生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)分析

李艷 王欣 孫利利

（北京國(guó)環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100084）

1 生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)概述

生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)是在一定的溫度條件下，將高分子有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為小分子、高質(zhì)量能源燃料，實(shí)現(xiàn)能源利用的一項(xiàng)綜合性技術(shù)。通過(guò)有機(jī)物的熱解、氧化還原反應(yīng)將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為富含一氧化碳、氫氣的生物質(zhì)燃?xì)?，通過(guò)燃?xì)獾募淄榛磻?yīng)還能夠?qū)⑵溥M(jìn)一步制備成清潔、高品質(zhì)的天然氣。隨著世界資源的日益匱乏以及環(huán)境保護(hù)觀念的日漸深入，各國(guó)對(duì)生物質(zhì)熱解技術(shù)的研究越來(lái)越深入，美國(guó)、加拿大、瑞典、芬蘭、德國(guó)等對(duì)生物質(zhì)熱解技術(shù)的研究以及生物質(zhì)能的利用都比較成熟，促進(jìn)生物質(zhì)能利用的規(guī)?；?、自動(dòng)化是生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)研究的核心[1]。我國(guó)的農(nóng)林生物質(zhì)能資源非常豐富，加強(qiáng)這一技術(shù)研究對(duì)緩解我國(guó)能源匱乏的現(xiàn)狀，提高工業(yè)生產(chǎn)效率和能源供應(yīng)具有重要意義。

2 生物質(zhì)熱解及氣化技術(shù)的原理分析

2.1 生物質(zhì)熱解、氣化反應(yīng)的原理

生物質(zhì)熱解是在高溫加熱條件下，生物質(zhì)顆粒受熱量作用裂解為小分子產(chǎn)物和揮發(fā)組分的過(guò)程；生物質(zhì)氣化則是利用氣化劑將固體燃料中的碳氧化為氣體燃料的過(guò)程[2]。生物質(zhì)熱解、氣化的原理如圖1、圖2所示：

圖1 生物質(zhì)熱解原理圖[3]

圖2 生物質(zhì)氣化原理圖[3]

生物質(zhì)熱解氣化反應(yīng)是制備氣態(tài)燃料的熱化學(xué)過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的分解過(guò)程，對(duì)反應(yīng)的溫度、壓力、裝置都有較為嚴(yán)格的限制，由生物質(zhì)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氣態(tài)燃料要經(jīng)過(guò)干燥、液化、熱解、氣化等過(guò)程[4]。

2.2 生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)簡(jiǎn)介

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)能源利用的研究逐漸重視，對(duì)生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)研究也越來(lái)越多，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用規(guī)模較大，技術(shù)研究也較為成熟。美國(guó)對(duì)生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的研究主要針對(duì)于生物質(zhì)能發(fā)電，其生物質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)綜合氣化裝置聯(lián)合燃?xì)廨啺l(fā)電技術(shù)、炭化氣化木煤氣發(fā)生技術(shù)等對(duì)促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著非常重要的作用[5]。德國(guó)對(duì)于生物質(zhì)熱解氣化的研究也是較為先進(jìn)的，德國(guó)公司設(shè)計(jì)的下吸式氣化爐聯(lián)合內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)技術(shù)氣化效率幾乎可以達(dá)到90%，這為生物質(zhì)能的高效利用起到了很大的推動(dòng)作用。加拿大研究設(shè)計(jì)的固定床濕式上行氣化裝置及流化床氣化裝置利用規(guī)模較大，自動(dòng)化程度較高，對(duì)生物質(zhì)能的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。芬蘭是世界上利用生物質(zhì)能最多、最成功的國(guó)家之一，其開(kāi)發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)發(fā)電效率及熱轉(zhuǎn)化效率較高，廢棄物的處理也較為科學(xué)。

生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)利用是緩解能源危機(jī)的一條有效途徑，要保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，必須借鑒先進(jìn)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的研究。與上述發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的研究起步較晚，開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，但經(jīng)過(guò)近些年的努力也取得了很多先進(jìn)的技術(shù)成果。我國(guó)自行研制的集中和分戶式氣化爐產(chǎn)品逐漸投入生產(chǎn)和使用，ND型氣化及生物質(zhì)干餾熱解氣化裝置等為解決農(nóng)村供電及工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的便利。下面介紹目前常用的幾種生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)：

2.2.1 固定床式氣化爐工藝技術(shù)

固定床式氣化爐工藝技術(shù)是生物質(zhì)熱解氣化研究較早的一項(xiàng)技術(shù)，按照氣化裝置進(jìn)料方式的不同可以分為上吸式、下吸式、橫流式和開(kāi)心式等。該項(xiàng)工藝技術(shù)主要以空氣為氣化劑，設(shè)備裝置通常比較簡(jiǎn)單，運(yùn)行操作也較易實(shí)現(xiàn)，目前使用較多的為下吸式氣化爐工藝技術(shù)。首先在熱解過(guò)程中，固相反應(yīng)取決于加熱的溫度，經(jīng)歷裂解、重整、變換等過(guò)程，還要保障不同大小顆粒的燃燒速率，這就要求在該項(xiàng)技術(shù)的研究中既要保障氣化爐內(nèi)足夠好的加熱條件，又要保障在高溫下的良好傳熱與傳質(zhì)?；谏鲜鲆?，德國(guó)研發(fā)的下吸式氣化爐聯(lián)合發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)性能及工作效率都比較高，在國(guó)際上較為先進(jìn)。我國(guó)在傳統(tǒng)下吸式氣化爐的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)，研發(fā)的以蒸汽為氣化劑的下吸式生物質(zhì)熱解和完全氣化技術(shù)，轉(zhuǎn)化效率和熱值都比較高，隨著研究的進(jìn)一步深入仍有發(fā)揮潛力。國(guó)內(nèi)某能源公司研發(fā)的可連續(xù)運(yùn)行的下吸式固定床反應(yīng)器，加入了主動(dòng)配風(fēng)技術(shù)，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋系統(tǒng)，根據(jù)反應(yīng)狀況自動(dòng)控制氣化劑的供給，其自動(dòng)化程度及轉(zhuǎn)化效率都比較高。

2.2.2 流化床氣化爐工藝技術(shù)

流化床氣化爐工藝技術(shù)是與固定床氣化爐相對(duì)的一項(xiàng)工藝技術(shù)，與之相比，其設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作系統(tǒng)都比較復(fù)雜，可分為單流化床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐、雙流化床氣化爐。流化床氣化工藝中，生物質(zhì)原料的粒度通常比較細(xì)，在工作中震動(dòng)速率較快，因此床的傳質(zhì)、傳熱效率都比較高，氣化也較為徹底。流化床是基于一種流態(tài)化操作技術(shù)，各工作環(huán)節(jié)相互獨(dú)立又相互配合，其氣化能力可以在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但由于流化床難以實(shí)現(xiàn)較高的溫度要求，對(duì)于熱解氣化固態(tài)產(chǎn)物不能熔融，故而會(huì)帶來(lái)一些廢渣處理問(wèn)題[3]。多循環(huán)流化床反應(yīng)系統(tǒng)由幾個(gè)串聯(lián)的錐形反應(yīng)筒組成，在各段錐形底部形成流化床，能有效提高反應(yīng)的速率，串聯(lián)的反應(yīng)系統(tǒng)能夠有效提高固、氣滯留時(shí)間的比率，生物質(zhì)輸送與氧化反應(yīng)區(qū)各司其職，能夠減少運(yùn)行故障，提高氣化效率。奧地利研發(fā)的雙流化床蒸汽氣化技術(shù)是生物質(zhì)熱解氣化中一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，在該技術(shù)中將氣化過(guò)程與反應(yīng)產(chǎn)物利用分隔開(kāi)來(lái)，首先以蒸汽作為氣化劑進(jìn)行氣化，再將氣化產(chǎn)生的固體作為燃料循環(huán)使用。雙流化床蒸汽氣化巧妙地運(yùn)用了兩段式熱解氣化，能夠提高氣化產(chǎn)物的品質(zhì)，還能夠?qū)崿F(xiàn)熱解產(chǎn)物的充分利用。

2.2.3 生物質(zhì)合成天然氣技術(shù)

早期對(duì)天然氣能源利用是基于對(duì)煤氣化技術(shù)的研究，主要是通過(guò)甲烷化反應(yīng)制備高品質(zhì)的天然氣，這一技術(shù)的研究已經(jīng)較為成熟，而生物質(zhì)燃?xì)獾难芯枯^晚，對(duì)于提高燃?xì)馄焚|(zhì)以及生產(chǎn)效率的研究也有待進(jìn)一步的深入。2008年奧地利某研究機(jī)構(gòu)基于雙流化床生產(chǎn)設(shè)備研發(fā)的天然氣合成技術(shù)是生物質(zhì)熱解氣化完整工藝的一次突破。在該項(xiàng)技術(shù)中，首先在傳統(tǒng)熱解、氣化反應(yīng)基礎(chǔ)上，加入甲烷化及天然氣合成系統(tǒng)，將常規(guī)的熱解氣化產(chǎn)物一氧化碳、氫氣轉(zhuǎn)化為天然氣，再經(jīng)過(guò)脫硫、脫氮、焦油處理等過(guò)程產(chǎn)生高品質(zhì)的合成氣體燃料。通過(guò)上述研究制得的氣體燃料中甲烷的含量能夠達(dá)到70%以上，基本上可以代替常規(guī)天然氣的使用，這對(duì)于居民供暖、供氣，解決常規(guī)天然氣的不足具有非常重要的意義。我國(guó)對(duì)于生物質(zhì)合成天然氣技術(shù)的研究尚處于實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用較少，因此加強(qiáng)生物質(zhì)高熱值合成天然氣的研究是我國(guó)生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展有待進(jìn)一步提高。

2.2.4 生物質(zhì)富氧氣化技術(shù)

生物質(zhì)富氧氣化技術(shù)是從氣化劑的角度出發(fā)提高氣化效率的一項(xiàng)新型氣化技術(shù)。傳統(tǒng)的生物質(zhì)熱解氣化通常以空氣為氣化劑，但是由于空氣中大部分為氮?dú)?，所以燃?xì)赓|(zhì)量及生產(chǎn)效率都比較低，若在進(jìn)入反應(yīng)爐之前將氧氣富化提純則會(huì)增加氧化層厚度釋放大量熱能，為反應(yīng)爐提高足夠高的溫度，進(jìn)而大大改善反應(yīng)的效果。國(guó)外對(duì)于富氧氣化技術(shù)的研究較為成熟，該項(xiàng)技術(shù)的研究主要基于雙流化床設(shè)備，氧氣的濃度可以達(dá)到99%以上。西班牙學(xué)者研發(fā)的雙流化床反應(yīng)器，通過(guò)膜控制技術(shù)富化反應(yīng)中的氧氣量，對(duì)氣化效率的提高有較好的效果[4]。我國(guó)浙江大學(xué)搭建的小型試驗(yàn)臺(tái)，研究通過(guò)富氧氣化提高反應(yīng)溫度，一次性熱解氣化的熱值較高；山東大學(xué)對(duì)生物質(zhì)富氧氣化的研究也較多，在傳統(tǒng)生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)中加入膜法制氣及氧氣富化技術(shù)，研發(fā)出一種膜法富氧生物質(zhì)熱解氣化裝置，不僅使氣化反應(yīng)更加徹底，還能夠大大提高氧化爐的溫度，并減少了焦油及固體殘?jiān)a(chǎn)出[3]。生物質(zhì)富氧氣化技術(shù)對(duì)于提高燃?xì)獾臒嶂稻哂兄匾饬x，但我國(guó)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的裝備研發(fā)及工業(yè)應(yīng)用尚不成熟，推進(jìn)生物質(zhì)富氧氣化技術(shù)的規(guī)?；⒐I(yè)化應(yīng)用還有待進(jìn)一步推進(jìn)。

2.2.5 生物質(zhì)蒸汽氣化技術(shù)[6]

與生物質(zhì)富氧氣化技術(shù)相同，生物質(zhì)蒸汽氣化技術(shù)也是從氣化劑的角度出發(fā)進(jìn)行研究的。水蒸氣是生物質(zhì)熱解氣化中一種非常重要的產(chǎn)物，將這一產(chǎn)物加以循環(huán)利用對(duì)于提高系統(tǒng)的生物質(zhì)利用率有重要作用。水蒸氣是生物質(zhì)裂解反應(yīng)及還原反應(yīng)的重要原料，若將水蒸氣作為下一步氣化的氣化劑則上述兩個(gè)過(guò)程的反應(yīng)會(huì)大大加強(qiáng)，因此生物質(zhì)蒸汽氣化技術(shù)是提高系統(tǒng)效率的一項(xiàng)重要途徑[6]。奧地利某大學(xué)對(duì)雙流化床蒸汽氣化技術(shù)的研究較為深入，其雙段式蒸汽氣化反應(yīng)裝置具有較好的效果。我國(guó)大連理工大學(xué)對(duì)生物質(zhì)蒸汽氣化技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)較為領(lǐng)先，其利用多孔的陶瓷介質(zhì)作為熱解反應(yīng)的介質(zhì)，然后利用一種上吸式的蒸汽熱解氣化的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)富氫氣燃?xì)獾闹迫5]。生物質(zhì)蒸汽氣化技術(shù)是以蒸汽重整為基礎(chǔ)，一方面對(duì)生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)高效、高強(qiáng)度的氣化，另一方面對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行重整，對(duì)焦油及固態(tài)產(chǎn)物進(jìn)一步熱解，這對(duì)提高生物質(zhì)熱解的效率和燃?xì)獾钠焚|(zhì)具有重要作用。生物質(zhì)蒸汽熱解氣化技術(shù)是系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)化，能夠提高反應(yīng)的強(qiáng)度和效率，是生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)重要的發(fā)展方向。

3 生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展方向

生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的主要應(yīng)用是生物質(zhì)燃?xì)夤?yīng)和生物質(zhì)發(fā)電。生物質(zhì)燃?xì)饩哂星鍧嵎奖愕奶攸c(diǎn)，在人們生活中有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)生物質(zhì)的熱解氣化，能夠產(chǎn)生以一氧化碳、氫氣為主要成分的清潔燃料，并通過(guò)進(jìn)一步的甲烷化反應(yīng)，能夠產(chǎn)生熱值較高的合成天然氣，這對(duì)城市供氣、供暖帶來(lái)了極大的便利。生物質(zhì)供電主要是通過(guò)生物質(zhì)氣化及直燃所釋放的熱量轉(zhuǎn)化為電能，生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的研究為解決工業(yè)用電及城市功能用電發(fā)揮著非常重要的作用。

生物質(zhì)能是一種可再生的清潔能源，有著良好的發(fā)展前景。隨著常規(guī)能源的日益枯竭，推進(jìn)生物質(zhì)能利用的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；巧镔|(zhì)熱解氣化技術(shù)發(fā)展的必然要求。生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的研究中，一方面要提高熱解氣化反應(yīng)的強(qiáng)度和效率，另一方面要提高燃?xì)獾钠焚|(zhì)，因此研發(fā)高強(qiáng)度、高效率的固定式氣化床及流化床工藝設(shè)備，改善生物質(zhì)蒸汽氣化及富氧氣化的效果，加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)合成天然氣技術(shù)的深入研究是生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的研究方向[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)擁有豐富的農(nóng)林生物質(zhì)資源，利用生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)和利用生物質(zhì)能源，能夠達(dá)到清潔高效利用燃?xì)獾囊?，推進(jìn)工業(yè)發(fā)展。深化生物質(zhì)氣化爐裝備的研發(fā)以及生物質(zhì)蒸汽氣化技術(shù)、生物質(zhì)富氧氣化技術(shù)、生物質(zhì)合成天然氣技術(shù)的研究，加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)能源的利用，能夠有效緩解我國(guó)能源匱乏的現(xiàn)狀，對(duì)促進(jìn)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)具有強(qiáng)大的推動(dòng)作用。

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