生物質(zhì)熱解氣化技術的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展

鐘浩，謝建，楊宗濤，張無敵，宋洪川

(云南師范大學太陽能研究所，云南昆明650092)

　　摘要：文章討論了生物質(zhì)能源概況及生物質(zhì)熱解氣化技術目前的現(xiàn)狀，認為大力發(fā)展生物質(zhì)氣化技術有著廣闊的前景。

　　隨著新世紀的到來，人類面臨著經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重壓力，改變能源的生產(chǎn)和消費方式，用現(xiàn)代技術開發(fā)利用包括生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源，對建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，促進社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善以及擺脫對化石能源的依賴都具有重大意義。

　　1生物質(zhì)能資源

　　生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源之一，包括能源林木、能源作物、水生植物、各種有機廢棄物等等，它們是通過植物的光合作用轉化而成的可再生能源資源，是太陽能的有機儲存。生物質(zhì)能是地球上最普遍的一種可再生能源，數(shù)量巨大，就其能量當量而言，是僅次于煤、石油、天然氣而列第四位的能源。廣義的生物質(zhì)能包括一切以生物質(zhì)為載體的能量，具有可再生性。據(jù)估算，地球每年水、陸生物質(zhì)產(chǎn)量的熱當量為3×1021J左右，是全球目前總能耗量的10倍。我國生物質(zhì)能資源相當豐富，僅各類農(nóng)業(yè)廢棄物(如秸稈等)的資源量每年即有3.08億噸標煤，薪材資源量為1.3億噸標煤，加上糞便、城市垃圾等，資源總量估計可達6.5億噸標煤以上，約相當于1995年全國能耗總量的一半。

　　目前，在世界的能源結構中，生物質(zhì)能源占據(jù)重要的地位。在世界能源消耗中，生物質(zhì)能占據(jù)14%，發(fā)展中國家占40%以上，據(jù)聯(lián)合國調(diào)查資料，東南亞各國42%的能源消耗來自生物質(zhì)，非洲國家占58%。占我國人口70%的農(nóng)村，主要的生活能源也是生物質(zhì)能。我國農(nóng)村直接燃燒秸桿、薪柴每年總能耗為2.64億噸標準煤，占農(nóng)村能耗的79.3%，每年消耗生物質(zhì)能達6.1億噸之多，占全國總能耗的27%。

　　而在發(fā)達國家，生物質(zhì)作為能源的利用，多采用高投入、高產(chǎn)出的方式，建設大型的生物質(zhì)能轉化工程，將傳統(tǒng)的生物質(zhì)能轉化為現(xiàn)代能源利用。例如，美國在1992年就大約有1000個利用木材氣化的發(fā)電廠，運行裝機650萬千瓦，年發(fā)電42億千瓦時，發(fā)電成本4-6美分每千瓦時，每千瓦投資2000-3000美元，美國加州電力供應的40%來源于生物質(zhì)發(fā)電，目前，生物質(zhì)動力工業(yè)在美國已成為僅次于水電的第二大可再生能源。生物質(zhì)轉化為現(xiàn)代能源的利用在美國、瑞典和奧地利的基本能源消費中已分別占到40%、16%和10%。在歐盟國家中，開發(fā)利用的所有新能源和可再生能源(包括水電在內(nèi))中生物質(zhì)能源已占總和的59.6%。

　　2傳統(tǒng)的生物質(zhì)利用模式造成的弊病及對策

　　我國農(nóng)村地區(qū)，傳統(tǒng)的耗能方式仍是以炊事為基本要求，作物秸稈和柴草為主要資源，大部分是炕灶直接燃燒，轉換效率低，能量損失嚴重。另一方面，由于農(nóng)村能源消費中約80%來自生物質(zhì)能，對生物質(zhì)資源的無序使用和浪費不但直接導致大氣污染，還嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。在我國，過去十分肥沃的東北大平原土壤有機含量從5-9%下降到2%；全國森林覆蓋率下降到13%，僅是世界平均水平的一半；水土流失面積也從50年代的150萬平方公里擴展到367萬平方公里。

　　因此，對于生物質(zhì)能源利用技術，開發(fā)研究的核心內(nèi)容就是實現(xiàn)生物質(zhì)燃料的清潔燃燒和高效利用，發(fā)展生物質(zhì)的各種能源轉換利用技術。

　　3生物質(zhì)能技術的類別

　　生物質(zhì)能的利用技術大體上分為直接燃燒技術、物化轉化技術、生化轉化技術、液化技術和固體廢棄物技術幾大類(見圖1)。

　　4生物質(zhì)氣化的基本理論

　　固體燃料的氣化就是利用空氣中的氧氣或含氧物質(zhì)作為氣化劑將固體燃料中的碳氧化成可燃氣體的過程，采用不同原料和吹入氣體(空氣、氧氣或是水蒸汽)，所產(chǎn)生的可燃氣成分也各異。其中以空氣和水蒸汽同時作為氣化劑而得到混合煤氣的技術應用最廣，現(xiàn)行的固定床生物質(zhì)氣化系統(tǒng)基本上采用這種氣化方式。

　　在氣化過程中，燃料基本上要經(jīng)過氧化、還原、干餾和干燥四個階段，其主要的反應式為：

　　固體燃料氣化是氣體(氧)和固體(碳)之間的多相反應過程，關于碳和氧之間的反應機理，至今仍是一個有爭議的問題，關于氣化反應機理，主要有三種學說：

　　(1)還原說，認為碳和氧的反應首先生成CO2，而CO的存在是由于CO2被燃料中的碳還原的結果。

　　(2)一氧化碳說，認為CO是碳和氧反應的初生物，CO進一步氧化生成CO2。

　　(3)絡合物說，認為碳和氧首先生成CXOY絡合物，由于溫度等條件不同，這個絡合物分解成不同比例的CO2和CO，所以CO2和CO是同時形成的。

　　5生物質(zhì)氣化技術概況

　　熱解氣化是一種熱化學反應技術，它通過氣化裝置的熱化學反應，可將低品位的固體生物質(zhì)轉換成高品位的可燃氣。自1839年世界上第一臺上吸式氣爐問世以來，氣化技術已有160多年的歷史，但較大規(guī)模應用生物質(zhì)熱解氣化技術，則始于20世紀30、40年代，第二次世界大戰(zhàn)期間，為解決石油燃料的短缺，用于內(nèi)燃機的小型氣化裝置得到廣泛使用。從七十年代初開始，受石油危機影響，這一技術有了新的發(fā)展。在本世紀四十年代初期，我國部分地區(qū)曾以木炭和木塊為燃料經(jīng)氣化驅(qū)動民用車輛，五十到六十年代初期，我國部分城鄉(xiāng)曾以木質(zhì)燃料氣化驅(qū)動內(nèi)燃機，取代柴油和汽油，用于驅(qū)動汽車和提水發(fā)電設備?，F(xiàn)在，它作為礦物能源的補充能源更加受到各國重視。

　　國外生物質(zhì)氣化裝置一般規(guī)模較大，自動化程度高，工藝較復雜，以發(fā)電和供熱為主，如，加拿大摩爾公司(Moore Canada Ltd)設計和發(fā)展的固定床濕式上行式氣化裝置、加拿大通用燃料氣化裝置有限公司(Omnifuel Gasification System Limitred)設計制造的流化床氣化裝置、美國標準固體燃料公司(Standard Solid FuelsInc)設計制造的炭化氣化木煤氣發(fā)生系統(tǒng)、德國茵貝爾特能源公司(Imbert Energietechnik GMBH)設計制造的下行式氣化爐-內(nèi)燃機發(fā)電機組系統(tǒng)等等，氣化效率可達60%-90%，可燃氣熱值為1.7-2.5×104kJ/m3。目前，在該領域具有領先水平的國家有瑞典、美國、意大利、德國等。美國近年來在生物質(zhì)熱解氣化技術方面有所突破，研制出了生物質(zhì)綜合氣化裝置-燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)成套設備，為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板。

　　從80年代初開始，經(jīng)過近20年的努力，我國生物質(zhì)氣化技術也日趨完善。我國自行研制的集中供氣和戶用氣化爐產(chǎn)品已進入實用化試驗及示范階段，形成了多個系列的爐型，可滿足多種物料的氣化要求，在生產(chǎn)、生活用能、發(fā)電、干燥、供暖等領域得到利用。如中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院研制的ND系列生物質(zhì)氣化爐，其中ND-600型氣化爐已進行較長時間的生產(chǎn)運行，并取得了一定的效益；江蘇吳江縣生產(chǎn)的稻殼氣化爐，利用碾米廠的下腳料驅(qū)動發(fā)電機組，功率達到160千瓦，已達到實用階段；中科院廣

　　州能源所，對上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理、物料反應性能作了大量試驗，并研制出GSQ型氣化爐；山東能源研究所研制的XFL系列秸桿氣化爐在農(nóng)村集中供氣的應用中也獲得了一定的社會、經(jīng)濟效益；大連市環(huán)境科學設計研究院用研制的LZ系列生物質(zhì)干餾熱解氣化裝置建成了可供1000戶農(nóng)民生活用燃氣的生物質(zhì)熱解加工廠；云南省研制的QL-50、60型戶用生物質(zhì)氣化爐已通過技術鑒定并在農(nóng)村進行試驗示范。目前，我國已進入實用階段的生物質(zhì)氣化裝置種類較多，用途廣泛(見表一)。取得了良好的社會、經(jīng)濟效益。近年來，已將煤氣化技術引入到生物質(zhì)氣化方面來，如沸騰流化床技術可用在細粒狀的生物質(zhì)氣化，克服了此類原料在固定床連續(xù)加料的困難，同時生物質(zhì)流化床技術也被很多研究單位和高校重視，有關該項技術的實驗研究也在進行中。

　　6我國現(xiàn)有的生物質(zhì)氣化技術

　　目前，我國使用的生物質(zhì)熱解氣化技術，主要有固定床、流化床和直接干餾熱解三種工藝形式。固定床工藝一般采用空氣為氣化劑，這類工藝，不論是上吸式、下吸式或是平吸式的氣流方式，都有設備結構簡單、易于操作、可以實現(xiàn)多種生物質(zhì)原料的熱解氣化、投資少等特點。但是得到的生物質(zhì)燃氣熱值低，一般只有5000KJ/Nm3，且生物質(zhì)氣中焦油含量高(見表二)，容易造成管路堵塞。分析其原因，主要有兩方面：第一，由于工藝路線局限，多采用空氣為氣化劑，得到的生物質(zhì)氣中氮氣含量高，通常在50%左右；第二，由于生物質(zhì)原料有些不利于氣化因素，如生物質(zhì)原料揮發(fā)分含量高、固定碳含量相對較低，使得獲得的生物質(zhì)氣體中焦油含量高。而且，生物質(zhì)原料容重小等等。

　　針對這些不足，云南師范大學農(nóng)村能源重點實驗室提出了一種以蒸汽為氣化劑的生物質(zhì)熱解和完全氣化技術，該技術可大幅度提高生物質(zhì)氣的熱值，實驗熱值達到了8300KJ/Nm3以上，產(chǎn)氣率達到了1.20m3/kg以上，并且還有提高的潛力。

　　流化床工藝得到的生物質(zhì)燃氣熱值高，可達12000KJ/Nm3左右，燃氣產(chǎn)率和氣化效率也分別達到了0.95和63%左右。但是這一工藝設備復雜，操作不易掌握。

　　1998年，大連環(huán)境科學研究院開發(fā)的LZ系列生物質(zhì)直接熱裂解裝置，可以得到熱值14651KJ/m3的裂解燃氣，產(chǎn)氣率0.35m3/kg，這種裝置的主產(chǎn)物是碳，熱解生物質(zhì)燃氣作為副產(chǎn)物，燃氣的成本要依賴于碳的銷售情況而定。

　　7結束語

　　綜上所述，生物質(zhì)氣化技術日趨成熟，生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的應用技術越來越受到人們的關注，主要熱點是氣化烘干、氣化發(fā)電、家用燃氣集中供氣和戶用氣化爐灶等四個方面。

　　我國生物質(zhì)資源豐富，生物質(zhì)氣化技術對充分利用這些資源、緩解能源緊張、提高能源品位、改善環(huán)境質(zhì)量、提高人民生活水平等諸多方面具有重要意義，故大力開發(fā)生物質(zhì)氣化技術有著廣闊的前景。

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