生物質(zhì)氣化技術(shù)原理及應(yīng)用分析

鄭昀1，邵巖2，李斌2

(1.福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福建福州350003；2.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250023)

　　摘要：介紹了生物質(zhì)氣化技術(shù)的原理，生物質(zhì)氣化工藝及氣化設(shè)備。目前應(yīng)用較多的氣化技術(shù)是生物質(zhì)氣化供氣和生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)。提出了應(yīng)用過程中存在的問題，提高效率、降低焦油含量等是今后利用生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展方向。

　　1前言

　　生物質(zhì)能是一種理想的可再生能源。由于分布廣泛、有利于環(huán)保等特點(diǎn)，越來越受到世界各國的關(guān)注。生物質(zhì)氣化技術(shù)是利用生物質(zhì)能的一種方式，生物質(zhì)能是指由光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，光合作用利用空氣中的二氧化碳和土壤中的水，將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為碳水化合物和氧氣。生物質(zhì)通常包括農(nóng)業(yè)廢棄物、木材及森林工業(yè)廢棄物、禽畜糞便、城鎮(zhèn)生活垃圾以及能源作物等幾種類型。生物質(zhì)能具有以下特點(diǎn)：屬于可再生能源，可保證能源的永續(xù)利用；種類多而分布廣，便于就地利用，利用形式多樣；相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，可貯存性好；節(jié)能、環(huán)保效果好。

　　2生物質(zhì)氣化技術(shù)

　　2.1生物質(zhì)氣化技術(shù)的原理

　　生物質(zhì)氣化是利用空氣中的氧氣或含氧物做氣化劑，在高溫條件下將生物質(zhì)燃料中的可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?主要是氫氣、一氧化碳和甲烷)的熱化學(xué)反應(yīng)。20世紀(jì)70年代，Ghaly首次提出了將氣化技術(shù)應(yīng)用于生物質(zhì)這種含能密度低的燃料。生物質(zhì)的揮發(fā)份含量一般在76～86%，生物質(zhì)受熱后在相對較低的溫度下就能使大量的揮發(fā)份物質(zhì)析出。幾種常見生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析成分見表1。

　　為了提供反應(yīng)的熱力學(xué)條件，氣化過程需要供給空氣或氧氣，使原料發(fā)生部分燃燒，盡可能將能量保留在反應(yīng)后得到的可燃?xì)庵?，氣化后的產(chǎn)物含有H2、CO及低分子的CmHn等可燃性氣體。整個(gè)過程可分為：干燥、熱解、氧化和還原。

　　2.1.1干燥過程

　　生物質(zhì)進(jìn)入氣化爐后，在熱量的作用下，析出表面水分。在200～300℃時(shí)為主要干燥階段。

　　2.1.2熱解反應(yīng)

　　當(dāng)溫度升高到300℃以上時(shí)開始進(jìn)行熱解反應(yīng)。在300～400℃時(shí)，生物質(zhì)就可以釋放出70%左右的揮發(fā)組份，而煤要到800℃才能釋放出大約30%的揮發(fā)份。熱解反應(yīng)析出揮發(fā)份主要包括水蒸氣、氫氣、一氧化碳、甲烷、焦油及其他碳?xì)浠衔铩?/p>

　　2.1.3氧化反應(yīng)

　　熱解的剩余木炭與引入的空氣發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)釋放大量的熱以支持生物干燥、熱解和后續(xù)的還原反應(yīng)，溫度可達(dá)到1000～1200℃。

　　2.1.4還原過程

　　還原過程沒有氧氣存在，氧化層中的燃燒產(chǎn)物及水蒸汽與還原層中木炭發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣和一氧化碳等。這些氣體和揮發(fā)份組成了可燃?xì)怏w，完成了固體生物質(zhì)向氣體燃料的轉(zhuǎn)化過程。

　　2.2氣化工藝

　　生物質(zhì)氣化有多種形式，如果按氣化介質(zhì)可以分為使用氣化介質(zhì)和不使用氣化介質(zhì)兩種，前者又可以細(xì)分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化、氫氣氣化等，后者有熱分解氣化。不同氣化技術(shù)所得到的熱值不同，因而應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。不同氣化工藝技術(shù)產(chǎn)生可燃性氣體的熱值及其主要的用途，見表2。

　　2.3氣化設(shè)備

　　氣化爐是生物質(zhì)氣化反應(yīng)的主要設(shè)備。按氣化爐的運(yùn)行方式不同，可以分為固定床、流化床和旋轉(zhuǎn)床三種類型。國內(nèi)目前生物質(zhì)氣化過程所采用的氣化爐主要為固定床氣化爐和流化床氣化爐。固定床氣化爐和流化床氣化爐又有多種不同的形式，其各種類型見圖1。

　　2.3.1固定床氣化爐

　　固定床氣化爐是一種傳統(tǒng)的氣化反應(yīng)爐，其運(yùn)行溫度大約為1000℃。固定床氣化爐可以分為上吸式、下吸式和橫吸式氣化爐。

　　在上吸式氣化爐中，生物質(zhì)原料由爐頂加入，氣化劑由爐底部進(jìn)氣口加入，氣體流動的方向與燃料運(yùn)動的方向相反，向下流動的生物質(zhì)原料被向上流動的熱氣體烘干、裂解、氣化。其主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)出氣在經(jīng)過裂解層和干燥層時(shí)，將其攜帶的熱量傳遞給物料，用于物料的裂解和干燥，同時(shí)降低自身的溫度，使?fàn)t子的熱效率提高，產(chǎn)出氣體含灰量少。

　　在下吸式氣化爐中，生物質(zhì)由頂部的加料口投入，氣化劑可以在頂部加入，也可以在喉部加入。氣化劑與物料混合向下流動。該爐的優(yōu)點(diǎn)是，有效層高度幾乎不變、氣候強(qiáng)度高、工作穩(wěn)定性好、可以隨時(shí)加料，而且氣化氣體中焦油含量較少。但是燃?xì)庵谢覊m較多，出爐溫度較高。

　　在橫吸式氣化爐中，生物質(zhì)原料由氣化爐頂部加入，氣化劑從位于爐身一定高度處進(jìn)入爐內(nèi)，灰分落入爐柵下部的灰室。燃?xì)獬仕搅鲃?，故稱作橫吸式氣化爐。該氣化爐的燃燒區(qū)溫度可達(dá)到2000℃，超過灰熔點(diǎn)，容易結(jié)渣。因此該爐只適用于含焦油和灰分不大于5%的燃料，如無煙煤、焦炭和木炭等。

　　2.3.2流化床氣化爐

　　流化床燃燒技術(shù)是一種先進(jìn)的燃燒技術(shù)。流化床氣化爐的溫度一般在750～800℃。這種氣化爐適用于氣化水分含量大、熱值低、著火困難的生物質(zhì)物料，但是原料要求相當(dāng)小的粒度，可大規(guī)模、高效的利用生物質(zhì)能。按照氣固流動特性不同，流化床氣化爐分為鼓泡床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐、雙流化床氣化爐和攜帶床氣化爐。

　　鼓泡床中氣流速度相對較低，幾乎沒有固體顆粒從中逸出。循環(huán)流化床氣化爐中流化速度相對較高，從床中帶出的顆粒通過旋風(fēng)分離器收集后，重新送入爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)。

　　雙流化床與循環(huán)流化床相似，見圖2，不同的是第I級反應(yīng)器的流化介質(zhì)在第II級反應(yīng)器中加熱。在第I級反應(yīng)器中進(jìn)行裂解反應(yīng)，第II級反應(yīng)器中進(jìn)行氣化反應(yīng)。雙流化床氣化爐碳轉(zhuǎn)化率較高。

　　攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種特例，其運(yùn)行溫度高達(dá)1100～1300℃，產(chǎn)出氣體中焦油成分和冷凝物含量很低，碳轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到100%。

　　3生物質(zhì)氣化技術(shù)的應(yīng)用

　　3.1生物質(zhì)氣化供氣

　　生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)是指氣化爐產(chǎn)出的生物質(zhì)燃?xì)?，通過相應(yīng)的配套裝備，完成為居民供應(yīng)燃?xì)獾募夹g(shù)。生物質(zhì)氣化供氣系統(tǒng)工藝流程見圖3。

　　生物質(zhì)原料首先經(jīng)過處理達(dá)到氣化爐的使用條件，然后由送料裝置送入氣化爐中，不同類型的氣化爐需要配備不同的送料裝置。所產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，在凈化器中除去灰塵和焦油等雜質(zhì)。經(jīng)過凈化后的氣體經(jīng)過水封，由鼓風(fēng)機(jī)送入儲氣罐中，水封相當(dāng)于一個(gè)單向閥，只允許燃?xì)庀騼夤拗辛鲃?。儲氣罐出口的阻火器是一個(gè)重要的安全設(shè)備。最后，燃?xì)馔ㄟ^燃?xì)夤?yīng)網(wǎng)統(tǒng)一輸送給用戶。

　　目前，生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)已經(jīng)在山東、遼寧、吉林、安徽等十幾個(gè)省市推廣開來，已經(jīng)成功氣化的生物質(zhì)包括玉米芯、玉米秸、棉柴和麥秸等。

　　3.2生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)

　　生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)是目前研究與應(yīng)用最多、裝備最為完善的技術(shù)。目前，生物質(zhì)氣化發(fā)電有三種方式：

　　a.作為蒸汽鍋爐的燃料燃燒生產(chǎn)蒸汽帶動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。這種方式對氣體要求不是很嚴(yán)格，直接在鍋爐內(nèi)燃燒氣化氣。氣化氣經(jīng)過旋風(fēng)分離器除去雜質(zhì)和灰分后即可使用。燃燒器在氣體成分和熱值有變化時(shí)，能夠保持穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，排放污染物較少。

　　b.在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種方式對氣體的壓力有要求，一般為10～30kg/cm2。該種技術(shù)存在灰塵、雜質(zhì)等污染問題。

　　c.在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種方式應(yīng)用廣泛，效率高。但是該種方法對氣體要求極為嚴(yán)格，氣化氣必須經(jīng)過凈化和冷卻處理。

　　大型的生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)均采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，這是目前世界上最先進(jìn)的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)。該系統(tǒng)包括兩種發(fā)電技術(shù)：整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)和整體氣化熱空氣循環(huán)(IGHAT)。

　　由于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)發(fā)電后排放的尾氣溫度大于500℃，所以增加余熱鍋爐和過熱器產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽循環(huán)，可以有效提高發(fā)電效率，這就是生物質(zhì)整體氣化聯(lián)合循環(huán)，其發(fā)電工藝流程見圖4。

　　該系統(tǒng)由物料預(yù)處理設(shè)備、氣化設(shè)備、凈化設(shè)備、換熱設(shè)備、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等發(fā)電設(shè)備組成。功率范圍在7～30MW，整體效率可以達(dá)到40%。

　　整體氣化熱空氣循環(huán)(IGHAT)技術(shù)正處于開發(fā)階段，它和IGCC的主要區(qū)別在于用一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)代替了后者的燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)。由水蒸氣和燃?xì)獾幕旌瞎べ|(zhì)通過燃?xì)廨啓C(jī)輸出有用功，其整體效率可以達(dá)到60%，有望成為21世紀(jì)的新型發(fā)電技術(shù)。

　　4面臨的問題及展望

　　生物質(zhì)能在我國是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四種能源資源，在能源系統(tǒng)中占有重要地位。當(dāng)前，生物質(zhì)氣化技術(shù)在實(shí)際利用過程中，還存在以下幾個(gè)主要問題：

　　a.生物質(zhì)灰熔點(diǎn)低、堿金屬元素含量高，直接燃燒易結(jié)焦和產(chǎn)生高溫堿金屬元素腐蝕；

　　b.生物質(zhì)氣化時(shí)，渣與飛灰的含碳量較高，氣化效率低；

　　c.燃?xì)庵薪褂秃扛?，容易?dǎo)致產(chǎn)生含焦廢水以及影響設(shè)備的正常運(yùn)行；

　　d.目前氣化發(fā)電機(jī)組的尾氣余熱回收效果不好，造成整個(gè)系統(tǒng)效率較低。

　　所以，降低燃?xì)庵械娘w灰和焦油含量、提高系統(tǒng)效率和可靠性是今后利用生物質(zhì)氣化技術(shù)的主要研究方向。我國生物質(zhì)能資源十分豐富，僅各類農(nóng)業(yè)廢棄物的資源每年相當(dāng)于3.08×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，薪柴資源量相當(dāng)于1.3×108t標(biāo)準(zhǔn)煤。第15次世界能源大會將生物質(zhì)氣化技術(shù)確定為優(yōu)先開發(fā)的新能源技術(shù)之一。目前，我國已經(jīng)建立了500個(gè)以上的生物質(zhì)氣化應(yīng)用工程，連續(xù)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明，生物質(zhì)氣化技術(shù)對處理大量的農(nóng)作物廢棄物、減輕環(huán)境污染、提高人民生活水平等多方面都發(fā)揮著積極的作用。