的運(yùn)行試驗(yàn)，可靠性及使用壽命尚待確定；集中供氣系統(tǒng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與施工規(guī)范尚未形成，難以實(shí)現(xiàn)氣化技術(shù)的工程化。上述因素制約了生物質(zhì)氣化技術(shù)在我國的商業(yè)化推廣。 　　早在上世紀(jì)6O年代，我國就開始了生物質(zhì)氣化發(fā)電的研究，研制出了樣機(jī)并進(jìn)行了初步推廣，還曾出口到發(fā)展中國家，后因經(jīng)濟(jì)條件限制和收益不高等原因停止了這方面的研究工作。近年來，隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，一些缺電、少電地方迫切需要電能；其次是環(huán)境問題，丟棄或焚燒農(nóng)業(yè)廢棄物將造成環(huán)境污染，生物質(zhì)氣化發(fā)電可以有效地利用農(nóng)業(yè)廢棄物。所以，以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的生物質(zhì)氣化發(fā)電又逐漸得到人們的重視。 　　“九五”期間進(jìn)行1MWe的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)研究，旨在開發(fā)適合中國國情的中型生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)。1MWe的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)已于1998年10月建成，采用一爐多機(jī)的形式，即5臺(tái)200kWe發(fā)電機(jī)組并聯(lián)工作，2000年7月通過中科院鑒定后投入小批量使用。該系統(tǒng)在很多方面比200kWe氣化發(fā)電有了改善，但由于受氣化效率與內(nèi)燃機(jī)效率的限制．簡單的氣化一內(nèi)燃機(jī)發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)效率低于18％，單位電量的生物質(zhì)消耗量一般大于1．2kg(dry)／(kW·h)。以中科院廣州能源所為主承擔(dān)的“十五”863項(xiàng)目——4MWe的生物質(zhì)氣化發(fā)電裝置正處于研究開發(fā)之中。 　　目前，我國的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的最大裝機(jī)容量與國外相比，還有很大差距。在現(xiàn)有條件下研究開發(fā)與國外相同技術(shù)路線的BIGCC系統(tǒng)，存在很大困難。利用現(xiàn)有技術(shù)，研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行、效率較高的系統(tǒng)，是目前發(fā)展生物質(zhì)氣化發(fā)電的一個(gè)主要課題，也是發(fā)展中國家今后能否有效利用生物質(zhì)的關(guān)鍵。 　　3．3生物質(zhì)燃?xì)獾膬艋? 　　3．3．1生物質(zhì)燃?xì)庵薪褂偷奶匦? 　　在生物質(zhì)氣化過程中，由于氣化溫度較低，致使氣化過程中產(chǎn)生的氣體的焦油含量大，且其成分非常復(fù)雜?？梢苑治龀鰜淼某煞钟?00多種，主要組分不少于2O種，其中組分含量大于5％的有7種：苯、甲苯、二甲苯、萘、苯乙烯、酚和茚。焦油在低于200C的溫度下易凝結(jié)成液體。一般而言，溫度升高，焦油可發(fā)生高溫裂解生成不可再凝的小分子碳?xì)浠衔?。Corella等在研究中發(fā)現(xiàn)：燃?xì)庵械慕褂秃侩S著溫度升高而減少，并認(rèn)為這主要是由于溫度升高有利于焦油發(fā)生以下裂解反應(yīng)以及水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)： 　　Sesbsdri等在對焦油的裂解研究中也發(fā)現(xiàn)：溫度的升高使焦油的裂解轉(zhuǎn)化率得到了增加，同時(shí)改變了焦油裂解產(chǎn)物的組成。他們認(rèn)為這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)，有利于焦油進(jìn)行縮聚反應(yīng)，使焦油轉(zhuǎn)化成焦，在高溫下，焦油成焦是焦油裂解的最主要反應(yīng)。 　　生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的焦油的數(shù)量與反應(yīng)溫度、加熱速率及燃?xì)庠诜磻?yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間長短有關(guān)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：焦油的產(chǎn)量隨著溫度的增加而達(dá)到一個(gè)最大值(在500℃左右時(shí)，焦油產(chǎn)量最高)，之后隨著氣化反應(yīng)溫度的升高，焦油發(fā)生熱裂解，其數(shù)量隨之減少。這是由于在較低的溫度下，焦油的析出速率大于焦油的裂解速率，當(dāng)溫度升高時(shí)．焦油的析出速率和裂解速率都有所增加，但對后者的影響程度明顯大于前者，從而出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。圖5給出了不同氣化反應(yīng)溫度下的焦油生成量。 　　據(jù)測定，焦油占可燃?xì)饽芰康?％～l5％在低溫下難以與可燃?xì)庖坏辣蝗紵?，故大部分焦油的能量被白白浪費(fèi)。由于焦油在低溫下凝結(jié)成液體，容易和水、焦炭顆粒粘合在一起，堵塞輸氣管道、閥門等下游設(shè)施．加之其難以完全燃燒，產(chǎn)生的炭黑對內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等燃?xì)庠O(shè)備損害相當(dāng)嚴(yán)重，因此在發(fā)展用生物質(zhì)氣化來進(jìn)行電力和熱能生產(chǎn)過程中，熱燃?xì)獾膬艋亲铌P(guān)鍵的步驟之一。在生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)中，焦油含量在0．02～0．5g／Nm3范圍內(nèi)是可以接受的。但目前的氣化技術(shù)將原始?xì)庵械慕褂秃靠刂圃?．5～2g／Nm3以下非常困難。 　　3．3．2生物質(zhì)氣化燃?xì)庵薪褂偷娜コ椒? 　　以目前的焦油去除技術(shù)來看，生物質(zhì)氣化燃?xì)庵薪褂偷奶幚矸椒ǚ譃闈穹?、干法及裂解等三種。濕法就是利用水洗燃?xì)?，使之快速降溫從而達(dá)到焦油冷凝并從燃?xì)庵蟹蛛x的目的水洗除焦法存在能量浪費(fèi)和二次污染現(xiàn)象，凈化效果只能勉強(qiáng)達(dá)到內(nèi)燃機(jī)的要求；干法采用過濾技術(shù)凈化燃?xì)獾姆椒āＡ呀夥ǚ譃闊崃呀夥ê痛呋呀夥▋煞N。 　　(1)濕法去除焦油 　　濕法去除焦油是生物質(zhì)氣化燃?xì)鈨艋夹g(shù)中最為普通的方法。它包括水洗法、水濾法，水洗法又分為噴淋法和吹泡法。 　　濕法凈化系統(tǒng)采用多級濕法聯(lián)合除焦油。系統(tǒng)成本較低．操作簡單．生物質(zhì)氣化技術(shù)初期的凈化系統(tǒng)一般均采用這種方式。這種方式有以下缺點(diǎn)：含焦油的廢水外排易造成環(huán)境污染I大量焦油不能利用．造成能源損失；實(shí)際凈化效果并不太好鑒于國情，我國目前的生物質(zhì)氣化燃?xì)鈨艋夹g(shù)主要是以濕法除焦油為主．國內(nèi)一些科研單位已研究出符合中國國情的濕法燃?xì)饧夹g(shù)設(shè)備。 　　(2)干法去除焦油 　　干法凈化燃?xì)馐菫楸苊鉂穹▋艋瘞淼乃廴締栴}．采用過濾技術(shù)凈化燃?xì)獾姆椒?。過濾法除焦油是將吸附性強(qiáng)的材料(如活性炭等)裝在容器中，使可燃?xì)獯┻^吸附材料．或者使可燃?xì)獯┻^裝有濾紙或陶瓷芯的過濾器，把可燃?xì)庵械慕褂瓦^濾出來。可根據(jù)生物質(zhì)燃?xì)庵兴s質(zhì)較多的特點(diǎn)，采用多級過濾的凈化方法。但實(shí)際過程中．由于其凈化效果不好．焦油沉積嚴(yán)重且沾附焦油的濾料難以處理，幾乎沒有作為單獨(dú)的凈化裝置使用，多與其他凈化裝置連用。 　　(3)裂解法去除焦油 　　裂解凈化技術(shù)是將生物質(zhì)的燃?xì)庵薪褂屠媚撤N方法使其裂解為可利用的小分子可燃?xì)怏w。其方法細(xì)分為熱裂解、催化裂解及電裂解。熱裂解法在1100℃以上才能得到較高的轉(zhuǎn)換效率．在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)較困難；若在氣化過程中加入裂解催化劑，即使在750～900℃溫度下，也能將絕大部分焦油裂解成小分子的碳?xì)浠衔铩４呋呀夥蓪⒔褂娃D(zhuǎn)化為可燃?xì)?，既提高系統(tǒng)能源利用率，又徹底減少二次污染。從20世紀(jì)80年代起，生物質(zhì)氣化過程中加入催化劑而得到無焦油燃?xì)庠趪庖岩饛V泛關(guān)注．并已投入商業(yè)運(yùn)行。 　　催化裂解去除焦油是生物質(zhì)氣化燃?xì)鈨艋夹g(shù)的主要研究方向。使用的裂解催化劑主要為自云石和鎳基催化劑。最先涉足這個(gè)領(lǐng)域是Battelle’sPacificNorthwestLab(PNL)的研究者．在20世紀(jì)80年代末以前，Mudge、Baker及其合作者開展了廣泛的研究工作。20世紀(jì)9O年代，這些研究方興未艾，除了他們之外，在歐洲．至少有兩個(gè)國家(芬蘭和西班牙)的研究小組對來自生物質(zhì)氣化爐的熱氣體催化凈化進(jìn)行著廣泛而深入的研究。在芬蘭的TechnicalResearchCenter(VTT)．P．Simell和他們的同事發(fā)表了有關(guān)流化床生物質(zhì)氣化爐的焦油催化裂解的文章。由于所進(jìn)行的研究得到幾家商業(yè)公司的資助，他們這些有價(jià)值的工作由于商業(yè)保密的原因而未能公示于眾．在發(fā)表的文章中略去了有關(guān)催化劑一些重要的信息。在西班牙，Corella、Aznar和他們的同事研究置于反應(yīng)器下游的商業(yè)鎳基催化劑的應(yīng)用。他們建立了一個(gè)類似于Battelle’sPacificNorthwestLab(PNL)的中試反應(yīng)器．在這個(gè)中試反應(yīng)器中，使用蒸汽重整凈化來自生物質(zhì)流化床氣化爐的熱氣體。他們的研究發(fā)現(xiàn)：在生物質(zhì)燃?xì)獾慕褂蛢艋夹g(shù)中，焦油裂解催化劑的使用使燃?xì)猱a(chǎn)量提高lO％～2O％熱值提高了15％燃?xì)庵蠬2體積含量增加了4％～7％，而C0、C02和CH4相對變化不大；鎳基催化劑是最有效的焦油裂解催化劑．其催化活性是白云石的10～20倍。但它對燃?xì)獾囊筝^嚴(yán)．若燃?xì)饨褂秃吭?g／Nm3以上，則催化劑表面易形成焦炭而失去活性，加之其價(jià)格較高．在商業(yè)應(yīng)用中并沒有優(yōu)勢。自云石資源豐富且便宜，但單獨(dú)使用白云石的催化效果并不理想。因此，一些國外研究機(jī)構(gòu)開始研究焦油裂解的兩段催化．最近的研究表明在氣化反應(yīng)器與鎳基催化裂解床之間加一個(gè)白云石灰保護(hù)床．可使進(jìn)入鎳基催化裂解床中的氣體焦油含量降低到2g／Nm3以下。 　　近幾年來，國內(nèi)開始對生物質(zhì)燃?xì)庵械慕褂痛呋呀膺M(jìn)行研究，但總的來說．我國在生物質(zhì)能利用的基礎(chǔ)理論和專項(xiàng)技術(shù)的試驗(yàn)研究方面與發(fā)達(dá)國家的差距仍較大。 　　4結(jié)論 　　本文從以下幾點(diǎn)對生物質(zhì)氣化技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。 　　(1)生物質(zhì)氣化技術(shù)是一項(xiàng)較新的技術(shù)，其技術(shù)目前還不太成熟，還有許多方面需要完善。 　　(2)對固定床、流化床兩種常用的生物質(zhì)氣化爐進(jìn)行了介紹，并對兩種氣化爐的各自特性及其性能進(jìn)行了分析。認(rèn)為流化床生物質(zhì)氣化爐比固定床生物質(zhì)氣化爐具有更大的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該成為我國今后生物質(zhì)氣化研究的主要方向。 　　(3)對生物質(zhì)氣化技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。由于國力所限，我國的生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美國家，認(rèn)為在現(xiàn)有條件下研究開發(fā)與國外相同技術(shù)路線的BIGCC系統(tǒng)，存在很大困難。利用現(xiàn)有技術(shù)，研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行、效率較高的系統(tǒng)，是目前發(fā)展我國生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的一個(gè)主要課題，也是我國能否有效利用生物質(zhì)的關(guān)鍵。 　　(4)與歐美國家相比，目前我國生物質(zhì)氣化還是以中、小規(guī)模和固定床、低熱值氣化為主，依靠小型多用途的方式來滿足市場需求，氣化技術(shù)的開發(fā)立足于解決農(nóng)村能源與環(huán)境問題，以關(guān)注能源的效益為主，兼顧環(huán)境問題。氣化原料品質(zhì)較差，主要是農(nóng)村的農(nóng)、林廢棄物。 　　(5)最后介紹了生物質(zhì)氣化燃?xì)獾膬艋夹g(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出催化裂解技術(shù)是生物質(zhì)氣化過程中燃?xì)鈨艋陌l(fā)展方向。