生物質(zhì)氣化工藝及裝置研究進(jìn)展

高翔，李海英，武志飛(河北理工大學(xué)，河北唐山)

　　摘要：文章分析了生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了幾種典型的生物質(zhì)氣化工藝及裝置，比較了固定床、流化床等氣化裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析了現(xiàn)有氣化工藝存在的問(wèn)題以及生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的發(fā)展前景。

　　0引言

　　21世紀(jì)人類將面臨能源問(wèn)題的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，隨著人類的開發(fā)利用，化石礦物資源正在逐漸減少，已不能滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的日益增長(zhǎng)的需求，出現(xiàn)了能源緊張。開發(fā)利用可再生能源是事關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、國(guó)家安全和社會(huì)進(jìn)步的重大課題。生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第四位的能源[1]。

　　而且在眾多可再生能源中，它也是發(fā)展速度最快，產(chǎn)業(yè)前進(jìn)最好的能源之一。我國(guó)生物質(zhì)能極為豐富，僅秸稈等農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物資源量年約7×108t，相當(dāng)于3.1×108t噸標(biāo)煤，但相當(dāng)多的生物質(zhì)廢棄物被廢棄或焚燒，不但造成了資源浪費(fèi)，又會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。所以大力開發(fā)和有效利用生物質(zhì)能，有利于促進(jìn)自然生態(tài)環(huán)境向良性循環(huán)方向發(fā)展。生物質(zhì)氣化技術(shù)是對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行利用的有效手段。

　　一些國(guó)家的生物質(zhì)能技術(shù)和裝備已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用程度，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，其將生物質(zhì)作為能源的利用，多采用高投入、高產(chǎn)出的方式，建設(shè)大型的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化工程，將傳統(tǒng)的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代能源利用。在歐盟國(guó)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%[3]。

　　2007年9月中國(guó)政府專門發(fā)布了《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，將生物能源確立為可再生能源的重要組成部分，制定了到2020年我國(guó)生物能源的具體發(fā)展目標(biāo)。生物質(zhì)資源豐富的地方政府，也將生物能源開發(fā)作為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)，我國(guó)生物能源開發(fā)正迎來(lái)前所未有的歷史發(fā)展機(jī)遇。

　　1生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)是通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)將固態(tài)生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為氣體燃料的過(guò)程。生物質(zhì)氣化過(guò)程是復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化過(guò)程。它通過(guò)氣化裝置的熱化學(xué)反應(yīng)，可將低品位的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成高品位的可燃?xì)狻?/p>

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)已有160多年的歷史，但較大規(guī)模應(yīng)用生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，始于20世紀(jì)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(jī)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(jī)影響，這一技術(shù)有了新的發(fā)展。

　　在本世紀(jì)四十年代初期，我國(guó)部分地區(qū)曾以木炭和木塊為燃料經(jīng)氣化驅(qū)動(dòng)民用車輛，五十到六十年代初期，我國(guó)部分城鄉(xiāng)曾以木質(zhì)燃料氣化驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，取代柴油和汽油，用于驅(qū)動(dòng)汽車和提水發(fā)電設(shè)備.現(xiàn)在，它作為礦物能源的補(bǔ)充能源更加受到各國(guó)重視。

　　國(guó)外生物質(zhì)氣化裝置一般規(guī)模較大，自動(dòng)化程度高，工藝較復(fù)雜，以發(fā)電和供熱為主，氣化效率可達(dá)60%～90%，可燃?xì)鉄嶂禐?.7～2.5×104kJm3。目前，在該領(lǐng)域具有領(lǐng)先水平的國(guó)家有瑞典、美國(guó)、意大利、德國(guó)等。美國(guó)近年來(lái)在生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)方面有所突破，研制出了生物質(zhì)綜合氣化裝置——燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)成套設(shè)備，為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板。

　　我國(guó)對(duì)生物質(zhì)能源利用極為重視，已連續(xù)在四個(gè)國(guó)家五年計(jì)劃中將生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點(diǎn)項(xiàng)目，在生物質(zhì)氣化與氣化發(fā)電方面的研究與開發(fā)取得了積極的進(jìn)展。我國(guó)自行研制的集中供氣和戶用氣化爐產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)用化試驗(yàn)及示范階段，形成了多個(gè)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(lǐng)域得到利用。

　　如中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)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(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)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(dòng)發(fā)電機(jī)組，功率達(dá)到160kW，已達(dá)到實(shí)用階段；中科院廣州能源所，對(duì)上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理、物料反應(yīng)性能作了大量試驗(yàn)，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(yīng)用中也獲得了一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益；大連市環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)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?xì)獾纳镔|(zhì)熱解加工廠；云南省研制的QL-50，60型戶用生物質(zhì)氣化爐己通過(guò)技術(shù)鑒定并在農(nóng)村進(jìn)行試驗(yàn)示范。目前，我國(guó)已進(jìn)入實(shí)用階段的生物質(zhì)氣化裝置種類較多，用途廣泛，取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)，已將煤氣化技術(shù)引入到生物質(zhì)氣化方面來(lái)，如沸騰流化床技術(shù)可用在細(xì)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(shí)生物質(zhì)流化床技術(shù)也被很多研究單位和高校重視，有關(guān)該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究也在進(jìn)行中[2]。

　　2生物質(zhì)熱解氣化工藝及應(yīng)用

　　生物質(zhì)氣化有多種形式。如果按氣化介質(zhì)分，可分為使用氣化介質(zhì)和不使用氣化介質(zhì)，其中使用氣化介質(zhì)的技術(shù)又分為干餾氣化、空氣氣化、氧氣氣化、水蒸氣氣化和氫氣氣化等。目前應(yīng)用最廣泛的是空氣氣化。如果按產(chǎn)氣的用途來(lái)分，可分為生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)、供熱技術(shù)、發(fā)電技術(shù)和合成化學(xué)品技術(shù)等。目前各種技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用都在進(jìn)行，生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)由于技術(shù)起點(diǎn)低，投資相對(duì)較低，很適合在我國(guó)農(nóng)村大力發(fā)展。

　　空氣氣化技術(shù)直接以空氣為氣化劑，氣化效率高，是目前應(yīng)用最廣，也是所有氣化技術(shù)中最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的一種。富氧氣化使用富氧氣體做氣化劑，反應(yīng)溫度高，反應(yīng)速率快，可得到焦油含量低的與城市煤氣相當(dāng)?shù)闹袩嶂禋?，但成本較高。水蒸氣氣化是以水蒸氣作為氣化劑，燃?xì)赓|(zhì)量好，氫氣含量高，產(chǎn)生的也是中熱值氣。氫氣氣化是使氫氣同碳及水發(fā)生反應(yīng)生成大量的甲烷的過(guò)程，其反應(yīng)條件苛刻，需在高溫高壓且具有氫源的條件下進(jìn)行，可產(chǎn)生熱值在22260-26040kJm3之間的高熱值氣。干餾氣化不使用氣化介質(zhì)，產(chǎn)生固定碳、焦油與可燃?xì)狻?/p>

　　氣化爐是生物質(zhì)氣化系統(tǒng)中的核心設(shè)備，生物質(zhì)在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，生成可燃?xì)?。生物質(zhì)氣化爐可以分為固定床氣化爐和流化床氣化爐兩種類型，而固定床氣化爐和流化床氣化爐又都有多種不同形式，如圖1所示。

　　固定床氣化爐分為下吸式氣化爐、橫吸式氣化爐和開心式氣化爐。

　　在下吸式氣化爐中，氣流是向下流動(dòng)的，通過(guò)爐柵進(jìn)入外腔。原料由上部加入，依靠重力下落。經(jīng)過(guò)干燥區(qū)后水分蒸發(fā)，在裂解區(qū)分解出的二氧化碳、一氧化碳、氫氣、焦油等熱氣流向下流經(jīng)氣化區(qū)。在氣化區(qū)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。同時(shí)由于氧化區(qū)的溫度高，焦油在通過(guò)該區(qū)時(shí)發(fā)生裂解，變?yōu)榭扇細(xì)怏w。

　　爐內(nèi)運(yùn)行溫度在400～1200℃左右，燃?xì)鈴姆磻?yīng)層下部吸出，灰渣從底部排出。下吸式固定床氣化爐工作穩(wěn)定，產(chǎn)生的氣體成分相對(duì)穩(wěn)定；可燃?xì)庵薪褂秃枯^少。但可燃?xì)庵谢曳趾枯^多，出爐可燃?xì)鉁囟雀撸瑺t內(nèi)熱效率低。

　　在上吸式氣化爐的氣流流動(dòng)方向與物料運(yùn)動(dòng)方向相反。物料由氣化爐頂部加入，氣化劑由爐底部經(jīng)過(guò)爐份進(jìn)入氣化爐，產(chǎn)出的燃?xì)馔ㄟ^(guò)氣化爐內(nèi)的各個(gè)反應(yīng)區(qū)，從氣化爐上部排出。向下流動(dòng)的生物質(zhì)原料被向上流動(dòng)的熱氣體烘干脫去水分，干生物質(zhì)進(jìn)入裂解區(qū)后得到更多的熱量，發(fā)生裂解反應(yīng)，析出揮發(fā)分。

　　產(chǎn)生的炭進(jìn)入還原區(qū)，與氧化區(qū)產(chǎn)生的熱氣體發(fā)生還原反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣等可燃?xì)怏w。上吸式氣化爐生產(chǎn)的可燃?xì)饪芍苯幼鳛殄仩t或加熱爐的燃料氣或向系統(tǒng)提供工藝熱源。該種爐型主要應(yīng)用于歐洲和東南亞國(guó)家。上吸式氣化爐有一個(gè)突出的缺點(diǎn)，就是在裂解區(qū)生成的焦油沒(méi)有通過(guò)氣化區(qū)而直接混入可燃?xì)怏w排出，這樣產(chǎn)出的氣體中焦油含量高，且不易凈化。

　　開心式固定床氣化爐的結(jié)構(gòu)與氣化原理與下吸式固定床氣化爐相類似，是下吸式氣化爐的一種特別形式。開心式固定床氣化爐是由我國(guó)研制出的，主要用于稻殼氣化，并已投入商業(yè)運(yùn)行多年[2]。

　　生物質(zhì)流化床氣化的研究的起步比較晚。

　　流化床氣化爐在吹入的氣化劑作用下，物料顆粒、砂子、氣化介質(zhì)充分接觸，受熱均勻，在爐內(nèi)呈“沸騰”狀態(tài)，因此又叫沸騰床，反應(yīng)溫度一般為750～850℃。流化床氣化爐有一個(gè)熱砂床，生物質(zhì)的燃燒和氣化反應(yīng)都在熱砂床上進(jìn)行。

　　氣化反應(yīng)速度快，產(chǎn)氣率高。與固定床相比，流化床沒(méi)有爐柵，一個(gè)簡(jiǎn)單的流化床由燃燒室、布風(fēng)板組成，氣化劑通過(guò)布風(fēng)板進(jìn)入流化床反應(yīng)器中。按氣化器結(jié)構(gòu)和氣化過(guò)程，可將流化床分為鼓泡流化床和循環(huán)流化床。流化床氣化反應(yīng)速度快，產(chǎn)氣量大，燃?xì)鉄嶂蹈呓褂秃康停俏┮辉诤銣卮采戏磻?yīng)的氣化爐，原料適應(yīng)性廣，可大規(guī)模、高效利用。

　　但可燃?xì)庵谢曳趾枯^多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。按氣化爐結(jié)構(gòu)和氣化過(guò)程，可將流化床氣化爐分為單床氣化爐、雙床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐及攜帶床氣化爐四種類型；如按氣化壓力，流化床氣化爐可分為常壓流化床和加壓流化床。

　　生物質(zhì)氣化技術(shù)的多樣性決定了其應(yīng)用類別的多樣性。不同的氣化爐，不同的工藝路線其最終的用途是不同的；同一氣化設(shè)備，選用不同的物料，不同的工藝條件，最終的用途也是不同的。因此，在不同的地區(qū)，根據(jù)不同的條件，選用不同的氣化設(shè)備、凈化設(shè)備，不同的工藝路線來(lái)決定如何使用生物質(zhì)燃?xì)馐欠浅Ｖ匾?。生物質(zhì)氣化技術(shù)的基本應(yīng)用方式主要有四個(gè)方面，即用于供熱、用于發(fā)電、用于供氣及用于化學(xué)品的合成。

　　3生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)存問(wèn)題及發(fā)展前景

　　國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)氣化流化床的研究較多，而在固定床中較全面的研究比較少[4]。但我國(guó)實(shí)際應(yīng)用的生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)，主要用固定床工藝，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。一般采用空氣為氣化劑，但由于空氣中含有大量氮?dú)?，使得得到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?，一般只?000kJNm3，且生物質(zhì)氣中焦油含量高，生物質(zhì)氣體中焦油含量如表2所示[5]，容易造成管路堵塞。國(guó)內(nèi)對(duì)于焦油的處理，工業(yè)上大都用水洗法，產(chǎn)生的洗焦廢水會(huì)造成二次污染且目前洗焦廢水的生化處理工藝仍不成熟。徹底解決焦油的污染問(wèn)題，將是今后要著重解決的重要問(wèn)題。流化床工藝得到的生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂蹈撸蛇_(dá)12000kJNm3左右，燃?xì)猱a(chǎn)率和氣化效率也分別達(dá)到了95%和63%左右。但是這一工藝設(shè)備復(fù)雜，操作不易掌握。另外目前的集中供氣系統(tǒng)普遍存在著所謂的“大馬拉小車”問(wèn)題，即許多氣化工程欠戶現(xiàn)象嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的戶數(shù)，使生物質(zhì)氣化設(shè)備的利用率降低，并且焦油問(wèn)題難以根絕，致使大型輸氣管網(wǎng)易堵塞，拆卸和清洗不便，氣化站運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本及難度都很高[6]，燃?xì)獾臒嶂岛蜌饣瘡?qiáng)度依然偏低，不能充分滿足用戶使用要求。導(dǎo)致大部分氣化站開工率低，基本處于停產(chǎn)和半停產(chǎn)狀況。

　　目前，我國(guó)除部分經(jīng)濟(jì)能源充裕地區(qū)大面積推廣普及沼氣池和節(jié)柴灶外，大部分農(nóng)村地區(qū)還是延用傳統(tǒng)的生活用能方式，對(duì)秸稈、鋸屑等農(nóng)林廢棄物未經(jīng)過(guò)加工直接燃燒，其轉(zhuǎn)換效率僅為10%～15%，而且不方便、不衛(wèi)生，生態(tài)環(huán)境效益差，生物質(zhì)能占中國(guó)農(nóng)村能源消費(fèi)總量的61%。

　　近年來(lái)，中國(guó)開始發(fā)展生物質(zhì)能氣化技術(shù)，所以生物質(zhì)高校利用技術(shù)才剛剛起步，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)上，原來(lái)生物質(zhì)生產(chǎn)固體燃燒已經(jīng)成熟，但由于成本問(wèn)題一直很難推廣。生物質(zhì)液體燃料的研究也已開展，但大部分處于實(shí)驗(yàn)室小試階段，根據(jù)目前的條件及社會(huì)需求情況，中國(guó)的生物質(zhì)發(fā)展將具有很大潛力。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，隨著生物質(zhì)能利用技術(shù)的不斷成熟，合理充分利用生物質(zhì)能對(duì)于緩解能源緊張有及其重大的意義，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｉ镔|(zhì)熱解氣化技術(shù)不斷受到人們的重視，氣化工藝不斷完善，氣化技術(shù)研究工作已經(jīng)進(jìn)行到一定高度，但燃?xì)鉄嶂档秃徒褂秃扛呷允堑镔|(zhì)氣化供氣技術(shù)存在的兩大主要叛點(diǎn)問(wèn)題，還需進(jìn)一步的研究。

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