生物質(zhì)氣化及生物質(zhì)與煤共氣化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

徐春霞，徐振剛，步學(xué)朋，董衛(wèi)果，戢緒國(guó)，楊宗仁

(煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院，北京100013)

　　摘要：總結(jié)了生物質(zhì)原料的特點(diǎn)及生物質(zhì)單獨(dú)氣化的缺點(diǎn)；介紹了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)及生物質(zhì)與煤共氣化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀；分析了在此領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)與前景；概括了開展生物質(zhì)與煤共氣化技術(shù)研發(fā)的意義。

　　生物質(zhì)包括植物、動(dòng)物及其排泄物、垃圾及有機(jī)廢水等幾大類。與煤炭相比，生物質(zhì)原料具有如下特點(diǎn)：

　　①揮發(fā)分高而固定碳含量低。煤炭的固定碳一般為60%左右；而生物質(zhì)原料特別是秸稈類原料的固定碳在20%以下，揮發(fā)分卻高達(dá)70%左右，是適合熱解和氣化的原料。

　?、谠现醒鹾扛撸曳趾康?。

　?、蹮嶂得黠@低于煤炭，一般只相當(dāng)于煤炭的1/2～2/3。

　?、艿臀廴拘浴Ｒ话闵镔|(zhì)硫含量、氮含量低，燃燒過程中產(chǎn)生的SO2、NOx較低。

　　⑤可再生性。因生物質(zhì)生長(zhǎng)過程中可吸收大氣中的CO2，其CO2凈排放量近似于零，可有效減少溫室氣體的排放。

　?、迯V泛的分布性。

　　生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)利用的重要途徑之一。生物質(zhì)氣化技術(shù)已有一百多年的發(fā)展歷史，特別是近年來，對(duì)生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究日趨活躍。但生物質(zhì)單獨(dú)氣化存在一些缺點(diǎn)。

　　首先，生物質(zhì)的產(chǎn)生存在季節(jié)性，不能穩(wěn)定供給；其次，由于生物質(zhì)處理后形成的顆粒具有不規(guī)則性，在流化床氣化爐內(nèi)不易形成穩(wěn)定的料層，需要添加一定量的惰性重組分床料如河砂、石英砂等；第三，生物質(zhì)單獨(dú)氣化時(shí)生成較多的焦油，不僅降低了生物質(zhì)的氣化效率，而且對(duì)氣化過程的穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。生物質(zhì)與煤共氣化不僅可以很好地彌補(bǔ)生物質(zhì)單獨(dú)氣化的上述缺陷，同時(shí)在碳反應(yīng)性、焦油形成和減少污染物排放等方面可能會(huì)發(fā)生協(xié)同作用。

　　1國(guó)外的研究與應(yīng)用情況

　　(1)生物質(zhì)氣化發(fā)電

　　生物質(zhì)氣化及發(fā)電技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已受到廣泛重視，如美國(guó)、奧地利、丹麥、芬蘭、法國(guó)、挪威和瑞典等國(guó)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。美國(guó)在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位，美國(guó)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。

　　奧地利成功地實(shí)施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%，該國(guó)現(xiàn)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。

　　日本資源能源廳調(diào)查結(jié)果顯示，2001年日本有83家生物質(zhì)廢棄物發(fā)電廠，形式為廢棄塑料等與重油等化石燃料混燒發(fā)電，2003年又投資約14.5億日元建設(shè)了發(fā)電量為3MW的生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目，年利用林業(yè)和建材業(yè)廢舊材料5.9萬t。菲律賓、馬來西亞以及非洲的一些國(guó)家，轉(zhuǎn)化利用都先后開展了生物質(zhì)能的氣化、成型、熱解等技術(shù)的研究開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

　　(2)生物質(zhì)燃?xì)鈪^(qū)域供熱，利用類似于傳統(tǒng)固定床氣化爐的上吸式氣化爐生產(chǎn)生物質(zhì)可燃?xì)?，用于區(qū)域供熱已達(dá)到了商業(yè)化水平。用于區(qū)域供熱的生物質(zhì)氣化設(shè)備已在芬蘭、瑞典各地運(yùn)行。氣化爐以泥炭、木片或木材加工過程產(chǎn)生的廢棄物為原料。

　　設(shè)備工作性能穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)換效率高，對(duì)原料濕度和粒度要求寬松。通過調(diào)節(jié)氣化劑中水蒸氣的含量來控制氧化層的反應(yīng)溫度，可避免反應(yīng)物料出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象?？扇?xì)庵薪褂秃侩m然較高，但是通向燃燒器的管道既粗又短，不易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，因而系統(tǒng)不須安裝焦油過濾裝置。焦油及氣化爐產(chǎn)生的可燃?xì)饪稍诤竺娴娜細(xì)忮仩t等燃燒器中直接燃燒，既充分利用了焦油的能量又避免了管道堵塞等問題，因而通常不需要高效氣體凈化和冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，熱利用率高。

　　(3)水泥廠供燃料與發(fā)電并用的生物質(zhì)氣化站，意大利已建成一座生物質(zhì)氣化站，此氣化站是歐洲較大的生物質(zhì)氣化站之一。站內(nèi)所用燃料是2種有機(jī)質(zhì)顆粒的混合物，一種顆粒用城市垃圾中輕質(zhì)可燃物制成，另一種顆粒用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物制成，這2種顆粒均由當(dāng)?shù)仡w粒燃料加工廠制作。該站與一個(gè)水泥廠毗鄰，氣化站內(nèi)有2臺(tái)循環(huán)流化床氣化爐。1號(hào)氣化爐生產(chǎn)的可燃?xì)馊急挥米魉鄰S的生產(chǎn)燃料；2號(hào)氣化爐生產(chǎn)的可燃?xì)獠糠直挥米魉鄰S的生產(chǎn)燃料，部分被用于氣化站內(nèi)發(fā)電。用于發(fā)電的可燃?xì)馀c天然氣同時(shí)通往蒸汽鍋爐，此蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電功率為2.8MW。

　　(4)生物質(zhì)氣化合成化學(xué)品，生物質(zhì)氣化合成化學(xué)品是指經(jīng)氣化爐中產(chǎn)生的中熱值燃?xì)?，通過一定的工藝合成為化學(xué)制品，目前主要是合成甲醇和氨。

　　近幾年來，歐盟開發(fā)了木料氣化制甲醇技術(shù)，已建成4個(gè)示范工廠氣化規(guī)模為4.8～12t(干木)/d，氣化爐均為流化床氣化爐，用水蒸氣、氧氣或空氣作氣化劑，產(chǎn)出中熱值可燃?xì)?。生物質(zhì)氣化合成甲醇的技術(shù)目前已達(dá)到了可商業(yè)化應(yīng)用的階段，但其產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性尚不能與石油化工和煤化工相競(jìng)爭(zhēng)。

　　芬蘭已建成一座生物質(zhì)氣化合成氨示范工廠，此廠是世界上第一個(gè)以泥炭為原料，采用氣化合成氨的方法來生產(chǎn)化肥的廠家。其工藝是將濕度為40%的泥炭，經(jīng)低壓蒸汽干燥(壓力0.4MPa)，使?jié)穸冉档?5%后，粉碎加入加壓流化床氣化爐中。氣化劑采用氧氣和水蒸氣的混合氣體，反應(yīng)溫度為750～950℃。氣化后可燃?xì)怏w組分為：35%CO，32%H2，6%～8%CH4，22%CO2。氣化每噸泥炭需氧氣290Nm3，需水蒸氣160kg。該廠還用泥炭與木屑的混合物作原料進(jìn)行過氣化試驗(yàn)，也獲得了成功。

　　(5)生物質(zhì)與煤共氣化，由于灰分和硫含量低，揮發(fā)分含量高且反應(yīng)性高，生物質(zhì)與低階煤共氣化如能產(chǎn)生協(xié)同作用就可能產(chǎn)生低熱值氣體來增加產(chǎn)品的附加值。為此，研究二者的協(xié)同效應(yīng)是熱點(diǎn)之一。Collot等，Pan等研究認(rèn)為煤與生物質(zhì)簡(jiǎn)單混合共熱解時(shí)，兩者并不能產(chǎn)生協(xié)同作用。

　　Sjostrom等在加壓流化床反應(yīng)器中，進(jìn)行了700～900℃，0.4MPa富氧氣氛下，波蘭煤和樺樹共氣化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焦的產(chǎn)率比單一物料的低，氣體產(chǎn)率提高；但是在1.5MPa的壓力下這些現(xiàn)象不再出現(xiàn)。

　　McLendonTR等在灰團(tuán)聚流化床中試氣化裝置中分別進(jìn)行了次煙煤和煙煤與木屑的共氣化實(shí)驗(yàn)，生物質(zhì)的最高質(zhì)量摻混比例為35%，氣化壓力3.0MPa。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明次煙煤與木屑混合物共氣化時(shí)沒有顯著的協(xié)同作用產(chǎn)生，而煙煤與生物質(zhì)混合物在共氣化中產(chǎn)生了顯著的協(xié)同作用；但2種煤與生物質(zhì)混合物的流化性能與單一煤相比都有顯著提高。Collot等在固定床和流化床中，分別進(jìn)行了煤與銀杉木的共熱解及共氣化實(shí)驗(yàn)，在共熱解實(shí)驗(yàn)中均未觀察到協(xié)同效應(yīng)的存在；但是1000℃所制混合焦，在固定床燃燒實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)性是單一煤焦的2倍，這顯示了一種協(xié)同作用；而在流化床實(shí)驗(yàn)中未觀察到顯著的協(xié)同作用，認(rèn)為協(xié)同作用與生物質(zhì)和煤顆粒間的接觸有關(guān)。SjostromK等分析煤與生物質(zhì)共氣化產(chǎn)生協(xié)同作用的原因，認(rèn)為氣化首先在木質(zhì)生物質(zhì)有機(jī)物質(zhì)中最弱的共價(jià)鍵中發(fā)生熱裂解，形成的揮發(fā)分分解形成很多自由基，這些自由基加速了煤的氧化分解；木質(zhì)生物質(zhì)是富氫物質(zhì)，脫揮發(fā)分過程中產(chǎn)生的氫和煤自由基反應(yīng)，阻止了二次焦的形成；木質(zhì)生物質(zhì)中的堿金屬是煤氣化的有效催化劑，促進(jìn)了煤的催化氣化反應(yīng)。Brown等進(jìn)行了富含鉀鹽生物質(zhì)與煤的共氣化研究，認(rèn)為生物質(zhì)能極大地促進(jìn)煤的氣化反應(yīng)，可作為廉價(jià)的煤氣化催化劑。

　　在德國(guó)位于柏林附近的RudersdorferZementGmbh公司水泥廠，使用魯奇CFB氣化裝置處理垃圾，該裝置1996年開始運(yùn)行，最大能力100MW，以工業(yè)廢料和城市生活垃圾為主要原料，褐煤作輔助轉(zhuǎn)化利用原料。生產(chǎn)的低熱值熱煤氣用于一座200萬t/a水泥回轉(zhuǎn)窯的原料加熱，排出的灰渣用作水泥原料，設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)可用率達(dá)到90%以上。

　　荷蘭Nuon公司從2000年4月開始進(jìn)行煤與生物質(zhì)共氣化試驗(yàn)，使用20%雞場(chǎng)廢物和80%的煤，以降低CO2排放量。該公司計(jì)劃使用的共氣化原料包括：生物質(zhì)(家禽廢料、下水道淤泥、廢木材、馬路邊的草)、助劑(石灰、紙漿、膨潤(rùn)土)、其它燃料(次煙煤、石油焦、熱解焦)。另外計(jì)劃建立新的發(fā)電量為1200MW的煤與生物質(zhì)共氣化IGCC電廠。

　　2國(guó)內(nèi)的研究與應(yīng)用情況

　　(1)生物質(zhì)氣化，中國(guó)對(duì)生物質(zhì)氣化技術(shù)的深入研究始于上世紀(jì)80a代。經(jīng)過20多年的努力，尤其是近年來，國(guó)內(nèi)加大了研究力度，使得中國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)日趨成熟。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)，如河北的ND系列、山東的XFL系列、廣州的GSQ一110型和云南QL50、60型氣化設(shè)備；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(chǎng)合取得了一定的社會(huì)、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

　　中國(guó)已研制的中小型生物質(zhì)氣化發(fā)電設(shè)備功率從幾千瓦到2MW。秸桿燃燒發(fā)電在中國(guó)正成為現(xiàn)實(shí)，中國(guó)首臺(tái)秸稈混燃發(fā)電機(jī)組，已于2005年底在華電國(guó)際棗莊市十里泉發(fā)電廠投運(yùn)，該機(jī)組每年可燃用10.5萬t秸稈，相當(dāng)于7.56萬t標(biāo)準(zhǔn)煤；另外，河南許昌、安徽合肥、吉林遼源、吉林德惠、北京延慶等地也在建設(shè)秸桿發(fā)電廠。

　　目前，中國(guó)使用的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，主要有固定床、流化床和直接干餾熱解3種工藝形式，其中最為主要的是以空氣為氣化劑的常壓固定床氣化技術(shù)。

　　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(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、可以實(shí)現(xiàn)多種生物質(zhì)原料的熱解氣化、投資少等特點(diǎn)。但是得到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档停话阒挥?，000kJ/Nm3，且焦油含量高，容易造成管路堵塞。中國(guó)生物質(zhì)氣化爐的發(fā)展現(xiàn)狀見表1。

　　(2)生物質(zhì)與煤共流化、共氣化，在生物質(zhì)與煤共氣化方面，中國(guó)近幾年有了較深入的研究。煤和生物質(zhì)共燃燒、轉(zhuǎn)化技術(shù)及生物質(zhì)能技術(shù)目前已被列入國(guó)家“863”計(jì)劃。煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院已聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所申請(qǐng)了國(guó)家863計(jì)劃課題：新型生物質(zhì)與煤共氣化裝置及工藝開發(fā)，準(zhǔn)備對(duì)生物質(zhì)與煤共氣化進(jìn)行深入研究，此課題現(xiàn)已得到國(guó)家批準(zhǔn)。郭慶杰等指出，在生物質(zhì)和惰性顆粒組成的不等密度體系中，浮升組分的質(zhì)量分率大于50%時(shí)不能形成良好的流化狀態(tài)。

　　宋新朝等在有機(jī)玻璃制成的圓柱型流化床中，對(duì)玉米稈、稻稈、煤及其混合物的流化特性進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，得出單一生物質(zhì)顆粒不能形成良好的流化狀態(tài)，而加入一定量煤構(gòu)成生物質(zhì)和煤2組分混合顆粒可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流化，為確保正常流化，生物質(zhì)的質(zhì)量分率在混合顆粒中不宜超過50%，如圖1所示。郭慶杰等在沙子和鋸末混合實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用與鋸末粒徑接近的沙子顆?？梢院芎玫鼗旌希幂^大粒徑的沙子時(shí)出現(xiàn)分離現(xiàn)象。宋新朝等得出生物質(zhì)和煤混合顆粒在共流化時(shí)，采用較接近的粒徑范圍，可使混合顆粒實(shí)現(xiàn)良好的流化。

　　宋新朝等在熱天平和流化床實(shí)驗(yàn)裝置中研究了生物質(zhì)與煤的共氣化特性，在熱天平實(shí)驗(yàn)中采用程序升溫法，氣化劑為水蒸氣，得出物料的反應(yīng)活性順序?yàn)椋焊吡憾捊?gt;稻稈焦>玉米稈焦>神木煤焦，且在一定溫度下，生物質(zhì)焦與煤焦混合物的氣化碳轉(zhuǎn)化率高于各自氣化碳轉(zhuǎn)化率的加和；在流化床氣化實(shí)驗(yàn)中，比較了單獨(dú)煤氣化與稻稈/煤混合物氣化的結(jié)果，得出混合物氣化碳轉(zhuǎn)化率、氣體中可燃組分的體積分?jǐn)?shù)均高于單獨(dú)煤氣化，氣體中CO2的體積分?jǐn)?shù)低于單獨(dú)煤氣化CO2的體積分?jǐn)?shù)，這表明在生物質(zhì)與煤共氣化過程中產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。閆秋會(huì)等進(jìn)行了煤與生物質(zhì)共超臨界水氣化制氫的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)氫率和氣化率上出現(xiàn)了明顯的協(xié)同效應(yīng)。這與SjostromK等和PanYG等的研究結(jié)果相一致。

　　3國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)與前景

　　發(fā)達(dá)國(guó)家由于生物質(zhì)資源相對(duì)集中，多采用大型氣化設(shè)備，設(shè)備自動(dòng)化程度高；而中國(guó)目前生物質(zhì)資源較分散，難以集中利用，仍以發(fā)展小型設(shè)備為主，且在基礎(chǔ)理論和專項(xiàng)技術(shù)的研究方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大的差距。世界各國(guó)都有大量的生物質(zhì)資源，中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)能資源十分豐富，每年農(nóng)作物廢棄物就相當(dāng)于6億多噸標(biāo)準(zhǔn)煤，還有約3億t煤當(dāng)量的林業(yè)廢棄物，而節(jié)能減排是當(dāng)今世界一致公認(rèn)的舉措，生物質(zhì)氣化在國(guó)內(nèi)外有著廣闊的市場(chǎng)前景，開發(fā)低焦油產(chǎn)率、高氣化效率的氣化工藝是生物質(zhì)氣化的發(fā)展方向。生物質(zhì)與煤共氣化不僅可以彌補(bǔ)生物質(zhì)單獨(dú)氣化時(shí)的某些缺陷，而且有利于煤炭資源的可持續(xù)利用，并可減少CO2、硫氧化物及氮氧化物的排放量，對(duì)保護(hù)環(huán)境，節(jié)約化石能源具有重要意義，極具開發(fā)前景。

　　4結(jié)語

　　生物質(zhì)能開發(fā)利用研究是中國(guó)可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的重要內(nèi)容之一，已被列入中國(guó)21世紀(jì)發(fā)展議程。煤與生物質(zhì)共氣化過程中如能成功地裂解焦油，不僅可以提高生物質(zhì)的利用效率，而且對(duì)燃?xì)獾暮罄m(xù)加工利用及環(huán)境保護(hù)極其有利。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)與煤的共氣化研究仍處在熱天平和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小型流化床或固定床氣化爐技術(shù)水平，有許多研究工作待做。