生物質(zhì)氣化技術(shù)和氣化爐研究進展

劉作龍，孫培勤，孫紹暉，陳俊武

(鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州 450001)

·綜述與述評·

生物質(zhì)氣化技術(shù)和氣化爐研究進展

劉作龍，孫培勤，孫紹暉，陳俊武

(鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州 450001)

簡單介紹了生物質(zhì)氣化的基本原理及生物質(zhì)氣化爐的分類，闡述了不同類型氣化爐的特點及技術(shù)指標。介紹了國內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)在集中供氣、供熱和發(fā)電方面的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，重點介紹了適用于大規(guī)模生物質(zhì)氣化合成液體燃料的氣化爐;指出了生物質(zhì)氣化技術(shù)需要解決的問題，提出了我國在生物質(zhì)氣化領(lǐng)域的重點研究方向。

生物質(zhì);氣化爐;氣化;綜述

Abstract:The basic principles and classification of biomass gasification are introduced，the characteristics and technical indicators of different types of gasifiers are described.The technology research and application of biomas gasification in gas supply，heating supply，power generation domestic and overseas is illustrated.This paper focuses on the gasifier that can be used to large－scale biomass gasification synthetic liquid fuels.The problems that the biomass gasification technology needs to solve and the research direction which the biomass gasification field at are pointed out.

Key words:biomass;gasifier;gasification;review

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對能源的需求也越來越大。大量的開采和使用化石能源會污染環(huán)境和破壞生態(tài)平衡，開發(fā)和利用清潔的可再生能源已經(jīng)迫在眉睫，生物質(zhì)是可以轉(zhuǎn)化為液體燃料的環(huán)境友好的可再生能源，是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源［1］。生物質(zhì)氣化技術(shù)是清潔高效利用生物質(zhì)能的有效途徑之一，生物質(zhì)氣化技術(shù)除了可以用于發(fā)電、供氣、供熱等方面外，還可以用于將各種生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成為高品位的液體燃料。

1 生物質(zhì)氣化原理

生物質(zhì)氣化是指將固體生物質(zhì)加熱，進行不完全燃燒，使生物質(zhì)裂解，變成小分子量的 CO、H2、CH4等可燃性氣體，在轉(zhuǎn)換過程中要加入氣化劑(空氣、氧氣或水蒸氣)。由于生物質(zhì)的特殊性質(zhì)，在氣化前還需要經(jīng)過干燥、破碎和切片等預(yù)處理過程。經(jīng)預(yù)處理的生物質(zhì)在氣化爐中，約于600℃下發(fā)生熱解反應(yīng)，生成的氣體中包括解離氣體、氣化的揮發(fā)分、H2、CO、CO2、焦油和水蒸氣。由于生物質(zhì)中的揮發(fā)分含量(70% ～80%，干基)遠高于煤炭(30%)，所以生物質(zhì)氣化的熱解反應(yīng)比煤炭更為重要。揮發(fā)分在氣相中的熱裂化反應(yīng)可降低焦油量，熱解反應(yīng)的副產(chǎn)物是生成不揮發(fā)的焦炭和灰分。在氣化爐中的第二反應(yīng)為焦炭與氧氣、蒸汽反應(yīng)，生成H2、CO、CO2等氣體，未轉(zhuǎn)化的焦炭燃燒為熱解反應(yīng)提供所需的熱量［2］。

2 生物質(zhì)氣化技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展概況

生物質(zhì)氣化技術(shù)早在18世紀就已出現(xiàn)，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。20世紀五六十年代，煤炭和石油等化石能源的廣泛應(yīng)用，使能源短缺問題得到暫時性的緩解。由于生物質(zhì)氣化技術(shù)的不完善和利用率低等原因，生物質(zhì)氣化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用產(chǎn)生了延滯。20世紀70年代，受石油危機的影響，世界各國再一次深該認識到化石能源的不可再生性，重新開始了對生物質(zhì)能源的開發(fā)和研究。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐美等國的生物質(zhì)氣化技術(shù)取得了很大的成就。生物質(zhì)氣化設(shè)備規(guī)模較大，自動化程度高，工藝較復(fù)雜，主要以供熱、發(fā)電和合成液體燃料為主，目前開發(fā)了多系列已達到示范工廠和商業(yè)應(yīng)用規(guī)模的氣化爐(見表1)。生物質(zhì)氣化領(lǐng)域處于領(lǐng)先世界水平的國家有瑞典、丹麥、奧地利、德國、美國和加拿大等。瑞典和丹麥正在實行利用生物質(zhì)進行熱電聯(lián)產(chǎn)的計劃，使生物質(zhì)能在轉(zhuǎn)換為高品位電能的同時滿足供熱的需求，可以大幅度提高其轉(zhuǎn)換效率。美國在利用生物質(zhì)能發(fā)電方面處于世界領(lǐng)先地位。目前，美國生物質(zhì)發(fā)電裝機總?cè)萘恳堰_10500MW，70%為生物質(zhì)—煤混合燃燒氣化技術(shù)，單機容量30～100MW，發(fā)電成本3～6美分/(kW·h)，預(yù)計到2015年美國生物質(zhì)發(fā)電裝機總?cè)萘繉⑦_16300MW［3］。美國在生物質(zhì)氣化合成乙醇方面取得了很大的成就。歐盟國家在生物質(zhì)氣化合成柴油方面取得了很大的成就。2004年歐盟國家的生物質(zhì)氣化合成柴油的產(chǎn)量達到224萬t，德國是歐盟最大的生物質(zhì)氣化合成柴油生產(chǎn)國，2004年的生產(chǎn)能力達到了 109.7萬 t［4］。

表1 國外氣化爐應(yīng)用情況一覽［5］

2.2 我國生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展概況

我國對生物質(zhì)氣化研究起步較晚，始于20世紀80年代。經(jīng)過近30年的努力我國生物質(zhì)氣化技術(shù)取得了較大的進步，我國自行研制的集中供氣、發(fā)電、戶用氣化爐等產(chǎn)品已進入實用化試驗及示范階段，形成了多個系列的氣化爐(如下頁表2所示)，可滿足多種物料的氣化要求，在生活用能、發(fā)電、供暖等領(lǐng)域得到應(yīng)用。但其容量多是小型的，大容量的氣化設(shè)備仍處于實驗室研究階段。在供氣、供暖方面:中國農(nóng)業(yè)機械化研究院研制的ND系列和錐形流化床［3］、山東科學院能源研究所研制的XFL系列、廣州能源所研制的的GSQ系列固定床氣化爐在戶用、集中供氣和供熱等方面取得了一定的環(huán)保和經(jīng)濟效益。生物質(zhì)氣化發(fā)電方面:80年代初期，我國自主研制了由固定床氣化器和內(nèi)燃機組成的200kW稻殼發(fā)電機組并得到推廣;中國農(nóng)機院、中國林科院分別在河北、安徽建立了400kW氣化發(fā)電機組［3－6］;勝利油田動力機械有限公司成功研制了功率190kW的180GF－RFm型秸稈氣發(fā)電機組［7］;廣州能源所以木屑和木粉為原料應(yīng)用循環(huán)流化床氣化技術(shù)，完成發(fā)電能力為4MW的氣化發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)［8－9］。在合成液體燃料方面也取得一定成就，廣州能源所已成功研制了合成柴油中試裝置和年產(chǎn)百噸級生物質(zhì)氣化合成DME的中試裝置［10］。

表2 國內(nèi)生物質(zhì)典型氣化爐情況一覽

3 氣化爐發(fā)展現(xiàn)狀

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)進行氣化反應(yīng)，生成合成氣。生物質(zhì)氣化爐可以分為固定床氣化爐、流化床氣化爐、氣流床氣化爐(EF)及等離子體氣化爐(Plasma)等類型。

3.1 固定床氣化爐

固定床氣化爐中氣化反應(yīng)是在一個相對靜止的物料床層中進行，即物料相對于氣流來說，是處于靜止狀態(tài)。物料在爐內(nèi)基本上是有層次的分為四個階段，即干燥階段、熱解階段、燃燒階段、還原階段。固定床氣化爐的爐內(nèi)反應(yīng)速度較慢。根據(jù)爐內(nèi)氣化劑的流動方向，可將固定床氣化爐分為四類［11－12］:上吸式、下吸式、橫吸式和開心式。固定床氣化爐的優(yōu)點:氣化爐結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運行可靠、操作比較容易，對原料的種類及粒度要求不高。缺點:固定床氣化爐通常產(chǎn)氣量比較小，多用于小型氣化站、小型熱電聯(lián)產(chǎn)或戶用供氣，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)。

3.2 流化床氣化爐

顆粒狀的物料被送入爐內(nèi)，并摻有精選的惰性材料(砂子和橄欖石等)作為流化床材料，在爐體底部以較大壓力通入氣化劑，使爐內(nèi)呈沸騰、鼓泡等不同狀態(tài)，物料和氣化劑充分接觸，發(fā)生氣化反應(yīng)。按氣化爐結(jié)構(gòu)和氣化過程，可將流化床氣化爐分為:鼓泡流化床(BFB)、循環(huán)流化床(CFB)及雙流化床(Dual)(各氣化爐的技術(shù)指標見下頁表3)［13］。流化床氣化爐的優(yōu)點:溫度穩(wěn)定均勻;使用燃料顆粒很細小，傳熱面積大;氣化效率高;適用于連續(xù)運轉(zhuǎn)，適合大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

3.3 氣流床氣化爐(EF)

已被粉碎的原料和被加壓的氣化劑(氧氣或水蒸氣)從塔頂同時進入氣化爐。塔頂部的湍流火焰燃燒部分原料，為整個氣化過程提供足夠的熱量，氣化爐內(nèi)的溫度達到1300℃。氣流床的特點:合成氣出爐的溫度可達1300℃，大部分焦油可在半焦氣化過程中裂化，出爐的合成氣中幾乎不含焦油;氣化爐壁上的灰融物可當作熔渣除去［14－15］。

3.4 等離子體氣化爐

原料從塔頂進入氣化爐，接觸到常壓、溫度為500～1500℃的由電生成的等離子體后，原料中有機物轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的合成氣，無機物變成玻璃化的惰性熔渣。這種爐的氣化效率很高，得到不含焦油的合成氣。等離子弧也可以用于凈化合成氣［5］。

氣化爐是氣化過程的最關(guān)鍵設(shè)備，選擇用于生產(chǎn)液體燃料的生物質(zhì)氣化爐時需要從五個方面進行考慮:對原料的要求、生產(chǎn)合成氣的質(zhì)量、研發(fā)狀態(tài)和操作經(jīng)驗、規(guī)模放大的潛力、成本。綜合分析可用于合成液體燃料氣化爐的性能比較如下頁表3所示。常用的生物質(zhì)大規(guī)模氣化制合成氣的氣化爐主要有BCL(Battelle)雙流化床氣化爐和ITG(Institute of Gas Technology)鼓泡流化床氣化爐，還有CHOREN公司新開發(fā)的 Carbo－V氣流床氣化爐［16］。

BCL氣化爐［17］是常壓、間接加熱的雙流化床氣化爐，氣化反應(yīng)以深度熱解為主。氣化爐由流化床氣化反應(yīng)器和半焦燃燒室組成。經(jīng)過干燥的生物質(zhì)原料從氣化反應(yīng)器下部進入，從底部通入蒸汽作氣化介質(zhì)，蒸汽與木材比(質(zhì)量比)為0.4。使用合成橄欖石作為流化介質(zhì)和熱載體，在氣化反應(yīng)器和半焦燃燒器之間循環(huán)。

表3 各種氣化爐技術(shù)指標的比較

IGT氣化爐［18］是吹氧式、高壓鼓泡流化床氣化爐，因反應(yīng)氣體中含氧高，燃燒部分生物質(zhì)提供熱量，不需另加入能量;如果改用空氣送氧，生成氣中還含一定量的氮氣。IGT壓力氣化爐在提高蒸汽用量后，可按“最大氫氣量”模式操作，IGT壓力氣化爐生產(chǎn)的合成氣含CO2較高(30% ～35%，干基)。合成氣中的甲烷組分可經(jīng)過重整生成氫氣，也可直接用作透平燃料;生成氣的H2/CO=1.4/1。

Carbo－V氣流床氣化爐［15］經(jīng)過預(yù)處理的生物質(zhì)原料首先在回轉(zhuǎn)式氣化爐中進行低溫氣化，生成可燃氣和焦炭組分。含焦油的可燃氣體經(jīng)過燒嘴進入Carbo－V高溫氣化爐，從爐頂送入預(yù)熱的空氣/氧氣。低溫氣化生成的焦炭也送入Carbo－V高溫氣化爐中部，最終生成不含焦油的合成氣。Carbo－V氣化爐的優(yōu)點:合成氣中不含焦油，無需采用催化凈化處理;氣化效率較高，達到80%以上;合成氣可用作發(fā)電燃料，發(fā)電效率可達40%;原料來源廣泛，可加工各種干燥后的含碳原料;可將灰分轉(zhuǎn)化為適用于建筑材料的熔渣顆粒;合成氣中的氫含量高，每千克原料產(chǎn)氫1.2m3。2008年在德國建立了年產(chǎn)合成柴油15000t的商業(yè)工廠，我國也在2008年引進該技術(shù)建立了以煤為原料的25000MW的發(fā)電廠［19］。

4 結(jié)束語

經(jīng)過了30年的研究和開發(fā)，我國的生物質(zhì)氣化技術(shù)在集中供氣、供熱、發(fā)電方面進入到示范應(yīng)用研究階段，并探索了生物質(zhì)氣化合成液體燃料、制氫的技術(shù);但是和歐美等發(fā)達國家相比我國的氣化技術(shù)還有很大的差距。在氣化技術(shù)方面還存在許多問題:規(guī)模小、氣化效率低、合成氣熱值低、焦油含量較高、經(jīng)濟效率低等問題。生物質(zhì)氣化技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題及未來發(fā)展方向主要包括:大力開發(fā)氣化效率高、產(chǎn)氣熱值高的氣化爐技術(shù);開發(fā)新的焦油脫除技術(shù)［20］，降低合成氣中的焦油含量;流化床氣化爐具有較好的經(jīng)濟效益和放大的潛力，流化床氣化爐技術(shù)為我國今后生物質(zhì)氣化研究的主要方向;開發(fā)規(guī)模較大的流化床氣化爐技術(shù)，為以后大規(guī)模的生物質(zhì)氣化合成液體燃料提供基礎(chǔ)。

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Present Research Status and Development of Biomass Gasification Technologies and Gasifiers

LIU Zuo－long，SUN Pei－qin，SUN Shao－h(huán)ui，CHEN Jun－wu
(School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University 450001，China)

TK6

A

1003－3467(2011)01－0021－04

2010－11－16

劉作龍(1984－)，男，碩士研究生;通訊作者:孫培勤(1963－)，女，教授，電話:(0371)67781755。