生物質(zhì)氣化技術(shù)及焦油凈化方法

王武林

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技處，江蘇揚(yáng)州225127)

　　摘要：生物質(zhì)氣化供氣是農(nóng)村利用生物質(zhì)能源的主要途徑。與生物質(zhì)集中供氣技術(shù)相比，戶(hù)用的單獨(dú)供氣技術(shù)更適合于經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后和居住較分散的農(nóng)村用戶(hù)。為此，分析對(duì)比了目前生物質(zhì)氣化裝置為降低燃?xì)饨褂秃慷Ｓ玫臒崃呀?、催化裂解、濕法與干法等可用技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用條件，提出了催化裂解方法較具發(fā)展前景。采用生物質(zhì)氣化與焦油裂解一體化的氣化裝置，并配置具有降溫、除塵和焦油分離回收等多種功能的高效凈化裝置，是適合小型氣化裝置特點(diǎn)的處理焦油的有效技術(shù)。

　　0引言

　　生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)能源利用的主要技術(shù)途徑，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)由于能量密度相對(duì)較低，揮發(fā)分高，發(fā)熱值僅相當(dāng)于煤的1/3~1/2，且各種生物質(zhì)理化性質(zhì)差異又較大，氣化應(yīng)用具有一定技術(shù)難度。我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)的應(yīng)用主要集中在兩個(gè)方面，即生物質(zhì)氣化供氣和生物質(zhì)氣化發(fā)電[1]。其利用生物質(zhì)的前提都是使生物質(zhì)先在氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)生成可燃?xì)猓蕷饣癄t是生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的核心設(shè)備。

　　本文在對(duì)兩種生物質(zhì)供氣系統(tǒng)的性能、特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)制約生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)推廣的主要瓶頸問(wèn)題)粗燃?xì)庵薪褂蛢艋目捎眉夹g(shù)進(jìn)行研究，以提出適合小型氣化裝置特點(diǎn)的處理焦油的技術(shù)方案。

　　1生物質(zhì)集中供氣與單獨(dú)供氣系統(tǒng)性能比較

　　1.1生物質(zhì)集中供氣系統(tǒng)特點(diǎn)分析

　　生物質(zhì)能源在農(nóng)村的應(yīng)用前景主要是推廣生物質(zhì)氣化供氣技術(shù)，使氣化爐產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)夤┙o相應(yīng)配套設(shè)備，為居民提供炊事用氣。目前，生物質(zhì)氣化供氣主要分為集中供氣和單獨(dú)供氣兩種類(lèi)型。生物質(zhì)氣化集中供氣近幾年得到迅速發(fā)展。它是在農(nóng)村的一個(gè)村或組建立一個(gè)生物質(zhì)氣化站，并將生物質(zhì)燃?xì)庥脙?chǔ)氣柜儲(chǔ)存，通過(guò)輸氣管網(wǎng)向居民集中提供生活用燃?xì)狻?/p>

　　目前，全國(guó)已建成的集中供氣系統(tǒng)有幾百個(gè)，在高效利用農(nóng)村剩余秸稈、減輕農(nóng)民燃燒過(guò)剩秸稈引起的環(huán)境問(wèn)題方面發(fā)揮了一定作用。生物質(zhì)集中供氣系統(tǒng)經(jīng)過(guò)在部分農(nóng)村推廣應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)面臨如下問(wèn)題：

　　1)工程項(xiàng)目總投資較大，一般至少百萬(wàn)元以上，戶(hù)均投入達(dá)4000多元，在一些經(jīng)濟(jì)不夠發(fā)達(dá)的地區(qū)用戶(hù)支付有一定難度；

　　2)項(xiàng)目要求整體連片推廣，難以適應(yīng)我國(guó)目前農(nóng)村居住尚不夠集中的現(xiàn)狀；

　　3)生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂档?，但氣柜容量有限，要求供氣時(shí)間統(tǒng)一，故用戶(hù)常感使用不便，致使許多氣化工程欠費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求戶(hù)數(shù)，氣化設(shè)備利用率降低；

　　4)是氣化技術(shù)總體尚不夠成熟，長(zhǎng)期運(yùn)行后易出現(xiàn)焦油、飛灰等堵塞管道或灶具等情況，致使項(xiàng)目運(yùn)行一段時(shí)間后被迫停用。

　　1.2生物質(zhì)單獨(dú)供氣技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

　　該技術(shù)特點(diǎn)是農(nóng)村居民以家庭為單位直接使用小型氣化爐，所產(chǎn)燃?xì)饨尤氲礁浇臓t灶使用，具有氣化系統(tǒng)體積小、投資少的特點(diǎn)，更適合于經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后和居住較分散的農(nóng)村用戶(hù)[2]。目前，小型戶(hù)用生物質(zhì)氣化技術(shù)已有一定發(fā)展，如湖南張家界三木能源開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的戶(hù)用氣化爐，采用固定床上吸式爐型，具有氣化爐設(shè)備簡(jiǎn)單、投資較少的特點(diǎn)，一套生物質(zhì)氣化爐售價(jià)僅700多元，已進(jìn)入部分農(nóng)村市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的戶(hù)用氣化裝置仍存在質(zhì)量參差不齊和性能不夠穩(wěn)定的問(wèn)題。盡快開(kāi)發(fā)出投資較少、焦油含量低、技術(shù)成熟的小型或戶(hù)用生物質(zhì)氣化裝置，是目前農(nóng)村推廣應(yīng)用生物質(zhì)利用技術(shù)的關(guān)鍵。

　　2生物質(zhì)氣化裝置降低焦油含量的可用技術(shù)

　　生物質(zhì)氣化作為可再生能源，具有良好的發(fā)展前景，但由于氣化爐產(chǎn)粗燃?xì)庵薪褂秃扛撸鄙儆行幚矸椒?，已成為該技術(shù)在農(nóng)村推廣的主要障礙。焦油是生物質(zhì)氣化不可避免的副產(chǎn)品，在高溫時(shí)呈氣態(tài)，隨溫度降低逐漸凝結(jié)為液態(tài)。由于焦油成分非常復(fù)雜，可分析出的就有200多種，其中主要成分有20多種，含量較高的是苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚等，從燃?xì)庵羞M(jìn)行有效分離或處理都很困難[3-4]。小型戶(hù)用生物質(zhì)氣化裝置常采用上吸式氣化爐，焦油含量較下吸式氣化爐高。燃?xì)庾鳛榇妒掠脷怆m不要求冷卻可直接利用，但當(dāng)燃?xì)鉁囟鹊陀?00e時(shí)焦油易凝結(jié)為液態(tài)，并與水、灰等結(jié)合堵塞輸氣管道或閥門(mén)等，嚴(yán)重影響氣化裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。若呈氣態(tài)進(jìn)入灶具也難以實(shí)現(xiàn)完全燃燒，并容易產(chǎn)生炭黑等顆粒。由于焦油占粗燃?xì)饪偰芰康?%~15%，如果不經(jīng)有效處理必將對(duì)環(huán)境和氣化效率造成明顯不利的影響。

　　目前，氣化裝置中控制焦油含量的可用技術(shù)有兩類(lèi)：一類(lèi)是裂解法，另一類(lèi)是普通方法。裂解法又分熱裂解和催化裂解，是在通過(guò)提供較高溫度及其他條件下，把焦油分解成小分子可燃?xì)怏w；普通法除焦油又可分為濕法和干法兩種。

　　2.1降低焦油含量的熱裂解方法

　　通過(guò)裂解方法將焦油設(shè)法轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?，既能提高氣化效率，又可降低燃?xì)庵薪褂秃?，解決焦油對(duì)環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行的有害影響。熱裂解法基于生物質(zhì)氣化過(guò)程，焦油產(chǎn)物的數(shù)量主要取決于轉(zhuǎn)換溫度和氣相停留時(shí)間，一般生物質(zhì)在500e左右時(shí)焦油產(chǎn)物最多；而在同一溫度下氣相停留時(shí)間越長(zhǎng)，焦油熱裂解則越充分。因此，氣化過(guò)程中應(yīng)盡可能提高溫度和氣相停留時(shí)間，使焦油熱裂解，把焦油分解為永久性氣體與可燃?xì)庖黄鹄?，從而減少焦油數(shù)量和種類(lèi)。熱裂解法在1100e以上才能得到較高的轉(zhuǎn)換效率，小型生物質(zhì)氣化裝置(如采用固定床)的氣化溫度一般為900e左右，即使采用一些技術(shù)措施也難提高。因此，熱裂解法要在實(shí)際中得到應(yīng)用具有較大困難。

　　2.2降低焦油含量的催化裂解方法

　　焦油熱裂解需要很高溫度，但如果借助某些催化劑的作用對(duì)焦油進(jìn)行催化裂解，不但可使焦油裂解的溫度下降到750~900e，而且能提高裂解的效率。因此，催化裂解法是目前降低焦油含量最有發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)。生物質(zhì)焦油裂解原理與石油的催化裂解相似。經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，可用于焦油轉(zhuǎn)化的催化劑有白云石、堿金屬和其他金屬基催化劑、鎳基催化劑等。如果滿足低成本需要，還可利用石灰石、木炭以及石英砂等作為催化劑。其中，白云石(CaCO3·Mg2CO3)因具有催化效率高和成本低的特點(diǎn)而得到廣泛重視[5]。

　　焦油催化裂解能否達(dá)到預(yù)期效果，取決于在溫度和接觸時(shí)間方面是否滿足要求的工藝條件。依據(jù)催化劑的加入位置和方法的不同，大致可分為兩種：一種是將催化劑與生物質(zhì)在氣化前直接混合，使氣化與焦油的催化轉(zhuǎn)化在同一工況下運(yùn)行。如白云石對(duì)焦油的裂解在溫度達(dá)800e以上才有很高的裂解率[6](如圖1所示)，這一溫度和生物質(zhì)的氣化溫度相近，所以在爐內(nèi)加入催化劑進(jìn)行裂解反應(yīng)，易滿足要求的溫度條件。另一種是在氣化爐出口另設(shè)一個(gè)反應(yīng)器，使焦油的裂解在一分開(kāi)的反應(yīng)爐中進(jìn)行。因氣化爐出口氣體溫度往往已降至500e，為此常通過(guò)外加熱源或使燃?xì)獠糠秩紵齺?lái)提高溫度，從而使催化裂解技術(shù)更適合于較大型的氣化系統(tǒng)。

　　催化裂解過(guò)程中水蒸汽的存在也能發(fā)揮重要作用。水蒸汽能和某些焦油成分發(fā)生反應(yīng)，生成CO和H2等氣體，既減少了碳黑的產(chǎn)生，又提高了燃?xì)猱a(chǎn)量。

　　2.3去除粗燃?xì)庵薪褂偷臐穹ㄅc干法兩類(lèi)凈化方法

　　粗燃?xì)庵谐薪褂屯猓€夾帶灰分、微小炭顆粒、水分等固體和液體雜質(zhì)。由于雜質(zhì)的多樣性和復(fù)雜性，所以生物質(zhì)燃?xì)獾膬艋话悴挥脝我环椒?，而是將幾種凈化方法組合一起使用。目前，結(jié)合焦油的處理并除去灰分的常用方法有水洗法(濕法)和過(guò)濾法(干法)兩種。

　　濕法包括水洗法和水濾法，即利用水洗燃?xì)猓怪焖俳禍?，從而?shí)現(xiàn)焦油冷凝并與灰分一起從燃?xì)庵蟹蛛x的目的。該方法成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，早期凈化系統(tǒng)應(yīng)用較多，但濕法產(chǎn)生的含焦油廢水外排，易造成二次污染，排出的焦油不能得到很好的利用。

　　干法是利用機(jī)械力或過(guò)濾的方法，使灰分和液態(tài)焦油滴利用慣性力從氣流中分離出來(lái)，或使燃?xì)馔ㄟ^(guò)多孔體等濾料來(lái)分離雜質(zhì)。干法的缺點(diǎn)是利用機(jī)械力除焦油一般難以獲得滿意的凈化效果，而過(guò)濾方法中焦油與灰塵易粘接一起堵塞過(guò)濾通道，故不宜作為獨(dú)立的凈化裝置，而是多與其他凈化裝置組合使用。

　　3小型生物質(zhì)氣化裝置凈化焦油的技術(shù)思路

　　小型生物質(zhì)氣化裝置在農(nóng)村一般作為炊事用燃?xì)鈦?lái)源，氣化爐產(chǎn)燃?xì)獠灰罄鋮s，可直接輸送給灶具。由于低成本要求，氣化系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不可能配備復(fù)雜的燃?xì)鈨艋b置。因此小型生物質(zhì)氣化裝置要降低焦油含量，并保證裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)具有一定難度。一些大型氣化裝置上采用的低焦油技術(shù)措施對(duì)小型氣化裝置未必合適。符合小型氣化裝置特點(diǎn)的降低燃?xì)庵薪褂秃康膶?shí)用技術(shù)，可考慮以下技術(shù)方案。

　　3.1生物質(zhì)氣化與焦油裂解一體化的高效氣化爐

　　小型戶(hù)用生物質(zhì)氣化爐大多為固定床上吸式，氣化爐出口溫度約為500e左右，如另設(shè)裂解爐顯然達(dá)不到要求的裂解溫度。為此，除可考慮在入爐的生物質(zhì)中添加白云石或木炭等催化劑，使氣化與焦油的裂解同時(shí)進(jìn)行以外，還可在爐內(nèi)靠近燃?xì)獬隹谔幵O(shè)置一催化裂解區(qū)，使氣化產(chǎn)燃?xì)怆S即進(jìn)入該裂解區(qū)，以充分利用爐內(nèi)溫度高的特點(diǎn)，在爐內(nèi)進(jìn)行焦油催化裂解反應(yīng)。

　　3.2研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、焦油回收率高的凈化裝置

　　設(shè)計(jì)一種具有降溫、除塵和分離焦油等多種功能的凈化裝置，如圖2所示。

　　小型生物質(zhì)氣化爐可配置一高效的、利用機(jī)械力除塵的凈化設(shè)備，并與附設(shè)的焦油分離或回收裝置組合。粗燃?xì)饨禍亓鲃?dòng)過(guò)程中氣態(tài)焦油冷凝為液滴，可與灰分一起從粗燃?xì)庵杏行У胤蛛x出來(lái)，并經(jīng)循環(huán)管道流回到氣化爐內(nèi)的高溫氧化層，進(jìn)行裂解反應(yīng)。

　　3.3尋找更能適合小型生物質(zhì)氣化裝置的催化劑

　　加強(qiáng)對(duì)溫度、接觸時(shí)間、催化劑的粒徑等參數(shù)與焦油轉(zhuǎn)化率關(guān)系的研究。催化劑的加入方法和加入位置應(yīng)考慮氣化爐的爐型特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)性能上的優(yōu)化配匹，尋找成本低以及活性高的催化劑。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)我國(guó)許多農(nóng)村居住分散的特點(diǎn)，完善小型家用生物質(zhì)氣化技術(shù)，開(kāi)發(fā)出技術(shù)實(shí)用、焦油含量低和運(yùn)行穩(wěn)定的戶(hù)用氣化裝置，對(duì)于生物質(zhì)作為可再生能源在農(nóng)村得到進(jìn)一步應(yīng)用具有重要意義。催化裂解在焦油凈化可用技術(shù)中具有良好發(fā)展前景。利用爐內(nèi)溫度高的特性，使焦油催化裂解與氣化同時(shí)進(jìn)行，或通過(guò)配置高效的焦油分離回收裝置，使其循環(huán)流入爐內(nèi)高溫氧化層裂解，是適合小型生物質(zhì)氣化裝置特點(diǎn)的實(shí)用技術(shù)。

　　參考文獻(xiàn)：

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